Menerangkan Reka Bentuk Bekalan Kuasa Peringkat Pertama Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Reka Bentuk dan Pengiraan Bekalan Kuasa

Pembangunan pesat industri kenderaan tenaga baharu telah mendorong pertumbuhan melonjak merentasi pelbagai rantaian industri. Kecerdasan kenderaan dan pemanduan autonomi kini menjadi arah kelebihan persaingan paling kritikal bagi kenderaan tenaga baharu, membawa cabaran dan peluang baharu kepada otak pusat dan pengawal domain bersepadu tinggi, terutamanya dari segi kebolehpercayaan, ketumpatan kuasa tinggi, EMC bekalan kuasa suis, kecekapan tinggi, dan prestasi-kos tinggi bekalan kuasa suis DC-DC.

Qualcomm, sebagai pembekal pengawal domain kokpit pintar, memegang kedudukan penting dengan SA8155 dan SA8295. Konflik antara arus lalu, arus operasi stabil, kecekapan kuasa siaga, kos, dan rekabentuk EMC bekalan kuasa suis mod (SMPS) bagi kuasa utama SOC pengawal domain pusat (kuasa daripada input bateri kepada penukaran utama) menjadi cabaran besar dalam rekabentuk bekalan kuasa BUCK. Bagaimana untuk menyelesaikan dan menyeimbangkan konflik ini merupakan arah teknikal di mana senibina bekalan kuasa suis mod, cip kuasa, induktor, MOSFET, dan kapasitor bekerja bersama.

Artikel ini menggabungkan rekabentuk bekalan kuasa utama pengawal domain pusat untuk aplikasi automotif dengan bekalan kuasa mod suis arus dinamik besar (100-300%), meneroka rekabentuk bekalan kuasa mod suis DC-DC, termasuk penyelesaian bekalan kuasa, kaedah pemilihan induktor, dan kapasitor. Artikel ini membincangkan dan melaksanakan rekabentuk praktikal sambil menangani cabaran dari segi isipadu, kos, kecekapan, dan prestasi.

Artikel ini mengambil pengawal domain Qualcomm SA8295 sebagai contoh untuk meneroka dan melaksanakan rekabentuk praktikal bekalan kuasa mod suis BUCK utama.

Rangkaian artikel ini terdiri daripada tiga bahagian (akan dikemaskini secara berterusan):

01- Menguraikan Rekabentuk Bekalan Kuasa Peringkat Pertama Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Rekabentuk dan Pengiraan Bekalan Kuasa (bab ini)

02- Mengurai Reka Bentuk Bekalan Kuasa Peringkat Pertama Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Reka Bentuk Skematik dan Reka Bentuk PCB

03- Menguraikan Rekabentuk Bekalan Kuasa Peringkat 1 Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Analisis Ukuran Ujian Prestasi

1- Objektif dan Cabaran Reka Bentuk

1.1 Keperluan Arus Transien untuk SA8295

Jadual 1: Keperluan Rekabentuk Kuasa SA8295

1.2 Kekuatan Standby SA8295

Penggunaan kuasa stanby bekalan kuasa 3.3V SOC Qualcomm dalam julat 4-7.5mA (termasuk penggunaan kuasa penyegaran sendiri memori), menyokong penjagaan stanby.

Anggaran arus keseluruhan kenderaan untuk Otak Pusat (Pengawal Domain Kabin) ialah 7-10mA (13.5V), modul 4G/5G sahaja mengguna 4-5mA, arus Qualcomm SA8295 pada 13.5V ialah 3mA (40mW) atau kurang.

1.3 Tiga cabaran

1.3.1 Cabaran 1: Output arus bekalan kuasa suis bagi Pengawal Domain Qualcomm SA8295

Arus transit besar, 3.3V, 18 ampere (0.1ms), 0.1ms sudah merupakan tempoh panjang untuk keadaan mantap bagi bekalan kuasa suis DC-DC, memerlukan reka bentuk bekalan kuasa pengurun untuk output stabil 18 ampere.

1.3.2 Cabaran 2: Dinamik Bekalan Kuasa Suis Pengawal Domain SA8295 Berkualiti Tinggi

Arus kerja keadaan mantap pengawal domain SA8295 ialah 5-9 ampere, yang akan menyebabkan perbezaan arus kerja mantap melebihi 300% dalam induktans bekalan kuasa suis (induktans berkadar songsang dengan arus terkadar) dari segi isipadu, kos, dan frekuensi, mengakibatkan konflik yang ketara.

1.3.3 Cabaran 3: Kecekapan Mikro-Kuasa Bekalan Kuasa Suis Pengawal Domain SA8295 Berkualiti Tinggi

Penggunaan kuasa dalam keadaan siap sedia, dengan kecekapan 70% pada 13.5V 3mA, menimbulkan cabaran besar terhadap reka bentuk arkitektur pengawal bekalan kuasa dan pemilihan induktor.

Reka bentuk ini berdasarkan cabaran reka bentuk bekalan kuasa buck utama SA8295 maksimum, meneroka kesukaran utama penyelesaian teknologi bekalan kuasa suis dan DC-DC.

2- Perbandingan Pemilihan Penyelesaian

2.1 Keperluan teknikal bekalan kuasa kawasan kawalan Qualcomm SA8295

Seperti ditunjukkan dalam jadual 2:

Jadual 2: Keperluan Spesifikasi Teknikal Reka Bentuk Kuasa Qualcomm SA8295

2.2 Skim Reka Bentuk dan Dokumen Teknikal

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1, dll., semua boleh memenuhi keperluan reka bentuk. Reka bentuk ini memilih LM25149-Q1 sebagai skim reka bentuk bekalan kuasa utama untuk pengawal domain otak pusat bagi projek ini.

2.2.1 Alamat rasmi LM25149-Q1:

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

Jadual 3: Bahan Rujukan Reka Bentuk LM25149-Q1

2.2.2 Lembaran Spesifikasi LM25149-Q1:

LM25149-Q1 42-V Automotif, Sinkron, Buck, Pandua DC/DC dengan IQ Ultra Rendah dan Penapis EMI Aktif Bersepadu lembaran data (Rev. B)

2.2.3 Papan pembangunan LM25149-Q1:

Panduan Pengguna EVM LM25149-Q1 (Rev. A) (ti.com.cn)

2.2.4 Kestabilan penapis aktif dan prestasi:

Cara Memastikan Kestabilan dan Prestasi Penapis EMI Aktif (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 Alat Reka Bentuk :

Alat Pengiraan LM5149-LM25149DESIGN-CALC | TI.com

3- Reka bentuk dan pengiraan bekalan kuasa SINKRON BUCK

3.1 Spesifikasi utama dan parameter reka bentuk LM25149

Jadual 4: Keperluan Spesifikasi Teknikal Reka Bentuk Kuasa Qualcomm SA8295

Kecekapan

Penapis EMI Aktif

Pengujian EMI

Rajah Reka Bentuk Rujukan

Papan Penilaian Penyelesaian Reka Bentuk Rujukan

3.2 Pengiraan Pemilihan Induktor LM25149 Synchronous BUCK

3.2.1 Formula bekalan kuasa Synchronous BUCK:

Jadual 5: Formula Pengiraan Reka Bentuk Bekalan Kuasa BUCK Seiring

3.3 Pengiraan Penggulung Minimum

(Formula pengiraan, lihat Jadual 5.)

Jadual 6: Carta lengkung pengiraan penggulung minimum (∆I=0.3)

Jadual 7: Pengiraan induktans minimum

3.3.1 Ringkasan data pengiraan penggulung:

① Jika rekabentuk merangkumi julat 6-20A (pengiraan AI=0.3), dengan input 16V dan output 6A, nilai kearuhan hendaklah ≥0.69μH.

② Pengiraan teori induktans bekalan kuasa suis Lmin: ≥ 0.69μH (secara teori);

③ Memandangkan pemilihan rekabentuk sebenar dan ralat penggulung ±20%, pilih 0.82μH dan 1.0μH sebagai rekabentuk optimum (meningkatkan nilai kearuhan akan meningkatkan saiz penggulung, kos, dan mengurangkan SRF).

3.4 Pengiraan Arus Penggulung

(Formula: rujuk jadual 5, perkara 1 dan 2)

Jadual 8: Pengiraan Arus Induktor 0.82μH

Jadual 9: Pengiraan Arus Induktor 1.0μH

3.4.1 Arus saturasi penggulung teori ≥ 20.76A, dibundarkan kepada 21A:

Jadual 10: Spesifikasi Induktor

4- Pemilihan Induktor untuk Bekalan Kuasa Pensuisan

Jadual 11: Pemilihan Inductor

4.1 Pengiraan Perintang Pensampelan Arus Bekalan Kuasa Pensuisan untuk LM25149

Jadual 12: Pengiraan Teori Perintang Pensampelan Arus

Jadual 13: Pemilihan Perintang Pensampelan Arus

4.2 Pengiraan Kapasitor Output untuk Bekalan Kuasa Pensuisan BUCK Seiring

(Pengiraan Kapasitor Output: Rujuk Persamaan dalam Jadual 5)

Jadual 14: Pengiraan Kapasitor Output untuk Bekalan Kuasa Pensuisan BUCK Seiring

Bagi reka bentuk bekalan kuasa suis mod ke atas sinkron, terdapat pertukaran antara prestasi, saiz, dan kos kapasitor penapis input dan output. Pengujian spesifikasi kapasitor dijalankan di bawah keadaan tertentu, dan variasi dalam peralatan semasa pengujian mungkin menghasilkan perbezaan sebanyak 10–50% bagi spesifikasi yang sama. Prestasi reka bentuk akhir memerlukan pengesahan saintifik dan pengujian melalui proses penyahpepijat (tidak wujud satu penyelesaian terbaik; hanya pemilihan skema yang sesuai untuk aplikasi khusus).

Kapasitor suis perlu memenuhi: Kapasiti ≥ 320uF (keperluan larian lebih), kapasiti kapasitor seramik melebihi 2.435uF (bukan syarat utama, mencukupi jika memenuhi keperluan).

Jadual 15: Pemilihan Dicapai untuk Model Kapasitor Penapis Output bagi Bekalan Kuasa Suis

Jadual 16: Reka Bentuk Kapasitor Penapis Output untuk Bekalan Kuasa Suis

4.3 Pengiraan Kapasitor Input untuk bekalan kuasa LM25149

4.3.1 Pengiraan Kapasitans Masukan

Jadual 17: Pengiraan Kapasitor Penapis Input untuk Bekalan Kuasa Pensuisan

Jadual 18: Pemilihan Penapis Output untuk Bekalan Kuasa Pensuisan

4.4 Pengiraan Pemilihan Mosfet LM25149

4.4.1 Pengiraan MOSFET

Lembaran data LM25149 tidak termasuk banyak pengiraan dan pemilihan pengiraan. Pengiraan dan pemilihan QG adalah berdasarkan anggaran empirikal dan deduksi songsang. Keputusan pengiraan menunjukkan nilai Vgs 4.5-5.0V dan ≤22nC. Proses pengiraan ditunjukkan dalam jadual di bawah. Platform Miller dipilih sebagai 2-3V (nilai hampir 3V juga boleh diterima), dan Rdson dipilih sebagai ≤8mΩ.

Jadual 19: Pemilihan dan Pengiraan Mosfet

4.5 Cadangan Pemilihan Mosfet

Jadual 20: Model Pemilihan Mosfet

4.6 Pengiraan FB dan Pembaikan LM25149

Jadual 21: Pengiraan FB dan kompensasi

4.7 Pengiraan Reka Bentuk EMC LM25149

Tanpa menerangkan terlalu mendalam, rujuk kepada spesifikasi.

5- Ringkasan Reka Bentuk

5.1 Ringkasan Reka Bentuk dan Pemilihan Bekalan Kuasa BUCK LM25149

Jadual 22: Reka Bentuk dan Pemilihan

5.2 Ringkasan Penyelesaian

Prestasi dan kecekapan bekalan kuasa suis segerak dipengaruhi oleh banyak faktor. Prestasi dan spesifikasi perlu mengambil kira faktor-faktor praktikal. Bab ini digunakan untuk pengiraan teori bagi memberikan panduan teori kepada rekabentuk praktikal. Prestasi dan spesifikasi rekabentuk berkait rapat dengan prestasi komponen, syarat penggunaan, susun atur, dll., dan memerlukan ujian serta pengesahan yang ketat.

Reka bentuk bekalan kuasa buck seiring untuk pengawal domain Qualcomm adalah bidang mencabar dalam reka bentuk pengawal, yang memerlukan keseimbangan antara prestasi, saiz, dan kos. CODACA memberi tumpuan kepada penyelidikan dan pembangunan (R&D) serta reka bentuk induktor kuasa dan galangan mod sepunya secara bebas. CSEB0660-1R0M sesuai untuk pembangunan dan aplikasi platform Qualcomm, menawarkan keberkesanan kos yang tinggi, rintangan kuat terhadap arus saturasi, penjanaan haba yang rendah, serta nisbah kuasa-kepada-isipadu terkemuka dalam industri. CODACA berdedikasi kepada penyelidikan teknologi, pembangunan dan inovasi, menghasilkan produk unggul untuk industri induktor serta menyumbang kepada pembangunan dan aplikasi produk elektronik.