Menjelaskan Reka Bentuk Bekalan Kuasa Tahap 1 Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Reka Bentuk Skematik dan Reka Bentuk PCB

Pembangunan pesat industri kenderaan tenaga baharu telah memacu pertumbuhan eksplodis setiap rantai industri, kecerdasan automotif, pemanduan autonomi telah menjadi daya saing teras utama arah kenderaan tenaga baharu, kepada penggabungan pusat otak dan pengawal domain yang tinggi membawa cabaran dan peluang baru, terutamanya bagi kebolehpercayaan bekalan kuasa penyuapan DC-DC, ketumpatan kuasa tinggi, EMC bekalan kuasa penyuapan, kecekapan tinggi, berkesan dari segi kos membawa peluang dan cabaran baru.

Qualcomm sebagai pembekal pengawal domain kokpit pintar, SA8155 dan SA8295 memainkan peranan yang penting, domain kawalan pusat tahap kuasa SOC (kuasa yang ditukarkan daripada input bateri tahap 1) arus transien, arus operasi stabil, kecekapan operasi mod siap sedia, kos, serta percanggahan dalam reka bentuk EMC kuasa suis telah menjadi cabaran besar dalam reka bentuk bekalan kuasa BUCK. Bagaimana untuk menyelesaikan dan menyeimbangkan percanggahan ini merupakan arah kerjasama teknologi di kalangan pengeluar arkitek kuasa suis, cip kuasa, induktor, Mosfet, dan kapasitor.

Dalam kertas kerja ini, untuk reka bentuk kuasa tahap 1 kawalan domain tengah automotif bekalan kuasa dinamik pensuisan besar (100-300%), kami meneroka reka bentuk bekalan kuasa DC-DC pensuisan, termasuk skim bekalan kuasa, pemilihan induktor, kapasitor dan kaedah reka bentuk lain, dengan mengambil kira isu-isu cabaran seperti saiz, kos, kecekapan dan prestasi dalam merealisasikan reka bentuk praktikal.

Menggunakan pengawal domain Qualcomm SA8295 sebagai contoh, bab ini membincangkan dan melaksanakan satu reka bentuk bekalan kuasa BUCK utama yang sebenar.

Bab ini memerlukan kefahaman yang mendalam tentang bahagian pertama siri ini (yang menerangkan teori dan pengiraan bekalan kuasa BUCK), dan seterusnya mereka bentuk secara terperinci bekalan kuasa BUCK berdasarkan LM25149.

Siri artikel ini mengandungi tiga siri (kemaskini berterusan selepas ini):

01-Disember: Menyahsulit Reka Bentuk Bekalan Kuasa Tahap 1 Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Reka Bentuk dan Pengiraan Bekalan Kuasa (Telah Diterbitkan)

02-Memahami Rekabentuk Tahap 1 Bekalan Kuasa Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Rekabentuk Skematik dan Rekabentuk PCB (bab ini )

03-Memahami Rekabentuk Tahap 1 Bekalan Kuasa Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Analisis Pengukuran Ujian Prestasi (akan datang)

1- Objektif dan Cabaran Reka Bentuk

1.1 Kehendak Arus Transien SA8295

Jadual 1: Kehendak Rekabentuk Bekalan Kuasa SA8295

Nota: Reka bentuk SA8295 terkini memerlukan 21A (1 NPU) dan 24A (2 NPU), yang mana reka bentuk ini mampu menampung (perlindungan arus lebih 30A)

1.2 Objektif rekabentuk

Reka bentuk ini menggunakan LM25149 untuk merekabentuk bekalan kuasa utama bagi pengawal domain , mampu menyokong arus transien 24A (100µs) dan memenuhi keperluan operasi keadaan mantap melebihi 10A, mencapai keseimbangan antara saiz, kos, dan prestasi.

Nota: Arus transien tidak menimbulkan masalah termal (untuk Qualcomm SA8295, tempoh arus transien hanyalah 100µs). Walau bagaimanapun, arus keadaan mantap yang tinggi boleh menyebabkan peningkatan suhu, maka kesan prestasi termal perlu dinilai (penyelesaian reka bentuk harus dipilih berdasarkan keadaan persekitaran sebenar).

2- Reka bentuk skema dan PCB

2.1 Pemilihan komponen utama

Kriteria pemilihan komponen bekalan kuasa suis pada tahap pengawal domain: keutamaan prestasi, mengambil kira kos, sambil mengurangkan keluasan papan litar bercetak (PCB); pertimbangkan isu EMC dan gelung arus bagi bekalan kuasa suis BUCK, selari dengan teori dan peraturan reka bentuk umum bekalan kuasa suis BUCK, rujukan kaedah reka bentuk umum adalah disyorkan.

Lihat Bab 1 untuk maklumat terperinci mengenai pemilihan dan pengiraan komponen elektronik (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculations)

Reka bentuk ini memilih pilihan 2 (menggunakan lapan kapasitor seramik 47uF dalam pakej C1210). Reka bentuk tidak terhad kepada pemilihan ini, reka bentuk produk boleh diubah mengikut keadaan sebenar model, dan pengoptimuman reka bentuk boleh dibuat berdasarkan keputusan ujian sebenar.

Jadual 2: Bekalan kuasa BUCK - reka bentuk skema

2.1.1 Bekalan kuasa BUCK - pemilihan MOSFET

Jadual 3: Bekalan kuasa BUCK - pemilihan MOSFET

2.1.2 Bekalan kuasa BUCK - pemilihan induktor

Pemilihan induktor menggunakan nombor model: VSEB0660-1R0MV

Jadual 4: Pemilihan induktor

2.1.3 Bekalan kuasa BUCK - pemilihan kapasitor penapis keluaran

Jadual 5: Bekalan kuasa BUCK - pemilihan kapasitor penapis keluaran

2.1.4 Bekalan kuasa BUCK - pemilihan kapasitor penapis masukan

Jadual 6: Bekalan kuasa BUCK - pemilihan kapasitor penapis masukan

2.2 Reka bentuk skema dan alat reka bentuk PCB

2.2.1 Skema dan reka bentuk PCB: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)

Rajah 1 Pengenalan kepada Caritron EDA

Jialitron EDA adalah alat pembangunan EDA percuma terkemuka, berkuasa dan cekap dalam pembangunan, reka bentuk ini menggunakan Jialitron EDA untuk mereka bentuk skema dan PCB.

2.3 Bekalan kuasa BUCK - reka bentuk skema

2.3.1 Bekalan kuasa BUCK - reka bentuk skema

Reka bentuk skema merujuk kepada lembaran data LM25149-Q1 dan papan pembangunan rasmi, reka bentuk ini mematuhi teori asas bekalan kuasa suis BUCK dan keperluan reka bentuk peringkat pertama untuk kawal atur domain tinggi.

Rajah 2 Skema LM25149

2.3.2 Bekalan Kuasa BUCK - Reka Bentuk Skematik Fokus Teknologi

Litar EMC port input：

Maklumat Teknikal:

① Peranan utama L1 adalah untuk mengurangkan kesan gangguan radiasi penghidup kuasa suis pada bekalan kuasa masukan, frekuensi pensuisan bekalan kuasa suis ialah 2.2MHz, L1 dan C23 membentuk litar penapis LC (C16 ialah kapasitor elektrolitik untuk frekuensi rendah di bawah 500KHz), 2.2MHz untuk mengurangkan sebanyak 60dB.

② C21 mengurangkan gangguan pensuisan (gegaran tepi naik dan turun tiub kuasa) dan terutamanya mengurangkan gangguan EMC dari 10-100MHz.

③ Jika C21, C23 adalah bekalan kuasa (sebelum perlindungan), anda perlu memilih jenis kapasitor terminal fleksibel, jika ia dilindungi, anda boleh memilih kapasitor spesifikasi kenderaan. Anda juga boleh menggunakan dua kapasitor disambung secara bersiri dengan susunan ortogonal untuk mencapai mekanisme perlindungan yang serupa.

Bagi MOSFET kuasa dan LM25149, keperluan untuk kapasitor masukan dan kapasitor penyahganding adalah sama, rekabentuk ini tidak digunakan untuk pengesahan prestasi, gunakan satu kapasitor seramik sahaja, manakala rekabentuk pada tahap produk perlu mengikut keperluan rekabentuk berasaskan automotif.

Nota: LM25419 teknologi aktif EMC penghapusan dan spektrum sebaran rawak berganda, hanya sehingga tahap tertentu dapat mengurangkan amplitud EMC, tetapi tidak boleh membuang sepenuhnya EMC, bagi frekuensi pensuisan 2.2MHz yang berkaitan dengan tenaga, aplikasi arus tinggi (≥ 10A) mempunyai risiko melebihi piawaian, maka perlu merujuk kepada nyahbugihan sebenar, jika C23 boleh dikeluarkan dan masih lulus pengenduran melalui konduksi, maka C23 boleh dihapuskan dalam aplikasi untuk menjimatkan kos.

Kapasitor Masukan Kuasa BUCK:

① C2, C3 untuk keperluan kuasa masukan BUCK, untuk prestasi EMC bekalan kuasa suis adalah kritikal, pemilihan kapasitor 10uF pada frekuensi 2Mhz dengan galangan ≤ 5mΩ, model CGA4J1X8L1A106K125AC dan CGA6P1X7S1A476M250AC mempunyai spesifikasi teknikal yang baik sebagai rujukan, pemilihan kapasitor boleh menggunakan jenis X7R, voltan tahanan 35V/50V, dan saiz pakej C1210 atau C1206 sesuai digunakan. Reka bentuk ini memilih pakej C1210 supaya lebih banyak model boleh digunakan untuk mengesahkan prestasi.

② C4 adalah kapasitor EMC untuk pensuisan frekuensi tinggi, pilih jenis X7R 50V, pakej C0402 juga sesuai.

C2, C3, C4, susunan litar perlu memberi perhatian kepada gelung arus (rujuk butiran susunan), selaras dengan keperluan asas kapasitor masukan kuasa BUCK dan teori reka bentuk, adalah disarankan mempelajari teori bekalan kuasa suis BUCK untuk memahami dengan lebih mendalam tentang kapasitor masukan.

③ TP7,TP9,TP13 digunakan untuk menguji suis TG, isyarat BG dan SW, digunakan untuk menguji sebab musabab masa mati, prestasi berdengung, dan prestasi tepi naik dan tepi turun MOSFET, adalah petunjuk ujian prestasi elektrik penting bekalan kuasa suis.

Titik ujian GND bagi TP digunakan untuk mengurangkan gegelung GND ujian osiloskop dan meningkatkan ketepatan ujian, dan penempatannya perlu diletakkan sekedek mungkin dengan titik ujian isyarat ujian berkaitan.

Perintang pemandu get MOSFET:

① R1 dan R2 ialah perintang pemandu get MOSFET, yang mempunyai kesan penting terhadap tepi naik dan tepi turun MOSFET kuasa.

② Pemilihan R1, R2 dikawal oleh arus output penukar kuasa BUCK (pemilih (perintang PULL dan PUSH), galangan pintu MOSFET kuasa dan ciri-ciri cas (kapasitan input CISS) sebab keseluruhan yang mempengaruhi pemilihan reka bentuk permulaan jumlah perintang keseluruhannya ≤ 10 ohm, tetapi juga bergantung kepada ciri-ciri cas, memerlukan penyelarasan halus akhirnya, pemilihan nilai rintangan yang sesuai.

③ R1 dan R2 juga merupakan parameter EMC paling kritikal untuk gangguan pensuisan, sambil mempengaruhi faktor litar utama kehilangan pensuisan, dalam aplikasi praktikal perlu menyeimbangkan kecekapan (pemanasan MOSFET) dan percanggahan EMC untuk mencapai titik imbangan.

Nota: 6 titik ujian untuk menguji ciri pensuisan dan masa mati.

Gelung kuasa output:

① Pemilihan induktans: Pemilihan induktans berdasarkan dua pertimbangan utama:

-Arus operasi transien: mampu mengeluarkan 21 (24) A secara transien (masa: 100us)；

-Arus operasi keadaan mantap: 10A, mampu berfungsi secara stabil pada arus 10A (merangkumi keadaan suhu persekitaran 85°);

-Tempoh arus operasi transien ≤ 100us, dan berlaku semasa fasa permulaan, hanya perlu memastikan induktor tidak mencapai kejenuhan supaya memenuhi keperluan (untuk memenuhi nilai induktans arus).

② Pemilihan perintang persampelan: pemilihan perintang persampelan pakej R1206, kuasa keteresan haba ≥ 0.5W;

③ Pemilihan kapasitor: rujukan: bahagian output penapis kapasitans bab ini;

Litar Suisan;

LM25149 mempunyai konfigurasi keluaran tetap dan konfigurasi keluaran suisan, sila rujuk lembaran data untuk maklumat lanjut;

① R14l disambungkan ke VDDA, keluaran 3.3V

② R14=24.9K, keluaran 5.0V

③ R14=49.9K, keluaran 12.0V

Tiada pelekat pada R14, konfigurasi R9 dan R10 mengawal voltan keluaran;

R19 dan TP3, TP4 yang dikhaskan: untuk ujian, jidar fasa, frekuensi persilangan, dll.

Nota: TP3 dan TP4 digunakan untuk ujian, jidar fasa, frekuensi persilangan, dll.

Tetapan Fungsi:

① EN: Isyarat daya, ≥1.0V menghidupkan kuasa, boleh digunakan untuk perlindungan voltan rendah yang tepat;

② Sync-PG: Keluaran segerak atau Kuasa baik, reka bentuk ini digunakan untuk Kuasa baik;

③ PFM/SYNC

-Jumper Lalai (NC): Analog diod, keluaran arus kecil, boleh beroperasi secara berkesan tinggi;

-Litar pintas jumper ke GND, paksa mod CCM;

④ Tetapan mod operasi cip: jumlah lima mod operasi (rujuk spesifikasi)

2.4 Bekalan kuasa BUCK - Reka bentuk PCB

2.4.1 bekalan kuasa BUCK - reka bentuk PCB

① -ATAS

② -BUMI

③ -Isyarat

④ -Bahagian bawah

2.4.2 bekalan kuasa BUCK - fokus reka bentuk PCB pada teknologi

Gelung keupayaan input dan output:

① Keupayaan input dan keupayaan output bekalan kuasa BUCK untuk mengekalkan gelung minimum mempunyai kesan penting terhadap EMC;

② C4 terutamanya digunakan untuk menyerap dengungan bising pada tepi naik dan turun suis.

Gelung MOSFET dan induktif:

① Penggunaan MOSFET dua-dalam-satu mengurangkan keluasan susun atur dan menurunkan kos, tetapi kekurangannya ialah susun atur SW tidak dapat mengekalkan gelung minimum;

② Titik SW MOSFET dua-dalam-satu tidak dapat direalisasikan dalam lapisan PCB yang sama, dan perlu menukar lapisan untuk melebarkan satah bagi merealisasikan kesinambungan arus kuasa.

Arus persampelan:

① Arus persampelan memerlukan susunan berbeza dengan rujukan satah GND;

② Kawalan galangan dan panjang sama tidak diperlukan, dan susunan mengekalkan jarak minimum susun atur.

Suaian FB (feedback):

Perintang dan peranti lain dekat dengan pin cip kawalan.

Kesejukan dan GND:

Peranti penghasil haba: MOSFET, induktor dan perintang persampelan, anda boleh meningkatkan keluasan satah secara sesuai untuk mengalirkan haba, dan peningkatan lubang GND boleh membantu meningkatkan keadaan penyejukan keseluruhan versi.

reka Bentuk Bekalan Kuasa BUCK Tahap 1 Terkawal 3-Domain - Ringkasan

3.1 Lukisan 3D

rajah-1 3D

rajah-2 3D

3.2 Ringkasan Reka Bentuk

① Reka bentuk bekalan kuasa suis menggunakan reka bentuk 4-lapisan dengan ketebalan PCB 1.6mm dan saiz 30X65mm;

② Arus keluaran boleh memenuhi arus transien maksimum Qualcomm SA8295 sebanyak 24A, menyokong keupayaan keluaran pada keadaan stabil 10A atau lebih.

4- Mengenai Codaca Elektronik

Codaca memberi tumpuan kepada penyelidikan dan pembangunan mandiri induktor, reka bentuk dan pengeluaran, VSEB0660-1R0M sesuai untuk pembangunan dan aplikasi platform Qualcomm. Ia mempunyai kelebihan teknikal seperti kos-pembuatan tinggi, rintangan tinggi terhadap arus pengesaturan, penjanaan haba yang rendah, dan nisbah kuasa-isipadu terunggul dalam industri. Codaca memberi tumpuan kepada penyelidikan dan pembangunan teknologi, inovasi teknologi, serta pembangunan produk unggul untuk industri induktor, bagi membantu pembangunan dan aplikasi produk elektronik.

5- Ujian dan Pengesahan

Untuk pengesahan ujian susulan, sila rujuk: 03-Menyahkod Reka Bentuk Tahap 1 Bekalan Kuasa Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Analisis Pengukuran Ujian Prestasi (akan datang)

[Rujukan]

1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/ms/LM25149-Q1

2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E