Дээд эрэмбийн домэйны контроллер түвшний 1-р цахилгаан хангамжийн загварыг тайлбарлах: Цахилгаан хангамжийн загвар, тооцоолол

Шинэ энерги хөдөлгүүртэй тээврийн хэрэгслийн салбарт явагдаж буй хурдан хөгжил нь индустрийн гинжин дэх бүх чиглэлээр хуралсан өсөлтийг түрэлж байна. Ухаант машин, автоматаар жолоодог тээврийн хэрэгсэл нь шинэ энерги хөдөлгүүртэй тээврийн хэрэгслийн чиглэлээр хамгийн чухал өрсөлдөх чадвар болон хувирч байгаа бөгөөд маш их интеграцитай төв мэдрэлийн систем ба домэйн контроллерт шинэ сорилтууд, боломжуудыг оруулж ирж байна. Түүнд асуудал болгон DC-DC шитшилтийн цахилгаан эх үүсгэврийн найдвартай байдал, өндөр чадлын нягтшил, шитшилтийн цахилгаан эх үүсгэврийн EMC, өндөр ашигтай байдал, зардалд тохиромжтой байдал нь шинэ боломжууд, сорилтуудыг бий болгож байна.

Оюун ухаантай кабины хүрээний удирдлагын нийлүүлэгч болох Qualcomm, SA8155 ба SA8295 нь чухал байр суурь эзэлдэг. Төв домэйн удирдах SOC-ийн түвшин 1-ийн цахилгаан хангамж (баттерээс орж ирсэн түвшин 1-ээс хувиргасан цахилгаан эрчим хүч) дамжуулах гүйдэл, тогтвортой ажиллагааны гүйдэл, бэлэн байх горимын үр ашгийг сайжруулах, зардлыг багасгах, импульсийн цахилгаан хангамжийн EMC загварчлал нь BUCK цахилгаан хангамжийн загварчлалын томоохон сорилт болоод байна. Эдгээр эсрэгүүдийг хэрхэн шийдэж, тэнцвэрт нь хүрэх вэ? Импульсийн цахилгаан хангамжийн бүтцийг, цахилгаан хангамжийн чип, индуктор, Mosfet, конденсатор зэрэг техникийн чиг хандлагыг хамтад нь авч үзнэ.

Энэхүү судалгаа нь том динамик унтын гүйдлийн (100-300%) автомашинд зориулсан төв домэйны контроллер түвшний 1-р цахилгаан хангамжийн загварыг DC-DC унтын цахилгаан хангамжийн загвар, цахилгаан схем, индуктор, конденсаторын сонголт болон бусад загварын аргуудыг судалж, эзлэхүүн, зардал, ашигтай ажиллагаа, чанарын сорилт, практик ашиглах боломжийг авч үзнэ.

Энэ судалгаа нь Qualcomm SA8295 домэйны удирдлагын төхөөрөмжийг жишээ болгон нэг шатлалт BUCK импульсийн цахилгаан хангамжийн бодитой загварчлалыг хэрэгжүүлэх замаар судалж байна.

Энэ нийтлэлийн цуврал нь гурван цувралаас бүрдэнэ (цаашид тасралтгүй шинэчлэгдэх болно):

01- Qualcomm автомашинд хэрэглэх домэйны удирдлагын түвшин 1-ийн цахилгаан хангамжийн загварчлалыг тайлбарлах: Цахилгаан хангамжийн загварчлал ба тооцоолол (энэ бүлэг)

02- Qualcomm-ийн автомашины мужийн хяналтын түвшний 1 дугаар цахилгаан эх үүсгэврийн загварын зураг, PCB зураг зургийн дизайны онолыг тайлбарлах

03- Qualcomm-ийн автомашины мужийн хяналтын түвшний 1 дугаар цахилгаан эх үүсгэврийн загварын ажиллагааг шалгах тестийн хэмжилтийн шинжилгээ

1- Загварын зорилго ба сорилт

1.1 SA8295-ийн агшин зэргийн гүйдлийн шаардлага

Хүснэгт 1: SA8295 цахилгаан эх үүсгэврийн загварчлалын шаардлага

1.2 SA8295-ийн хүлээгээд буй цахилгаан гүйдлийн шаардлага

Qualcomm SOC 3.3V цахилгаан эх үүсгэврийн хүлээгээд буй цахилгаан хэрэглээ нь 4-7.5мА (санах ойн өөрөө шинэчлэх цахилгаан хэрэглээг орлуулна), хүлээгээснээ босох горимыг дэмждэг.

Төв мэдрэлийн (кокпит домэйн контроллер) нийт машины гүйдлийн төсөв нь 7-10мА (13.5В), 4G/5G модуль тус бүр 4-5мА, Qualcomm SA8295-ийн гүйдэл нь 13.5В-д 3мА (40мВт)-аас доош байна.

1.3 Гурван сорилт

1.3.1 Qualcomm Domain Control SA8295 импульсын цахилгаан эх үүсгэврийн гүйдлийн гаралтын сорилт 1:

Том дамжуулах гүйдэл, 3.3V, 18 Ампер (0.1мс), DC-DC хувиргагчийн цахилгаан эх үүсгүүр нь аль хэдийн урт хугацааны тогтвортой байдалд орж байгаа тул 18 Амперийн тогтвортой гаралтыг зориулан Buck цахилгаан эх үүсгүүрийг тусгайлан зохион бүтээх шаардлагатай.

1.3.2 Qualcomm домэйн контрол SA8295 хувиргагчийн цахилгаан эх үүсгүүрийн өндөр гүйдлийн динамик дарамт 2:

SA8295 домэйн контролийн тогтвортой ажиллагааны гүйдэл нь 5-9 Ампер байх ба энэ нь хувиргагч цахилгаан эх үүсгүүрийн индукторыг сонгоход (индукц болон гүйдлийн хэмжээ нь тогтвортой ажиллагааны гүйдлийн хэмжээнээс 300%-иас илүү ялгаатай байдаг тул индукторын хэмжээ, үнэ, давтамжийн хооронд том маргалдаан үлдээх болно).

1.3.3 Qualcomm домэйн контрол SA8295 хувиргагч цахилгаан эх үүсгүүрийн бага чадлын үр ашигтай байдалд тавигдах шаардлага 3:

Хүлээгэх горимын чадлын хэрэглээ, 13.5V 3mA хэрэглээний үр ашиг 70% байх ёстой бөгөөд энэ нь цахилгаан контроллерийн архитектур, индукторыг сонгон дизайн хийхэд мөн том сорилт болж байна.

Энэ дизайны үндэс нь хамгийн төвөгтэй SA8295 нэг шатлалтын Buck цахилгаан эх үүсгэврийн дизайн дээр суурилсан бөгөөд цахилгаан эх үүсгэврийн шүлгэн холболт болон DC-DC технологийн шийдлийн гол сорилтыг судалж байна.

2- Сонголтын хөтөлбөрүүдийн харьцуулалт

2.1 Qualcomm SA8295 мужийн удирдах цахилгаан техникийн шаардлага

Хүснэгт 2-т үзүүлсэн байна:

Хүснэгт 2: Qualcomm SA8295 цахилгаан эх үүсгэврийн дизайн техникийн шаардлага

2.2 Хөтөлбөрийн дизайн болон техникийн мэдээлэл

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1 нь дизайны шаардлагыг хангаж чадна. Энэ дизайны хувьд төвийн тархины мужийн контроллерийн нэгдүгээр шатлалтын цахилгаан эх үүсгэврийн дизайн хувилбар болгон LM25149-Q1-г сонгосон.

2.2.1 LM25149-Q1 албан ёсны вэб хуудас:

https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1

Хүснэгт 3: LM25149-Q1 Дизайн танилцуулга

2.2.2 LM25149-Q1 Техникийн гарын авлага:

LM25149-Q1 42-V автомашин, Тогтвортой, Buck, DC/DC контроллер нь маш бага IQ болон интеграл актив EMI шүүлтийн техникийн мэдээллийн хуудас (Rev. B)

2.2.3 LM25149-Q1 хөгжүүлэлтийн самбар:

LM25149-Q1 EVM Хэрэглэгчийн гарын авлага (Rev. A) (ti.com.cn)

2.2.4 Идэвхитэй шүүлтийн тогтвортой байдал болон ажиллагаа:

Идэвхитэй EMI шүүлтүүдийн тогтвортой байдал болон ажиллагааг хангахын тулд яаж хийх вэ? (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 Загварын хэрэгслүүд :

LM5149-LM25149DESIGN-CALC Тооцооллын програм | TI.com

3- Тогтвортой BUCK цахилгаан эх үүсгүүрийн загварчлал болон тооцоолол

3.1 LM25149-ийн гол техникийн үзүүлэлтүүд болон загварчлалын параметрүүд

Хүснэгт 4: Qualcomm SA8295 цахилгаан эх үүсгүүрийн загварчлалын техникийн шаардлагууд

Үр ашиг

Идэвхтэй EMI фильтрүүд

EMI шалгалт

Танилцуулгын загварын схем

Танилцуулгын загварын шийдлийн үнэлгээний самбар

3.2 LM25149 Синхрон BUCK индукторын сонголтын бодолт

3.2.1 Синхрон BUCK хувьсгалтанд суурилсан цахилгаан эрчим хүчний тооцооллын томъёо:

Хүснэгт 5: Синхрон BUCK цахилгаан эрчим хүчний төслийн бодох томъёо

3.4 Минимум индукцлэлийн бодолт

(Томъёонуудыг Хүснэгт 5-д үзнэ үү.)

Хүснэгт 6: Минимум индукцлэлийн графикийн бодолт (∆I=0.3)

Хүснэгт 7: Хамгийн бага индукцлэлийн тооцоо

3.4.1 Индукцлэлийн тооцооны өгөгдлийн нэгтгэл:

① Хэрэв зураг төслийн хүрээ 6-20A (AI=0.3 тооцоо), 16V оролт, 6A гаралт, индукцлэл ≥ 0.69μH байвал,

② Шитшигч цахилгаан эх үүсгүүрийн индукцлэлийн Lmin онолын тооцоо: ≥ 0.69μH (онолын);

③ Зураг төслийн бодит сонголт болон индукцлэлийн алдаа ± 20%-ийг тооцож, 0.82μH ба 1.0μH-г хамгийн сайн зураг төсөл гэж сонгоно (индукцлэл ихэснэ, индукцийн эзлэхүүн ихэснэ, зардал нэмэгдэнэ, SRF буурна).

3.5 Индукторын гүйдлийн тооцоо

(Томъёо: Хүснэгт 5-ийн хүснэгт 1, 2-т харна уу)

Хүснэгт 8: 0.82μH индукторын гүйдлийн тооцоо

Хүснэгт 9: 1.0μH индукторын гүйдлийн тооцоо

3.5.1 Онолын тооцоогоор индукторын ханасан гүйдэл ≥ 20.76A, 21A хүртэл тоймлоно:

Хүснэгт 10: Индукцлэлийн заагчид

4- Трансформаторгүй цахилгаан эх үүсгүүрийн оролт сонгох

Хүснэгт 11: Оролтын сонголт

4.1 LM25149 Трансформаторгүй цахилгаан эх үүсгүүрийн гүйдлийн сэмпл хавсралтын эсэргүүцлийн тооцоолол

Хүснэгт 12: Гүйдлийн сэмпл хавсралтын эсэргүүцлийн онолын тооцоолол

Хүснэгт 13: Индукцийн сэмпл эсэргүүцлийн сонголт

4.2 Синхрон BUCK трансформаторгүй цахилгаан эх үүсгүүрийн гаралтын багтаамжийн тооцоолол

(Гаралтын багтаамжийн тооцоолол: Хүснэгт 5-ийн томъёог үзнэ үү)

Хүснэгт 14: Синхрон BUCK трансформаторгүй цахилгаан эх үүсгүүрийн гаралтын багтаамжийн тооцоолол

Синхрон BUCK зэрэг хувьсах цахилгаан эх үүсгэвэрт оролтын болон гаралтын шүүлтийн конденсаторын ажиллагаа, эзлэхүүн, зардал нь зөрчилдөөн байна. Конденсаторын тодорхойлолтын индексийн тестийг тодорхой нөхцөлд хийдэг бөгөөд тестийн явцад хэмжих багаж хэрэгслийн ялгаатай байдлаас ижил үзүүлэлтэнд 10-50% -ийн зөрүү гарч болзошгүй юм. Эцсийн дизайн ажиллагааг шинжилгээний үеийн шинжлэх ухааны туршилт ба шалгалтаар баталгаажуулна (дизайны хувьд оновчтой шийдэл байхгүй, зохицуулагдсан сценарийг л сонгоно) (Дизайнд оновчтой шийдэл байхгүй, зохицуулагдсан нөхцөлийг л сонгоно).

Хувьсах конденсатор нь: багтаамж ≥ 320uF (Овершут шаардлага), церамик конденсаторын багтаамж 2.435uF-аас их байх ёстой (үндсэн нөхцөл биш, хангах боломжтой)

Хүснэгт 15: Хувьсах цахилгаан эх үүсгэврийн гаралтын шүүлтийн конденсаторын загварын сонголтын санамж

Хүснэгт 16: Хувьсах цахилгаан эх үүсгэврийн гаралтын шүүлтийн конденсаторын дизайн

4.3 LM25149 Цахилгаан эх үүсгэврийн оролтын конденсаторын багтаамжийн тооцоо

4.3.1 Оролтын багтаамжийн тооцоолол

Хүснэгт 17: Цахилгаан хангамжийн эхний шүүлтийн багтаамжийн тооцоолол

Хүснэгт 18: Цахилгаан хангамжийн гаралтын шүүлтийн сонголт

4.4 LM25149 Mosfet-ийн сонголтын тооцоолол

4.4.1 Mosfet-ийн тооцоолол

LM25149 техникийн мэдээлэлд их тооны тооцоолол, сонголтын тооцоолол, QG тооцоолол байхгүй бөгөөд туршлагын үнэлгээнд суурилан урвуу байдлаар сонгоно. Тооцооллын үр дүнгээр 4.5-5.0V Vgs, ≤ 22nC сонгоно. Тооцооллын явцыг доорх хүснэгтээр удирдаж, Miller плато хэсгийг 2-3V (3V-т ойр байх нь зүйтэй), Rdson нь ≤ 8mΩ байхаар сонгоно.

Хүснэгт 19: Mosfet-ийн сонголт ба тооцоолол

4.5 Mosfet-ийн сонголтын зөвлөмж

Хүснэгт 20: Mosfet-ийн сонголтын загварууд

4.6 LM25149 FB ба Нохцуулгын тооцоолол

Хүснэгт 21: FB болон компенсацын бодох тооцоо

4.7 LM25149 EMC загварын бодох тооцоо

Хэт шинжилсэнгүйгээр техникийн үзүүлэлтэд хандана уу.

5- Загварын дүгнэлт

5.1 LM25149BUCK цахилгаан эх үүсгүүрийн загвар сонгох талаар дүгнэлт

Хүснэгт 22: Загвар ба сонголтын дүгнэлт

5.2 Программын дүгнэлт

Синхрон переключенийн цахилгаан тэжээлийн ажиллагаа болон үр ашиг нь олон хүчин зүйлсээс шалтгаална, ажиллагаа болон үзүүлэлтүүд нь бодитой хүчин зүйлсийг авч үзэх ёстой, энэ бүлэг нь онолын бодох тооцоонд ашиглагдах бөгөөд онолын үнднээс загварыг боловсруулахад чиглэгдэнэ, загварын ажиллагаа болон үзүүлэлтүүд нь компонентүүдийн ажиллагаатай, нөхцөл байдал, байршлын зэрэг хүчин зүйлстэй нягт холбоотой бөгөөд нарийн шалгалт, баталгаажуулалт шаардана.

Хурдан өнгөрөх мужийн контроллерт зориулсан синхрон бак цахилгаан хангамжийн загвар зохиомж нь контроллерийн зохиомжийн технологийн төвөгтэй техникийн салбар юм. Иймд перформанс, эзлэхүүн, зардал зэрэг нь тэнцвэрт байх шаардлагатай. Kodak Ka нь олон жил дээд зэргийн судалгаа, зохиомжийн ажлыг гүйцэтгэснээр CSEB0660-1R0M индукторыг хөгжүүлэн боловсруулсан бөгөөд энэ нь хурдан өнгөрөх платформын хөгжил, хэрэглээнд тохиромжтой бөгөөд өндөр үр ашигтай, гүйдлийн насыг даван туулах чадвар сайтай, дулаан ялгаруулалт багатай гэх мэт техникийн давуу талуудтай бөгөөд цахилгааны эзлэхүүний харьцаагаар индустрийн удирдагч юм. Kodak Ka нь технологийн судалгаа, шиновацид онцгой анхаарал хандуулж, индукторын салбарт шилдэг бүтээгдэхүүн хөгжүүлэн боловсруулж, электрон бүтээгдэхүүний хөгжил, хэрэглээнд тусалж байна.