신에너지 차량 산업의 급속한 발전은 각 산업 체인의 폭발적 성장을 이끌었으며, 자동차 지능화와 자율주행 기술은 신에너지 차량의 가장 중요한 핵심 경쟁력으로 부상하였습니다. 이는 고도로 통합된 중앙 두뇌 및 도메인 컨트롤러에 새로운 도전과 기회를 가져다 주었으며, 특히 DC-DC 스위칭 전원 공급 장치의 신뢰성, 고포장 밀도, 스위칭 전원 EMC(전자기 간섭), 고효율, 비용 효율성 측면에서 새로운 기회와 도전을 안겨주고 있습니다.
인텔리전트 콕핏 도메인 컨트롤러 공급업체로서 퀄컴의 SA8155 및 SA8295는 중요한 위치를 차지하고 있으며, 중앙 도메인 제어 SOC 레벨 1 전원 공급(배터리 입력으로부터 변환된 레벨 1 전원)의 과도 전류, 안정적인 작동 전류, 대기 상태 효율성, 비용 문제와 스위칭 전원 EMC 설계 간 모순은 BUCK 전원 설계에 있어 큰 도전과제가 되고 있습니다. 이러한 갈등을 어떻게 해결하고 균형을 이루느냐는 것이 스위칭 전원 아키텍처, 전원 칩, 인덕터, Mosfet, 커패시터 제조사들이 함께 나아가야 할 기술 방향입니다.
본 논문에서는 대형 동적 스위칭 전원 전류(100-300%) 자동차 중앙 도메인 제어 레벨 1 전원 설계에 있어 DC-DC 스위칭 전원 장치의 설계 방법, 즉 전원 계통, 인덕터, 커패시터 선정 등 설계 방법을 부피, 비용, 효율성, 성능 등의 문제를 고려하여 실제 적용 가능한 설계 방안을 탐색한다.
퀄컴 SA8295 도메인 컨트롤러를 예로 들어 이 장에서는 메인 BUCK 스위칭 전원 회로의 실무 설계 및 구현 방법에 대해 설명한다.
이 절에서는 시리즈의 첫 번째 부분(BUCK 스위칭 전원 이론과 계산 상세 설명)을 충분히 이해해야 하며, LM25149 기반의 구체적인 BUCK 전원 회로 설계를 진행한다.
본 시리즈는 총 세 개의 에피소드로 구성되어 있으며 (추후 지속 업데이트),
01. 퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 레벨 1 전원 설계 해부: 전원 설계 및 계산 (발행 완료)
02-퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 레벨 1 전원 설계 분석: 회로도 설계 및 PCB 설계 (이 챕터 )
03-퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 레벨 1 전원 설계 분석: 성능 테스트 측정 분석 (출시 예정)
1. 설계 목표 및 과제
1.1 SA8295 트랜지언트 전류 요구사항
표 1: SA8295 전원 공급 설계 요구사항
주의: 최신 SA8295 설계에는 21A(1 NPU) 및 24A(2 NPU)가 필요하며, 본 설계는 30A의 과전류 보호 기능을 제공함
1.2 설계 목표
본 설계는 LM25149를 사용하여 도메인 컨트롤러의 주 전원을 설계함 , 최대 24A(100µs)의 과도 전류를 지원할 수 있으며 10A 이상의 정상 상태 작동 조건을 충족하여 크기, 비용 및 성능 간 균형 잡힌 타협점을 실현합니다.
주의: 과도 전류는 열적 문제를 일으키지 않습니다(퀄컴 SA8295의 경우 과도 전류는 단지 100µs 동안만 지속됨). 그러나 큰 정상 상태 전류는 온도 상승을 초래할 수 있으므로 열 성능 영향을 평가해야 합니다(설계 솔루션은 실제 환경 조건에 따라 선택되어야 함).
2- 회로도 및 PCB 설계
2.1 핵심 부품 선정
도메인 컨트롤러 레벨 스위칭 전원 공급 장치 부품 선정 기준: 성능 우선, 비용을 고려하면서 PCB 면적을 줄입니다. BUCK 스위칭 전원 공급 장치의 EMC 문제 및 전류 루프 문제를 고려하며 일반적인 BUCK 스위칭 전원 공급 장치 설계 이론 및 규칙에 부합하며 일반적인 설계 방법론을 참조할 수 있습니다.
전자부품 선택 및 계산에 대한 자세한 내용은 제1장 참조 (퀄컴 오토모티브 도메인 컨트롤러 레벨 1 전원 설계 이해: 전원 설계 및 계산)
이 설계는 옵션 2를 선택하였습니다(8개의 47uF 세라믹 커패시터를 C1210 패키지로 사용). 이 선택에만 한정되는 것은 아니며, 제품 설계는 모델의 실제 상황에 따라 조정할 수 있으며, 실제 테스트 결과를 기반으로 설계를 최적화할 수 있습니다.
표 2: BUCK 전원 공급 - 설계 방안
2.1.1 BUCK 전원 공급 - MOSFET 선택
표 3: BUCK 전원 공급 - MOSFET 선택
2.1.2 BUCK 전원 공급 - 인덕터 선택
인덕터 선택에 사용된 모델 번호: VSEB0660-1R0MV
표 4: 인덕터 선택
2.1.3 BUCK 전원 공급 - 출력 필터 커패시터 선택
표 5: BUCK 전원 공급 - 출력 필터 커패시터 선택
2.1.4 BUCK 전원 공급 장치 - 입력 필터 커패시터 선정
표 6: BUCK 전원 공급 장치 - 입력 필터 커패시터 선정
2.2 회로도 및 PCB 설계 도구 설계
2.2.1 회로도 및 PCB 설계: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
그림 1 Caritron EDA 소개
Jialitron EDA는 대표적인 무료 EDA 개발 도구로 강력하고 효율적인 개발이 가능하며, 본 설계에서는 Jialitron EDA를 사용하여 회로도 및 PCB를 설계하였습니다.
2.3 BUCK 전원 공급 장치 - 회로도 설계
2.3.1 BUCK 전원 공급 장치 - 회로도 설계
회로도 설계는 LM25149-Q1 데이터 시트와 공식 개발 보드를 참고하였으며, 설계는 BUCK 스위칭 전원 공급 장치의 기본 이론과 고주파 영역 컨트롤러의 1차 전원 공급 설계 요구사항을 충족합니다.
그림 2 LM25149 회로도
2.3.2 BUCK 전원 공급 장치 - 회로 설계 중심 기술
입력 포트 EMC 회로：
기술 포인트:
① L1의 주요 역할은 스위칭 전원 전도 방사 노이즈가 입력 전원에 미치는 영향을 줄이는 것입니다. 스위칭 전원의 스위칭 주파수는 2.2MHz이며, L1과 C23으로 구성된 LC 필터 회로(C16은 500kHz 이하의 저주파 대역에서 사용하는 전해 커패시터)를 통해 2.2MHz 대역의 노이즈를 60dB까지 감소시킵니다.
② C21은 스위칭 노이즈(전력 트랜지스터의 상승 및 하강 에지 링잉 현상)를 줄이는 데 주로 작용하며, 특히 10~100MHz 대역의 EMC 노이즈를 감소시킵니다.
③ C21, C23이 전원 보호 이전 단계에 위치할 경우 유연한 단자 구조의 커패시터 타입을 선택해야 하며, 보호 회로 이후라면 자동차 규격 커패시터를 선택할 수 있습니다. 또한 두 개의 커패시터를 직렬로 배치하여 직교 배열 형태로 구성함으로써 유사한 보호 메커니즘을 실현할 수도 있습니다.
파워 MOSFET 및 LM25149의 경우, 입력 커패시터와 디커플링 커패시터의 요구사항이 동일하므로 본 설계는 성능 검증용으로 사용되지 않으며, 단일 세라믹 커패시터를 사용하는 제품 수준의 설계는 자동차 등급 설계 요건을 따라야 합니다.
주의: LM25419의 경우 액티브 EMC 제거 및 더블 랜덤 스프레드 스펙트럼 기술을 적용하여 EMC 진폭을 일정 범위까지만 저감할 수 있으며, EMC를 완전히 제거할 수는 없습니다. 스위칭 주파수 2.2MHz와 관련된 에너지 및 고전류(≥10A) 이상의 적용에서는 규격 초과 위험이 있으므로 실제 디버깅에 따라 C23를 제거한 상태에서도 전도성 방사 테스트를 통과할 수 있다면 해당 커패시터를 적용하지 않아도 되며, 비용 절감이 가능합니다.
BUCK 파워 입력 커패시터:
① BUCK 전원 입력 커패시터로서의 C2, C3는 스위칭 전원 장치의 EMC 성능에 매우 중요하며, 10uF 커패시터 선택 시 2MHz 근처의 임피던스가 5mΩ 이하가 되어야 합니다. CGA4J1X8L1A106K125AC 및 CGA6P1X7S1A476M250AC는 참고할 만한 우수한 기술 사양을 갖추고 있으며, 커패시터 선택 시 X7R, 내압 35V/50V, 패키지로 C1210 및 C1206를 사용할 수 있습니다. 본 설계에서는 C1210 패키지를 선택하여 보다 다양한 모델로 성능 검증이 가능하도록 했습니다.
② C4는 고주파 스위칭 EMC 커패시터로 50V X7R, C0402 패키지 선택이 가능합니다.
C2, C3, C4의 레이아웃 시에는 전류 루프에 주의해야 하며(레이아웃 세부 사항 참조), BUCK 전원 입력 커패시터 요구사항 및 설계 이론을 준수하는 것이 중요합니다. BUCK 스위칭 전원 공급 장치 이론을 학습함으로써 입력 커패시터에 대한 이해도를 높일 수 있습니다.
③ TP7, TP9, TP13은 스위치 TG, BG 및 SW 신호 테스트에 사용되며, 이는 디드타임의 적절성, 링잉 특성, 그리고 MOSFET 상승 및 하강 에지 특성을 테스트하는 데 활용되며, 이는 스위칭 전원 공급 장치의 주요 전기적 성능 테스트 지표입니다.
GND의 TP 테스트 포인트는 오실로스코프 측정 시 GND 루프를 줄이고 측정 정확도를 향상시키기 위해 사용되며, LAYOUT 설계 시 관련 테스트 신호의 테스트 포인트에 가깝게 배치되어야 합니다.
MOSFET 게이트 구동 저항:
① R1과 R2는 MOSFET 게이트 구동 저항으로서, 파워 MOSFET의 상승 및 하강 에지 특성에 중요한 영향을 미칩니다.
② R1, R2 선택은 BUCK 전원 컨트롤러 출력 전류(컨트롤러(PULL 및 PUSH 저항), 전력 MOSFET 게이트 임피던스 및 충전 특성(입력 용량 CISS))의 종합적인 영향을 고려하여 초기 설계 시 전체 저항 합을 ≤10옴으로 선정하는 것이 좋지만, 충전 특성에 따라 최종적으로 미세 조정이 필요하며 적절한 저항값을 선택해야 한다.
③ R1과 R2는 스위칭 노이즈 EMC에서 가장 중요한 파라미터이기도 하며, 동시에 코어 회로의 스위칭 손실에 영향을 주는 요소이다. 실제 적용 시 효율성(MOSFET 발열)과 EMC 간의 모순을 조화시켜 균형점을 찾아야 한다.
주의: 스위칭 특성 및 디드타임 테스트를 위한 6개의 테스트 포인트.
출력 전력 루프:
① 인덕터 선택: 인덕터 선택은 다음 두 가지 주요 고려 사항을 기반으로 한다:
- 일시적 작동 전류: 100μs 시간 동안 일시적으로 21(24)A 출력 가능;
-정격 작동 전류: 10A, 주변 온도 조건(85°C)을 만족하는 상태에서 10A 전류로 안정적으로 작동 가능;
-과도 상태 작동 전류 지속 시간 ≤ 100us이며, 이는 구동 초기 단계에서 발생하며 인덕터가 포화되지 않는 조건만 만족하면 요구사항 충족 가능 (전류 인덕턴스 값 충족 요망);
② 샘플링 저항 선택: 샘플링 저항 선택은 R1206 패키지, 열 소산 전력 ≥ 0.5W;
③ 캐패시터 선택: 참고 사항: 출력 필터 커패시턴스 챕터의 첫 번째 파트;
피드백 회로:
LM25149는 고정 출력 구성 및 피드백 출력 구성이 있으며 상세 내용은 데이터 시트 참조;
① VDDA에 연결된 R14l, 출력 3.3V
② R14=24.9K, 출력 5.0V
③ R14=49.9K, 출력 12.0V
R14를 비워두고, R9와 R10으로 출력 전압 설정;
R19 및 예약된 TP3, TP4: 테스트, 위상 여유, 교차 주파수 등 용도로 사용
주의: TP3과 TP4는 테스트, 위상 여유, 교차 주파수 등 용도로 사용됨
기능 설정:
① EN: 동작 신호, ≥1.0V에서 전원이 켜지며 정밀 저전압 보호에 사용 가능;
② Sync-PG: 동기 출력 또는 전원 정상 신호(Power Good), 이 설계는 전원 정상 신호용으로 사용됨;
③ PFM/SYNC
-기본값(NC) 점퍼: 다이오드 아날로그, 소전류 출력, 고효율로 작동 가능;
-GND로 점퍼 단락 시, 강제 CCM 모드 동작;
④ 칩 동작 모드 설정: 총 5가지 동작 모드(스펙 참조)
2.4 BUCK 전원 공급 장치 - PCB 설계
2.4.1 BUCK 전원 공급 장치-PCB 설계
① -TOP
② -GND
③ -Signal
④ -Bottom
2.4.2 BUCK 전원 공급 장치-기술에 중점을 둔 PCB 설계
입력 및 출력 캐패시터 루프:
① BUCK 전원 공급 장치의 입력 캐패시터와 출력 캐패시터는 최소한의 루프를 유지해야 하며, 이는 EMC에 중요한 영향을 미칩니다.
② C4는 주로 스위칭 상승 및 하강 에지 링잉 잡음을 흡수하는 데 사용됩니다.
MOSFET 및 인덕터 루프:
① 2in1 MOSFET 사용 시 레이아웃 면적이 감소하고 비용이 절감되지만, 단점으로 SW 루프의 최소 면적을 유지할 수 없다는 점이다.
② 2in1 MOSFET의 SW 포인트는 동일한 층에서 PCB 배선을 일직선으로 연결할 수 없으며, 전류 흐름의 연속성을 확보하기 위해 다른 층으로 변경하여 평면을 배치해야 한다.
전류 샘플링:
① 전류 샘플링은 기준 GND 평면과 차동 배선 방식이 필요하다.
② 임피던스 제어 및 등길이 배선은 요구되지 않으며, 배선 간격은 레이아웃 최소 간격을 유지한다.
FB 피드백:
저항기 등 소자는 컨트롤 칩 핀에 가까이 배치되어야 한다.
열 관리 및 GND:
발열 소자로는 MOSFET, 인덕터, 샘플링 저항기가 있으며, 열을 전도시키기 위해 평면 영역을 적절히 확대하고 GND 비아를 추가하여 전체 보드의 발열 해소 조건을 개선할 수 있다.
3- 도메인 제어 레벨 1 BUCK 전원 설계 - 요약
3.1 3D 도면
3D 그림-1
3D 그림-2
3.2 설계 요약
① 스위칭 전원 공급 장치 설계는 PCB 두께가 1.6mm이고 크기가 30X65mm인 4층 설계를 채택함;
② 출력 전류는 퀄컴 SA8295 최대 24A 과도 전류를 충족하며, 정상 상태에서 10A 이상의 출력 능력을 지원함.
4- 정보 Codaca 전자제품
Codaca vSEB0660-1R0M은 퀄컴 플랫폼 개발 및 적용에 적합하며, 고성능 대비 비용 우수성, 높은 포화 전류 저항성, 낮은 발열량 및 업계 최고 수준의 전력 대 체적 비율 등의 기술적 장점을 갖춘 인덕터 독자적 연구 개발, 설계 및 제조에 중점을 둠. Codaca 인덕터 산업을 위한 우수한 제품의 기술 연구 개발 및 기술 혁신에 중점을 두며 전자 제품의 개발 및 적용을 지원함.
5- 시험 및 검증
후속 테스트 검증을 위해 다음을 참조하십시오: 03-퀄컴의 자동차 도메인 컨트롤러 레벨 1 전원 공급 설계 해독: 성능 테스트 측정 분석(출시 예정)
[참고]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
EN