신에너지 자동차 산업의 급속한 발전은 각 산업 체인의 폭발적 성장을 이끌었으며, 자동차 지능화와 자율주행 기술은 신에너지 자동차의 가장 중요한 핵심 경쟁력으로 자리 잡고 있습니다. 이러한 변화는 고도로 통합된 중앙 브레인 및 도메인 컨트롤러에 새로운 도전과 기회를 제공하고 있으며, 특히 DC-DC 스위칭 전원 공급 장치의 신뢰성, 고포장 밀도, 스위칭 전원 EMC(Electromagnetic Compatibility), 고효율, 비용 효율성 측면에서 새로운 기회와 도전을 동시에 가져다주고 있습니다.
인텔리전트 콕핏 도메인 컨트롤러 공급업체로서, Qualcomm의 SA8155 및 SA8295는 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 중앙 도메인 제어 SOC 레벨 1 전원 공급(배터리 입력으로부터 변환된 레벨 1 전원)의 경우, 과도 전류, 안정적인 작동 전류, 대기 상태 효율성, 비용 측면에서 스위칭 전원 장치의 EMC 설계 간 모순이 BUCK 전원 설계에 있어 큰 도전과제가 되고 있습니다. 이러한 모순을 어떻게 해결하고 균형을 이루느냐 하는 것이 스위칭 전원 아키텍처, 전원 칩, 인덕터, Mosfet, 커패시터 등 기술 방향을 함께 고려해야 할 문제입니다.
본 논문은 대형 동적 스위칭 전원 전류(100-300%) 자동차 중앙 도메인 제어 레벨 1 전원 설계를 결합하여 DC-DC 스위칭 전원 장치의 설계 방법을 탐구하며, 전원 회로 구성안, 인덕터, 캐패시터 선정 등 설계 방법론을 포함하고 있으며 부피, 비용, 효율성, 성능 등의 문제점을 고려한 실용적인 설계 방안을 제시합니다.
본 논문에서는 Qualcomm SA8295 도메인 컨트롤러를 예로 들어 단일 단계 BUCK 스위칭 전원 장치의 실제 설계를 탐구하고 구현합니다.
이 기사 시리즈는 세 개의 연재 시리즈를 포함합니다(앞으로 지속적으로 업데이트될 예정임):
01- 퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 레벨 1 전원 설계 해독: 전원 설계 및 계산 (이번 장)
02- 퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 레벨 1 전원 설계 이해: 회로 설계 및 PCB 설계
03- 퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 레벨 1 전원 설계 해독: 성능 테스트 측정 분석
1- 설계 목표와 과제
1.1 SA8295 트랜지언트 전류 요구사항
표 1: SA8295 전원 공급 설계 요구사항
1.2 SA8295 대기 전류 요구사항
퀄컴 SoC 3.3V 전원 공급 대기 전력 소비량은 4~7.5mA 이내(메모리 자체 리프레시 전력 소비 포함), 대기 상태에서의 웨이크업 기능 지원
중앙 두뇌(계기판 도메인 컨트롤러) 전체 차량의 전류 예산은 7~10mA(13.5V 기준), 4G/5G 모듈 단독 소비 전류는 4~5mA, 퀄컴 SA8295 전류는 13.5V 기준 3mA(40mW) 이내
1.3 세 가지 주요 과제
1.3.1 퀄컴 도메인 컨트롤러 SA8295 스위칭 전원 공급 장치 출력 전류 과제 1:
큰 과도 전류, 3.3V, 18A (0.1ms), DC-DC 스위칭 전원 공급 장치의 경우 이미 긴 주기 안정 상태 출력에 속하며, 18A 안정 출력 설계에 따라 부스트 전원 공급 장치가 필요함.
1.3.2 퀄컴 도메인 컨트롤 SA8295 스위칭 전원 공급 장치 고전류 동적 과제 2:
SA8295 도메인 컨트롤 정상 작동 전류는 5~9A 범위이며, 이로 인해 스위칭 전원 공급 인덕터(인덕턴스 및 전류 크기는 인덕터 선택 크기와 반비례 관계)가 정상 작동 전류 대비 300% 이상 차이가 나며, 이는 부피, 비용, 주파수 측면에서 상충되는 문제가 발생함.
1.3.3 퀄컴 도메인 컨트롤 SA8295 스위칭 전원 공급 마이크로파워 효율 과제 3:
대기 전력 소모, 13.5V 3mA 소모 효율 70% 달성이 필요하며, 이는 전원 컨트롤러 아키텍처, 인덕터 선택 설계 측면에서도 큰 과제임.
이 설계는 가장 까다로운 SA8295 단일단계 버크 전원 설계 기반으로 하여 스위칭 전원 및 DC-DC 기술 솔루션의 핵심적인 어려움을 탐구합니다.
2- 설계 방안 비교
2.1 퀄컴 SA8295 도메인 컨트롤 전원 기술 요구사항
표 2와 같이 표시됨:
표 2: 퀄컴 SA8295 전원 설계 사양 요구사항
2.2 설계 방안 및 기술 정보
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 및 LM25149-Q1은 설계 요구사항을 충족할 수 있습니다. 본 설계에서는 이 중앙 브레인 도메인 컨트롤러의 1차 전원 설계 방안으로 LM25149-Q1이 선택되었습니다.
2.2.1 LM25149-Q1 공식 사이트 주소:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
표 3: LM25149-Q1 설계 참고 자료
2.2.2 LM25149-Q1 데이터 시트:
LM25149-Q1 42-V 자동차용, 동기식 부스트, DC/DC 컨트롤러 초저 IQ 및 통합 액티브 EMI 필터 데이터 시트(Rev. B)
2.2.3 LM25149-Q1 개발 보드:
LM25149-Q1 EVM 사용자 가이드(Rev. A)(ti.com.cn)
2.2.4 액티브 필터 안정성 및 성능:
액티브 EMI 필터의 안정성과 성능을 보장하는 방법(ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 설계 도구 :
LM5149-LM25149DESIGN-CALC 계산 도구 | TI.com
3- 동기식 부스트 전원 공급 장치 설계 및 계산
3.1 LM25149의 주요 사양 및 설계 파라미터
표 4: 퀄컴 SA8295 전원 공급 설계 사양 요구사항
효율성
능동형 EMI 필터
EMI 테스트
리퍼런스 디자인 회로도
리퍼런스 디자인 솔루션 평가 보드
3.2 LM25149 동기식 BUCK 인덕터 선정 계산
3.2.1 동기식 BUCK 스위칭 전원 공급 장치 계산 공식:
표 5: 동기식 BUCK 전원 공급 장치 설계 계산 식
3.4 최소 인덕턴스 계산
(공식은 표 5 참조)
표 6: 최소 인덕턴스 계산 그래프 (∆I=0.3)
표 7: 최소 인덕턴스 계산
3.4.1 인덕턴스 계산 데이터 요약:
① 설계 범위가 6-20A(AI=0.3 계산)인 경우, 16V 입력, 6A 출력, 인덕턴스 ≥ 0.69μH.
② 스위칭 전원 인덕턴스 Lmin의 이론적 계산: ≥ 0.69μH(이론적).
③ 실제 설계 선택과 인덕턴스 오차 ±20%를 고려하여, 최적의 설계로 0.82μH 및 1.0μH를 선정(인덕턴스 값 증가 시 인덕터 부피와 비용은 증가하며 SRF는 감소함).
3.5 인덕터 전류 계산
(공식: 표 5의 표 1 및 표 2 참조)
표 8: 0.82μH 인덕터 전류 계산
표 9: 1.0μH 인덕터 전류 계산
3.5.1 이론적으로 계산된 인덕터 포화 전류 ≥ 20.76A, 반올림하여 21A:
표 10: 인덕턴스 지표
4- 스위칭 전원 공급 장치 인덕터 선택
표 11: 인덕터 선택
4.1 LM25149 스위칭 전원 공급 장치 인덕터 전류 샘플링 저항 계산
표 12: 인덕터 전류 샘플링 저항의 이론적 계산
표 13: 인덕티브 샘플링 저항 선택
4.2 동기식 BUCK 스위칭 전원 공급 장치 출력 커패시터 계산
(출력 커패시터 계산: 표 5의 공식 참조)
표 14: 동기식 BUCK 스위칭 전원 공급 장치 출력 커패시터 계산
동기 부크(Synchronous BUCK) 스위칭 전원 설계에서 입력 및 출력 필터 커패시터의 성능, 부피, 비용 간에는 상충관계가 있으며, 커패시터 사양 지표의 테스트는 특정 조건 하에서 이루어지므로, 테스트 과정에서 계측기기의 차이로 동일한 지표라도 10~50%의 오차가 발생할 수 있습니다. 최종 설계 성능은 실제 디버깅 과정에서 과학적인 실험과 테스트를 통해 검증해야 합니다. (설계에 있어 완전한 최적해는 없으며, 오직 적용 시나리오에 적합한 선택만이 있을 뿐입니다.)
스위칭 커패시터는 다음 조건을 충족해야 합니다: 용량 ≥ 320uF (과도현상 요구사항), 세라믹 커패시터 용량은 2.435uF 이상 (핵심 조건은 아님, 만족 가능)
표 15: 스위칭 전원 출력 필터 커패시터 추천 모델 선정
표 16: 스위칭 전원 출력 필터 커패시터 설계
4.3 LM25149 전원 입력 커패시턴스 계산
4.3.1 입력 커패시턴스 계산
표 17: 스위칭 전원 공급 장치 입력 필터 커패시터 계산
표 18: 스위칭 전원 공급 장치 출력 필터 선택
4.4 LM25149 Mosfet 선택 계산
4.4.1 Mosfet 계산
LM25149 데이터시트에는 많은 계산 및 선택 계산이 포함되어 있지 않으며, 경험적 추정을 기반으로 QG 계산 및 선택은 역방향으로 수행됩니다. 계산 결과에 따라 4.5-5.0V Vgs, ≤ 22nC를 선택합니다. 계산 과정은 다음 표를 참조하시고, 밀러 플랫폼(Miller plateau)의 경우 2-3V(3V에 가까운 값도 허용됨)를 선택하며 Rdson은 ≤ 8mΩ을 선택합니다.
표 19: Mosfet 선택 및 계산
4.5 Mosfet 선택 권장사항
표 20: Mosfet 선택 모델
4.6 LM25149 FB 및 보상 계산
표 21: FB 및 보상 계산
4.7 LM25149 EMC 설계 계산
과도하게 분석하지 말고 사양을 참조하십시오.
5- 설계 요약
5.1 LM25149BUCK 전원 공급 장치 설계 선택 요약
표 22: 설계 및 선택
5.2 프로그램 요약
동기식 스위칭 전원 공급 장치의 성능과 효율은 여러 요인에 영향을 받습니다. 성능 및 지표는 실제 요인을 고려해야 하며, 이 챕터는 이론적 계산과 실제 설계에 대한 이론적 가이드로 사용됩니다. 설계의 성능과 지표는 부품들의 성능, 사용 조건, 레이아웃 등과 밀접하게 관련되어 있으므로 엄격한 테스트와 검증이 필요합니다.
하이패스 도메인 컨트롤러용 동기 부스트 전원 공급 장치 설계는 컨트롤러 설계 기술 분야에서 난이도가 높은 기술 분야로, 성능과 부피, 비용 간의 균형을 잡을 필요가 있습니다. Kodak Ka사는 인덕터 독자적인 연구 개발 및 설계에 주력하고 있으며, CSEB0660-1R0M은 하이패스 플랫폼의 개발 및 응용에 적합하며, 높은 가격 대비 성능, 강력한 포화 전류 저항 특성, 발열량이 적음 등의 기술적 장점을 갖추고 있으며, 업계 최고 수준의 전력 대 부피 비율을 실현합니다. Kodak Ka사는 기술 R&D와 기술 혁신에 집중하여 인덕터 산업을 위한 우수한 제품을 개발하고, 전자 제품의 개발 및 응용을 지원하고 있습니다.
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