신에너지차 산업의 급속한 발전은 다양한 산업 체인의 폭발적인 성장을 촉진하였으며, 자동차 지능화와 자율주행은 신에너지차의 가장 중요한 핵심 경쟁력 방향이 되었고, 고도로 통합된 중앙 브레인 및 도메인 컨트롤러에 새로운 과제와 기회를 제공하고 있다. 특히 DC-DC 스위칭 전원 공급 장치의 신뢰성, 고출력 밀도, EMC, 고효율 및 비용 효율성에 대한 요구가 더욱 중요해졌다.
지능형 콕핏 도메인 컨트롤러 공급업체로서 SA8155과 SA8295는 중요한 위치를 차지하고 있으며, 중앙 도메인 제어 SOC 주전원(배터리 입력 1차 레벨에서 변환된 전원)의 과도 전류, 안정적인 작동 전류, 대기 효율, 비용 및 스위칭 전원 EMC 설계 간의 모순은 BUCK 전원 공급 설계에 있어 큰 도전 과제가 되고 있습니다. 이러한 모순을 어떻게 해결하고 균형을 이루는가는 스위칭 전원 아키텍처, 전원 공급 칩, 인덕터, MOSFET, 캐패시터 제조업체들이 함께 나아가야 할 기술 방향입니다.
이 논문은 전원 공급 장치 구성, 인덕터 및 커패시터 선정 등 대역폭 동적 스위칭 전원 공급 장치(100-300%)의 중앙 도메인 제어를 위한 주전원 설계에 관한 DC-DC 스위칭 전원 공급 장치 설계 방법을 다루며, 크기, 비용, 효율성 및 성능상의 과제를 고려합니다.
이 장에서는 퀄컴 SA8295 도메인 컨트롤러를 예로 들어 1단계 BUCK 스위칭 전원 공급 장치의 실용적인 설계를 논의하고 구현합니다.
본 장을 이해하기 위해서는 첫 번째 시리즈(BUCK 스위칭 전원 공급 장치 이론 및 계산 상세 내용)를 숙지한 후, LM25149 기반으로 BUCK 전원 공급 장치를 상세히 설계해야 합니다.
이 시리즈는 총 세 개의 시리즈로 구성되어 있으며(지속적인 업데이트 예정):
01-퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 1단계 전원 공급 설계 해부: 전원 공급 설계 및 계산
02-퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 1단계 전원 공급 장치 설계 해부: 회로도 설계 및 PCB 설계 (본 장)
03-퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 1단계 전원 공급 설계 해독: 성능 테스트 측정 분석
1. 설계 목표 및 과제
1.1 SA8295 트랜지언트 전류 요구사항
표 1: SA8295 전원 공급 설계 요구사항
참고: 최신 SA8295 설계 요구 사항은 21A(1 NPU) 및 24A(2 NPU)이며, 이 설계는 (30A 과전류 보호)를 커버할 수 있습니다.
1.2 디자인 목표
이 설계는 LM25149 설계 도메인 컨트롤러 1단 전원 공급 장치를 사용하며 순간 전류 24A(100us) 요구 조건을 충족하고 10A 이상의 정상 상태 작동 요구 조건도 만족시켜 부피, 비용 및 성능 간 종합적인 균형을 달성할 수 있습니다.
참고: 순간 전류는 발열 문제를 유발하지 않으며(Qualcomm SA8295의 경우 100us 순간 전류에 한함), 정상 상태에서의 대전류가 온도 상승 증가를 초래합니다. 온도 상승의 영향은 측정되어야 하며(설계 방안은 실제 환경 조건에 따라 선택됨).
2- 회로도 및 PCB 설계
2.1 핵심 부품 선정
도메인 컨트롤러 주 전원 스위칭 전원 구성 요소 선정 기준: 성능을 우선시하며, 비용을 고려하고 PCB 면적을 최소화함; BUCK 스위칭 전원의 EMC 문제 및 전류 루프 문제를 고려하여 일반적인 BUCK 스위칭 전원 설계 이론과 규칙에 부합하며, 일반적인 설계 방법을 참고할 수 있음.
전자 부품 선택 및 계산에 대한 자세한 내용은 제1장( 퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 1단계 전원 공급 설계 해부: 전원 공급 설계 및 계산 )
이 설계를 위한 옵션 2 (47uF C1210 패키지 세라믹 캐패시터 8개 사용). 이 설계는 해당 선택에 국한되지 않으며, 실제 상황에 따라 제품 설계를 조정할 수 있고, 실제 테스트 결과에 따라 설계 최적화를 수행할 수 있음.
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 선택 모델: VSEB0660-1R0MV
표 4: 인덕터 선택
2.1.3 BUCK 전원 공급 장치 출력 필터 캐패시터 선정
표 5: BUCK 전원 공급 장치 출력 필터 캐패시터 선정
2.1.4 BUCK 전원 공급 장치 - 입력 필터 커패시터 선택
표 6: BUCK 전원 공급 장치 - 입력 필터 커패시터 선택
2.2 회로도 및 PCB 설계 도구 설계
2.2.1 회로도 및 PCB 설계: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)
그림 1 Caritron EDA 소개
JLC Technology EDA는 중국에서 선도적인 무료 EDA 개발 도구로, 강력한 기능과 높은 개발 효율을 제공하며, 본 설계는 JLC Technology EDA를 사용하여 회로도와 PCB를 설계하였다.
2.3 BUCK 전원 공급 장치 - 회로도 설계
2.3.1 BUCK 전원 공급 장치 - 회로도 설계
원리 설계는 LM25149-Q1 사양서 및 공식 개발 보드를 참조하였으며, 설계는 BUCK 스위칭 전원 공급 장치의 기본 이론과 하이패스 도메인 컨트롤러의 주전원 설계 요구사항을 충족한다.
그림 2 LM25149 회로도
2.3.2 BUCK 전원 공급 장치 - 회로도 설계의 핵심 기술
입력 EMC 회로：
기술적 포인트:
① L1의 주요 기능은 스위칭 전원 공급 장치에서 발생하는 전도성 잡음이 입력 전원에 미치는 영향을 줄이는 것이다. 스위칭 전원 공급 장치의 스위칭 주파수는 2.2MHz이며, L1과 C23은 LC 필터 회로를 구성한다(C16은 주로 500kHz 이하의 저주파를 처리하는 전해 커패시터임). 이를 통해 2.2MHz 잡음을 60dB 감소시킨다.
② C21은 스위칭 노이즈(전력 트랜지스터의 상승 및 하강 에지 링잉)를 줄여주며, 주로 10~100MHz 대역의 EMC 노이즈를 감소시키는 데 목적을 둔다.
③ C21과 C23을 1차 전원부(보호 회로 이전)에 사용할 경우, 유연한 단자 구조의 캐패시터 모델을 선택해야 하며, 보호 회로가 적용된 경우에는 자동차 등급 캐패시터를 선택할 수 있다. 유사한 보호 메커니즘은 두 개의 캐패시터를 직렬로 배치하여 구현할 수도 있다.
전원 MOSFET 및 LM25149 입력 커패시터, 디커플링 커패시터에도 동일한 요구사항이 적용되며, 본 설계는 성능 검증을 위한 용도로 사용되지 않으며 세라믹 소자를 단일로 사용합니다. 제품 수준의 설계는 자동차 등급 설계 요건을 따릅니다.
참고: LM25419의 활성 EMC 제거 기능과 듀얼 랜덤 스프레드 스펙트럼 기술은 EMC 진폭을 일정 수준까지 감소시키기만 할 뿐, EMC를 완전히 제거할 수는 없습니다. 스위칭 주파수 2.2MHz와 관련된 에너지 및 고전류(≥10A) 이상의 응용 분야에서는 여전히 기준 초과 위험이 있으므로 실제 디버깅 결과를 우선시해야 합니다. C23을 제거하더라도 전도 방사선 시험을 통과할 수 있다면 C23의 사용을 생략하여 비용을 절감할 수 있습니다.
BUCK 파워 입력 커패시터:
① C2, C3는 스위칭 전원 공급 장치의 EMC 성능에 중요한 BUCK 전원 입력 캐패시터이며, 10uF 캐패시터는 약 2MHz에서 임피던스가 ≤5mΩ이 되는 것을 선택해야 합니다. CGA4J1X8L1A106K125AC 및 CGA6P1X7S1A476M250AC는 참고용으로 우수한 기술 지표를 제공합니다. 캐패시터 선택 시 X7R, 내전압 35V/50V, 패키지 C1210 및 C1206을 사용할 수 있습니다. 본 설계에서는 C1210 패키지를 선택하여 다양한 모델 검증 성능을 확보할 수 있습니다.
② C4는 고주파 스위칭 EMC 캐패시터로, 50V X7R, C0402 패키지를 선택하세요.
C2, C3, C4는 레이아웃 시 전류 루프에 주의를 기울여야 하며 (레이아웃 세부 사항 참조), 기본적인 BUCK 전원 입력 캐패시터 요구사항과 설계 이론을 충족시켜야 합니다. 입력 캐패시터에 대한 이해를 깊이하기 위해 BUCK 스위칭 전원 공급 이론을 학습할 수 있습니다.
③ TP7, TP9, TP13은 스위치의 TG, BG 및 SW 신호를 테스트하는 데 사용되며, MOSFET의 디드존 시간, 링잉 특성, 상승 및 하강 에지 성능의 합리성을 평가하는 데 활용됩니다. 이는 스위칭 전원 공급 장치의 중요한 전기적 성능 테스트 지표입니다.
GND의 TP 테스트 포인트는 오실로스코프 측정 시 GND 루프를 줄이고 측정 정확도를 향상시키기 위해 사용되며, LAYOUT 설계 시 관련 테스트 신호에 가급적 근접하게 테스트 포인트를 배치해야 합니다.
MOSFET 게이트 구동 저항:
① R1과 R2는 MOSFET의 게이트 구동 저항으로, 전력 MOSFET의 상승 및 하강 에지 특성에 중요한 영향을 미칩니다.
② R1과 R2의 선택은 제어된 BUCK 전원 컨트롤러 출력 전류(컨트롤러(PULL 및 PUSH 저항), 게이트 임피던스 및 파워 MOSFET의 충전 특성(입력 용량 CISS))이라는 복합적인 요인에 의해 영향을 받으며, 초기 설계 시 전체 저항 값은 ≤ 10오름으로 선정되며, 이는 또한 충전 특성에 따라 달라지므로 적절한 저항 값을 선정하기 위해 미세 조정이 필요하다.
③ R1과 R2는 스위칭 노이즈 EMC에 가장 크게 영향을 주는 핵심 파라미터이자 스위칭 손실에 영향을 미치는 핵심 회로 요소이다.
참고: 6개의 테스트 포인트를 사용하여 스위치 특성과 데드 타임을 측정한다.
출력 전력 루프:
① 인덕터 선택: 인덕터 선택은 주로 두 가지 요소를 고려한다.
- 과도 상태 작동 전류: 과도 출력 24A 가능(시간: 100us);
- 정상 상태 작동 전류: 10A이며, 10A 전류에서 안정적으로 작동 가능(주변 온도 조건 85℃ 포함)
-순간 작동 전류 지속 시간은 ≤ 100us이며, 구동 시작 시 발생하며 인덕턴스가 포화되지 않는 상태에서만 요구 조건을 충족시킬 수 있습니다(현재 전류 값에 대한 인덕턴스 값 충족).
② 샘플링 저항 선택: R1206 패키지의 샘플링 저항을 선택하며, 열분산 전력은 ≥ 0.5W 이상이어야 합니다.
③ 커패시터 선택: 참고 - 본 장의 첫 번째 부분에 있는 출력 필터 커패시터 챕터 참조;
피드백 회로:
LM25149는 고정 출력 구성과 피드백 출력 구성을 지원하며, 자세한 내용은 사양서를 참조하십시오.
① VDDA에 연결된 R14l, 출력 3.3V
② R14=24.9K, 출력 5.0V
③ R14=49.9K, 출력 12.0V
출력 전압은 빈 스티커 상의 R14, R9 및 R10으로 구성됩니다.
R19 및 예약된 TP3, TP4: 테스트용으로 위상 여유, 전이 주파수 등 측정에 사용됩니다.
참고: TP3 및 TP4는 위상 여유, 전이 주파수 등의 측정에 사용됩니다.
기능 설정:
① EN: 활성화 신호, 전원을 ≥ 1.0V로 켜면 정밀 저전압 보호 기능을 사용할 수 있습니다.
② Sync-PG: 동기 출력 또는 전원 정상(Power Good) 신호이며, 본 설계는 전원 정상(Power Good) 용도로 사용합니다.
③ PFM/SYNC
-기본값 (NC) 점퍼: 다이오드 아날로그, 소형 전류 출력, 고효율로 작동 가능;
-GND로 단락 점퍼 시, 강제 CCM 모드;
④ 칩 동작 모드 설정: 총 5가지 동작 모드 있음(사양서 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 - PCB 설계 핵심 기술
입력 및 출력 커패시터 루프:
① BUCK 전원 공급 장치의 입력 및 출력 커패시터는 최소 루프를 유지해야 하며, 이는 EMC에 중요한 영향을 미침;
② C4는 주로 스위치의 상승 및 하강 에지에서 발생하는 링잉 노이즈를 흡수하는 데 사용됨.
MOSFET 및 인덕터 루프:
① 2-in-1 MOSFET 사용 시 레이아웃 면적과 비용을 줄일 수 있으나, 단점은 Layout SW가 최소 루프를 유지할 수 없다는 것임;
② 2-in-1 MOSFET의 SW 포인트는 동일한 층에서 PCB 추적을 구현할 수 없으며, 연속적인 전력 전류를 달성하기 위해 레이어 배치면을 변경해야 함.
전류 샘플링:
① 샘플링 전류는 차동 트레이스여야 하며, 기준 GND 평면이 필요합니다.
② 임피던스 및 등장 제어가 필요하지 않으며, 트레이스는 레이아웃의 최소 간격을 유지하면 됩니다.
FB 피드백:
저항기 등 소자는 컨트롤 칩 핀에 가까이 배치되어야 한다.
열 관리 및 GND:
발열 소자: MOSFET, 인덕터 및 샘플링 저항은 평면 영역에서 적절히 열전도를 증가시킬 수 있으며, GND 비아를 추가하면 전체 기판의 방열 조건을 개선하는 데 도움이 됩니다.
3- 도메인 제어 1단계 BUCK 전원 공급 설계 - 요약
3.1 3D 도면
3D 그림-1
3D 그림-2
3.2 설계 요약
① 스위칭 전원 공급 장치 설계는 4층 설계를 채택하며, PCB 두께는 1.6mm, 크기는 30X65mm입니다.
② 출력 전류는 퀄컴 SA8295의 최대 과도 전류인 24A를 충족할 수 있으며, 10A 이상의 정상 상태 출력 성능을 지원합니다.
4- 정보 Codaca 전자기기
Codaca는 인덕터의 독립적인 연구 개발, 설계 및 제조에 중점을 두고 있으며, VSEB0660-1R0M은 퀄컴 플랫폼의 개발 및 응용에 적합합니다. 이 제품은 높은 가성비, 강력한 포화 전류 저항 능력, 낮은 발열 등의 기술적 장점을 갖추고 있으며, 업계를 선도하는 전력 대 체적 비율을 제공합니다. Codaca는 기술 연구 개발과 기술 혁신에 집중하여 인덕터 산업을 위한 우수한 제품을 개발하고, 전자제품의 개발 및 응용을 지원합니다.
5- 시험 및 검증
후속 테스트 및 검증을 위해 다음을 참조하십시오: 03- 퀄컴 자동차 도메인 컨트롤러 1단계 전원 공급 설계 해독: 성능 테스트 측정 분석 .
[참고]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
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