Шинэ энерги бүхий автомашины аж үйлдвэр хурдацтай хөгжиж байгаа нь бүх болон ялангуяа автомашины оюун ухаантай болох, автомашиныг өөрөө жолоодох чиглэлд шинэ энергитэй автомашинд гол өрсөлдөх чадвар болох замыг нээж өгч байна. Төвийн тархи ба домэйн контроллерийн хувьд илүү их интеграцитай байдал нь шинэ санамсаргүй боломжуудыг бий болгодог. Тухайлбал, DC-DC шитшилтийн цахилгаан эх үүсгэврийн найдвартай байдал, өндөр чадлын нягтшил, шитшилтийн цахилгаан эх үүсгэврийн EMC, өндөр ашигт үйлийн коэффициент, зардалд тохиромжтой байдал нь шинэ боломжуудыг авчирдаг.
Оюун ухаантай кабины мужийн хянах төхөөрөмжийн нийлүүлэгч болох Qualcomm, SA8155 ба SA8295 нь чухал байр суурь эзэлдэг. Төв мужийн хяналтын SOC-ийн түвшин 1-ийн цахилгаан хангамж (баттерейн оролтын түвшнээс хувиргасан цахилгаан хангамж) дамжуулах гүйдлийн тогтвортой ажиллагааны гүйдэл, байрны ажиллагааны үр ашиг, зардал, мөн импульсийн хүчдэлийн хувьд гарах зөрчил нь BUCK цахилгаан хангамж дизайнд том сорилт болоод байна. Эдгээр зөрчлийг хэрхэн шийдэж, тэнцвэртэй байлгах вэ гэдэг нь арлын бүтцийн хэлбэр, цахилгаан хангамжийн чипүүд, индукторууд, Mosfet, конденсаторуудыг үйлдвэрлэгчид технологийн чиглэлээр хамтран ажиллах ёстой.
Энэхүү судалгааны ажил нь том динамик шилжилтийн цахилгаан эрчим хүчний (100-300%) автомашинд төв мужийн хяналтын түвшний 1-р зэрэглэлийн цахилгаан хангамжийн загварчлалыг хийхэд зориулагдсан бөгөөд DC-DC шилжилтийн цахилгаан хангамжийн загварчлалыг олон талаас авч үзэх болно. Тухайлбал, цахилгаан хангамжийн схем, индуктор, конденсаторын сонголт гэх мэт загварчлалын аргачлалыг авч үзэх ба эзэлхүүн, өртөг, ашиглалтын үр ашгийг сайжруулах, техникийн шаардлагад нийцэх бодитоор хэрэгжих загварчлалыг судална.
Qualcomm SA8295 мужийн контроллерийг жишээ болгон авч, энэ бүлэгт анхдагч BUCK шилжилтийн цахилгаан хангамжийн бодитоор хэрэгжих загварчлалыг хэлэлцэж, хэрэгжүүлнэ.
Энэ бүлэг нь эгнээний эхний хэсгийн (BUCK шилжилтийн цахилгаан хангамжийн онолын талаар дэлгэрэнгүй тайлбарласан) судалгаатай сайн танилцах шаардлагатай бөгөөд LM25149 суурьлан BUCK цахилгаан хангамжийн дэлгэрэнгүй загварчлалыг хийнэ.
Энэхүү статейнууд нь гурван бүлэгтэй эгнээ (дараагийн шинэчлэлтүүд)-ийг агуулна:
01-Deciphering Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculation (Хэвлэгдсэн)
02-Qualcomm-ийн автомашинд хэрэглэх мужийн удирдлагын түвшин 1-ийн цахилгаан эх үүсгэврийн загварчлал: Схемийн загвар, PCB загвар (энэ бүлэг )
03-Qualcomm-ийн автомашинд хэрэглэх мужийн удирдлагын түвшин 1-ийн цахилгаан эх үүсгэврийн загварчлал: Иж бүрдлийн шалгалтын шинжилгээ (тодорхойгүй)
1- Загварчлалын зорилго, сорилт
1.1 SA8295-ийн агшин зэргийн гүйдлийн шаардлага
Хүснэгт 1: SA8295 цахилгаан эх үүсгэврийн загварчлалын шаардлага
Тэмдэглэл: Сүүлийн SA8295 загвар нь 21A (1 NPU) ба 24A (2 NPU) -г шаарддаг бөгөөд энэ загвар нь хамрах боломжтой (30A гүйдэл дээш өсөхгүй байх хамгаалалт)
1.2 Зорилго
Энэ загвар нь домэйн контроллерийн анхдагч цахилгаан эх үүсгэврийг загварлахдаа LM25149-ийг ашигладаг , эдэлж чадах нь тогтвортой бус гүйдлийн 24A (100µs) ба тогтвортой ажиллагааны шаардлагыг 10A-аас дээш хангаж, хэмжээ, өртөг, ажиллагааны хооронд тэнцвэртэй компромиссыг хангана.
Тэмдэглэл: Тогтвортой бус гүйдэл дулааны асуудал үүсгэдэггүй (Qualcomm SA8295-ийн хувьд тогтвортой бус гүйдэл зөвхөн 100µs үргэлжилдэг). Гэсэн хэдий ч том тогтвортой гүйдэл нь температурын нэмэгдэлтийг ихэсгэж болох тул дулааны ажиллагааны нөлөөллийг үнэлэх шаардлагатай (загварчлалтын шийдлийг бодит орчин нөхцөлд суурилан сонгох ёстой).
2- Схем ба PCB загварчлал
2.1 Үндсэн элементийн сонголт
Домэйн контроллерийн түвшний шүүлтүүр цахилгаан эх үүсгүүрийн элемент сонгох шаардлага: ажиллагааны приоритет, өртгийг харгалзан, PCB-ийн талбайн хэмжээг багасгах; BUCK шүүлтүүр цахилгаан эх үүсгүүрийн EMC асуудлыг ба гүйдлийн замын асуудлыг авч үзэх ба ерөнхий BUCK шүүлтүүр цахилгаан эх үүсгүүрийн загварчлалын онол ба дүрмийн дагуу явагдана, ерөнхий загварчлалын арга барилыг ашиглах боломжтой.
Электрон бүрэлдэхүүн хэсгийн сонголт болон бодох аргын талаар дэлгэрэнгүй мэдээллийг 1-р бүлэгт үзнэ үү (Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 цахилгаан эрчим хангамж дизайн гэгдэх зүйлийг тайлбарлах: Цахилгаан эрчим хангамжийн дизайн болон бодох арга)
Энэ дизайны хувьд 2-р сонголтыг (C1210 пакетийн найман ширхэг 47uF керамик конденсатор ашиглах) сонгосон. Энэ сонголтоор дизайныг хязгаарлахгүй, загварын бодит нөхцөлд тохируулан бүтээгдэхүүний дизайныг өөрчлөх боломжтой бөгөөд бодит тестийн үр дүнгээр дизайныг сайжруулна.
Хүснэгт 2: BUCK цахилгаан эрчим хангамж - схемийн дизайн
2.1.1 BUCK цахилгаан эрчим хангамж-MOSFET сонгох
Хүснэгт 3: BUCK цахилгаан эрчим хангамж-MOSFET сонгох
2.1.2 BUCK цахилгаан эрчим хангамж - индукторыг сонгох
Индукторыг VSEB0660-1R0MV загварын дагуу сонгоно
Хүснэгт 4: Индукторыг сонгох
2.1.3 BUCK цахилгаан эрчим хангамж - гаралтын шүүлтийн конденсаторыг сонгох
Хүснэгт 5: BUCK цахилгаан эрчим хангамж - гаралтын шүүлтийн конденсаторыг сонгох
2.1.4 BUCK цахилгаан хангамжийн оролтын шүүлтүүрийн конденсатор сонгох
Хүснэгт 6: BUCK цахилгаан хангамж - оролтын шүүлтүүрийн конденсатор сонгох
2.2 Схем ба PCB зураг төслийн багажны дизайн
2.2.1 Схем ба PCB зураг төсөл: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
Зураг 1: Caritron EDA-гийн танилцуулга
Jialitron EDA нь чөлөөт EDA хөгжүүлэлтийн инженерчлэлийн хүчирхэг, үр дүнтэй багаж юм. Энэ зураг төсөл нь Jialitron EDA ашиглан схем ба PCB зураг төсөл зохион бүтээдэг.
2.3 BUCK цахилгаан хангамж - схемийн зураг төсөл
2.3.1 BUCK цахилгаан хангамж - схемийн зураг төсөл
Схемийн зураг төсөл нь LM25149-Q1 техникийн мэдээллийн хуудас болон албан ёсны хөгжүүлэлтийн самбарыг суурь болгон ашигладаг бөгөөд зураг төсөл нь BUCK импульсын цахилгаан хангамжийн үндсэн онол болон өндөр нарийвчлалын контроллерт зориулсан анхдагч цахилгаан хангамжийн зураг төслийн шаардлагад нийцдэг.
Зураг 2: LM25149-ийн схем
2.3.2 BUCK Чадлын Эх Үүсвэр - Схемын Загварчлалд Чиглэгдсэн Технологи
Оролтын порт EMC хэлхээ:
Техникийн Цэгүүд:
① L1 нь транзисторын хувьсгалын давтамжийн 2.2MHz дээр оролтын цахилгаан эх үүсвэрт нөлөөлөх шууд дамжуулалтын шуугианы нөлөөг бууруулах гол зорилготой ба L1 болон C23-аар бүрдсэн LC шүүлийн хэлхээ (C16 нь 500KHz доод дахь нам давтамжийн электролит конденсатор) 2.2MHz-ийг 60dB бууруулна.
② C21 нь транзисторын ирмэг дээрх хэлхээнээс үүдэлтэй шуугианыг (цахилгаан гүйлтийн ирмэгийн хэлхээ) бууруулж, голчлон 10-100MHz мужийн EMC шуугианыг бууруулдаг.
③ Хэрэв C21, C23 нь хамгаалалтанд ороогүй (хамгаалалтанд ороогүй) бол гүвдрүү шүргэлтийн конденсаторын төрлийг сонгох шаардлагатай бөгөөд хамгаалалттай тохиолдолд автомашины стандартын конденсатор сонгож болно. Мөн хоёр конденсаторыг цуваа залгаж ортогональ байрлуулж хамгаалалтын механизмтай ижил үр дүнд хүрч болно.
Цахилгаан MOSFET болон LM25149 оролтын багтаамжийн салгах багтаамжийн ижил шаардлагыг тавьдаг. Энэ дизайн нь үнэлгээнд ашигладаггүй, зөвхөн нэгэн зэрэг церамикасыг ашиглах ба автомашины ангийн загварчлалын шаардлагад нийцсэн бүтээгдэхүүний түвшний загварчлалыг дагаж мөн хэрэглэнэ.
Тэмдэглэл: LM25419 идэвхитэй EMC-ийг арилгах болон давхар санамсаргүй спектрийн технологи нь зөвхөн тодорхой хэмжээгээр EMC далайцыг бууруулж чадна. Гэвч EMC-ийг бүрэн арилгаж чадахгүй. Хувьсгалын давтамж 2.2MHz-тэй холбоотой энерги, өндөр гүйдэл (≥ 10A)-ээр ажиллах үед стандартыг давсан эрсдлийг үүсгэж болзошгүй юм. Иймд бодит тохиолдолд тохируулга хийж шалгах шаардлагатай. Хэрэв C23-ыг авч бол радиацийн замаар дамжуулах чадвар хадгалагдах боломжтой бол C23-ыг хэрэглэхийг хорогдуулж болох бөгөөд зардлыг бууруулна.
BUCK цахилгаан эрчим хүчний оролтын конденсаторууд:
① BUCK хүчдэлийн оролтын багтаамжийн C2,C3, транзисторын эрчим хүчний EMC ажиллагаанд маш чухал. 10uF багтаамжийг сонгохдоо 2Mhz-ийн ойролцоо импеданц нь ≤ 5mΩ байх ёстой. CGA4J1X8L1A106K125AC болон CGA6P1X7S1A476M250AC загварууд техникийн үзүүлэлтээрээ сайн бөгөөд сонголтонд X7R диэлектрик, 35V/50V хүчдэлийн тэсвэр, C1210 ба C1206 корпусын хэмжээтэйг сонгоно. Энэ дизайн C1210 корпусыг сонгосон бөгөөд илүү олон загвараар ажиллагааг шалгах боломжтой.
② C4 нь өндөр давтамжтай транзисторын EMC конденсатор бөгөөд 50V X7R, C0402 корпусын хувилбар тохиромжтой.
C2, C3, C4-ийн байршлыг зохион бүтээхдээ гүйдлийн цахилгаанын доторх замыг анхаарна уу (Layout дэлгэрэнгүй мэдээлэл үзнэ үү). БUCK хүчдэлийн оролтын багтаамжийн шаардлагатай нийцэж, үндсэн онолыг мөрдөнө. BUCK транзисторын эрчим хүчний талаарх онолыг судлан оролтын багтаамжийн талаарх ойлголтоо гүнзгийрүүлэх боломжтой.
③ TP7, TP9, TP13 нь TG, BG болон SW дохиог шалгах, унах хугацааны зохистой байдал, хэлбэлзэх ажиллагаа болон MOSFET-ийн ирмэг дээшлэх ба доошлох ажиллагааг шалгахад ашиглагддаг бөгөөд энэ нь чухал транзистор цахилгааны ажиллагааны шалгалтын индикатор юм.
GND-ийн TP шалгах цэг нь осциллограф ашиглан шалгах үеийн GND гүйдлийн замыг багасгаж, шалгалтын нарийвчлалыг сайжруулах зориулалттай бөгөөд LAYOUT-ыг холбоотой шалгах дохионы цэгт боломжит хамгийн ойр байлгах шаардлагатай.
MOSFET хаалганы хөдөлгүүр эсэргүүцэл:
① R1 болон R2 нь MOSFET хаалганы хөдөлгүүр эсэргүүцлүүд бөгөөд цахилгаан MOSFET-ийн ирмэг дээшлэх болон доошлох ажиллагаанд чухал нөлөө үзүүлдэг.
② R1, R2-ийн сонголтыг BUCK цахилгааны хяналтын төхөөрөмжийн гаралтын гүйдлийн (хяналтын төхөөрөмж (PULL ба PUSH) эсэргүүцэл, цахилгаан транзисторын хаалтны импеданс болон цэнэглэлтийн онцлог шинж чанар (оролтын багтаамж CISS)-аар тодорхойлно. Эхний загварчлалт дахь бүх эсэргүүцлийн нийлбэр ≤ 10 омыг сонгох нь зөв боловч мөн цэнэглэлтийн онцлог шинж чанараас хамааран нарийвчлан тохируулах шаардлагатай байдаг.
③ R1 ба R2 нь мөн шүүлтүүрт далайцын шумбын EMC параметрүүд бөгөөд цөм хэлхээний ажиллагааны алдагдлыг нөлөөлдөг. Хэрэглээний үед ашигтай байдлыг (MOSFET халах) ба EMC-ийн хооронд тэнцвэрийг олох шаардлагатай.
Тэмдэглэл: ажиллагааны онцлог шинж чанар болон урт зогсолтыг шалгахад зориулсан 6 цэг.
Гаралтын цахилгааны гүйдлийн зам:
① Индукцийн сонголт: Индукцийн сонголтыг голлон 2 хүчин зүйлээр тодорхойлно:
-Түр зуурын ажиллагааны гүйдэл: Түр зуур 21 (24) А (хугацаа: 100 мк)-г гаргаж чадна.
-Тогтвортой горимын гүйдэл: 10А, 10А гүйдэл дээр тогтвортой ажиллах чадвартай (85° амьсгалын температурын нөхцлийг хамрах);
-Зөвшөөрөгдөх гүйдлийн үргэлжлэх хугацаа ≤ 100мкм, эхлэх үед гарч ирдэг бөгөөд зөвхөн индукторын шаталтыг хангах нөхцлийг хангадаг болохыг баталгаажуулахэд л хангалттай (индукцийн утгыг хангадаг гүйдлийг хангадаг).
② Сэмплинг эсэргүүцлийн сонголт: сэмплинг эсэргүүцлийн сонголт R1206 пакет, дулааны энерги алдалт ≥ 0.5Вт;
③ Конденсаторын сонголт: эх сурвалж: гаралтын шүүлтийн конденсаторын бүлгийн эхний хэсэг;
Холбогдох хэлхээ:
LM25149 нь тогтмол гаралтын тохиргоотой ба холбогдох гаралтын тохиргоотой байдаг. Дэлгэрэнгүй мэдээллийг техникийн гарын авлагаас үзнэ үү;
① R14l нь VDDA-тай холбоотой, гаралт 3.3V
② R14=24.9K, гаралт 5.0V
③ R14=49.9K, гаралт 12.0V
Хоосон будсан R14, R9 ба R10 нь гаралтын хүчдэлийг тохируулна;
R19 болон баталгаажуулсан TP3, TP4: шалгах, фазын аюулгүй байдлын хязгаар, давтамжийн огтлолцол гэх мэт зүйлсэд
Тэмдэглэл: TP3 болон TP4-ийг шалгах, фазын аюулгүй байдлын хязгаар, давтамжийн огтлолцол гэх мэт зүйлсэд ашигладаг.
Функц тохируулах:
① EN: Идэвхжүүлэх дохио, ≥1.0V нь цахилгааны эрчимийг включ хийдэг, нарийн дутуу хүчдэлийн хамгаалалтанд ашиглагдах боломжтой;
② Sync-PG: Цаг хугацааны синхрончлол эсвэл Цахилгаан сайн байдал, энэ загварыг Цахилгаан сайн байдалд ашигладаг;
③ PFM/SYNC
-Үндсэн (NC) жампер: Диод аналог, бага гүйдлийн гаралт, өндөр ашигтай ажиллах боломжтой;
-Газар руу богино замын жампер, CCM горимыг албадан нэвтрүүлнэ;
④ Чипийн ажиллагааны горимын тохиргоо: нийт таван ажиллагааны горим байдаг (дэлгэрэнгүйг удирдамжинд үзнэ үү)
2.4 BUCK цахилгаан хангамж-PCB загвар
2.4.1 BUCK цахилгаан хангамжийн PCB зураг
① -Дээд тал
② -Газар
③ -Сигнал
④ -Доод тал
2.4.2 BUCK цахилгаан хангамжийн PCB технологийн онцлог
Оролтын болон гаралтын багтаамжийн гүйдлийн зам:
① BUCK цахилгаан хангамжийн оролтын болон гаралтын багтаамж нь EMC дээр чухал нөлөө үзүүлдэг бага замыг барьж чаддаг.
② C4 нь голчлон шитгэлтийн ирмэг дээрх хэлбэлзэх чимээг шингээн авахад ашигладаг.
MOSFET болон индукцийн гүйдлийн зам:
① Хоёр нэгтгэсэн MOSFET-ийн ашилга нь хавтанд эзлэх талбайн хэмжээг багасгаж, үнийг нь бууруулдаг ч сул тал нь Layout SW хамгийн бага гүйдлийн замыг хадгалж чаддаггүй явдал юм;
② Хоёр нэгтгэсэн MOSFET-ийн SW цэг нь ижил давхаргын PCB тохируулгыг хийх боломжгүй бөгөөд хүчний гүйдлийн тасралтгүй байдалд хүрэхийн тулд давхаргыг солин талбайг тэгшлэх шаардлагатай болдог.
Гүйдлийн сэмпл:
① Гүйдлийн сэмплийн үед дифференциал тохируулга хийх ба тусламжит GND талбай шаардлагатай;
② Импеданцыг удирдах ба ижил урттай байх нь шаардлагагүй бөгөөд тохируулга нь Layout-ын хамгийн бага зайг хадгална.
FB Хүртээмж:
Эсэргүүцлийн элементүүд болон бусад төхөөрөмжүүд удирдах чипний борлуулалтын хонхруудад ойр байрлах ёстой.
Дулаан зэвсэгжүүлэх болон GND:
Дулаан ялгаруулах төхөөрөмжүүд: MOSFET-үүд, индукторууд болон сэмплийн эсэргүүцлүүд. Дулаан дамжуулахын тулд талбайн хэмжээг томруулах, мөн GND перфорацийг нэмэх замаар бүхэл хувилбарын дулаан зэвсэгжүүлэх нөхцлийг сайжруулж болно.
3- Бүсийн хяналттай Level 1 BUCK Цахилгаан эх үүсгүүрийн загварчлал - Нэгтгэл
3.1 3D зураг
3D Зураг-1
3D Зураг-2
3.2 Дизайны нэгтгэл
① Түлхүүрлэгч цахилгаан эх үүсвэрийн дизайны хувьд 4 давхаргат PCB, 1.6мм зузаан, 30X65мм хэмжээтэй байна;
② Гаралтын гүйдлийн Qualcomm SA8295-ийн дээд түвшний 24А тогтвортой гүйдлийг хангаж чадах бөгөөд тогтвортой 10А эсвэл түүнээс дээш гаралтын чадалтай ажиллах боломжтой.
4- Тухай Codaca Электроникс
Codaca салбарт тусдаа судалгаа хийх, загварлах, үйлдвэрлэл хийхэд анхаарлыг хандуулсан бөгөөд VSEB0660-1R0M нь Qualcomm платформын хөгжүүлэлт, хэрэглээнд тохиромжтой. Энэ нь өндөр зардал-үр дүнтэй, өндөр насыг эсэргүүцэх гүйдэл, бага дулаан ялгаруулах, мөн инженерийн хүчин чадлын харьцааг ахлуулах техникийн давуу талуудтай. Codaca индукторын салбарт шилдэг бүтээгдэхүүн судалгаа хөгжүүлэх, технологийн хөгжүүлэлт, технологийн новшлолд анхаарлыг хандуулдаг бөгөөд электрон бүтээгдэхүүний хөгжүүлэлт, хэрэглээг дэмждэг.
5- Шалгалт ба Баталгаажуулалт
Цаашид шалгах тестийн баталгаажуулалтанд дараахь зүйлийг харна уу: 03-Qualcomm компанийн автомашины мужийн контроллер түвшний 1-р цахилгаан эх үүсгэврийн загварчлалыг тайлбарлах: Иж бүрэн тестийн хэмжилтийн анализ (тодорхойлогдоно)
[Зэрэгцүүлэлт]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
EN