Perkembangan pesat industri kenderaan tenaga baharu telah mendorong pertumbuhan meletup bagi pelbagai rantaian industri, dan kecerdasan automotif serta pemanduan autonomi kini menjadi arah daya saing teras paling penting bagi kenderaan tenaga baharu, membawa cabaran dan peluang baharu kepada otak pusat dan pengawal domain yang sangat bersepadu, terutamanya dari segi kebolehpercayaan, ketumpatan kuasa tinggi, EMC, kecekapan tinggi dan keberkesanan kos bekalan kuasa suis DC-DC.
Sebagai pembekal pengawal domain kokpit pintar, SA8155 dan SA8295 memegang kedudukan penting, dan percanggahan antara arus transien, arus operasi stabil, kecekapan siaga, kos, dan reka bentuk EMC bekalan kuasa suis bagi SOC pengawal domain utama (bekalan kuasa yang ditukar daripada input bateri peringkat utama) telah menjadi cabaran besar dalam reka bentuk bekalan kuasa BUCK. Bagaimana untuk menyelesaikan dan menyeimbangkan percanggahan ini merupakan arah teknikal dalam senibina bekalan kuasa suis, cip bekalan kuasa, induktor, MOSFET, dan kerjasama pengilang kapasitor.
Kertas kerja ini membincangkan rekabentuk bekalan kuasa suis DC-DC untuk rekabentuk bekalan kuasa utama bagi kawalan domain pusat bagi bekalan kuasa suis dinamik besar (100-300%), termasuk skema bekalan kuasa, pemilihan induktor, kapasitor dan kaedah rekabentuk lain, dengan mengambil kira cabaran dari segi dimensi, kos, kecekapan dan prestasi.
Bab ini mengambil pengawal domain Qualcomm SA8295 sebagai contoh untuk membincangkan dan melaksanakan rekabentuk praktikal bekalan kuasa suis BUCK peringkat pertama.
Bab ini perlu membaca siri pertama (teori dan pengiraan terperinci bekalan kuasa BUCK) dan merekabentuk bekalan kuasa BUCK secara terperinci berdasarkan LM25149.
Rangkaian artikel ini terdiri daripada tiga siri (dengan kemas kini berterusan):
02-Menyahkod Rekabentuk Bekalan Kuasa Peringkat Pertama Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Rekabentuk Skematik dan Rekabentuk PCB (bab ini)
1- Objektif dan Cabaran Reka Bentuk
1.1 Kehendak Arus Transien SA8295
Jadual 1: Kehendak Rekabentuk Bekalan Kuasa SA8295
Nota: Keperluan reka bentuk terkini SA8295 adalah 21A (1 NPU) dan 24A (2 NPUs), dan reka bentuk ini boleh merangkumi (perlindungan arus lebih 30A)
1.2 Objektif reka bentuk
Reka bentuk ini menggunakan Bekalan kuasa peringkat pertama pengawal domain LM25149 , yang boleh memenuhi keperluan arus transien sebanyak 24A (100us) dan memenuhi keperluan operasi keadaan mantap melebihi 10A, untuk mencapai keseimbangan menyeluruh dari segi isipadu, kos dan prestasi.
Nota: Arus transien tidak menyebabkan masalah penjanaan haba (untuk Qualcomm SA8295 sahaja arus transien 100uS), arus besar keadaan mantap akan menyebabkan peningkatan kenaikan suhu, kesan kenaikan suhu perlu diukur (skema reka bentuk dipilih mengikut keadaan persekitaran sebenar).
2- Reka bentuk skema dan PCB
2.1 Pemilihan komponen utama
Kriteria pemilihan komponen bekalan kuasa utama pengawal domain: prestasi diutamakan, mengambil kira kos, dan mengurangkan keluasan PCB; Mengambil kira masalah EMC dan masalah gelung arus bagi bekalan kuasa BUCK, ia selari dengan teori dan peraturan rekabentuk bekalan kuasa BUCK secara umum, dan kaedah rekabentuk umum boleh dirujuk.
Untuk butiran pemilihan dan pengiraan komponen elektronik, sila rujuk Bab 1 ( Menerangkan Reka Bentuk Bekalan Kuasa Peringkat Pertama Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Reka Bentuk dan Pengiraan Bekalan Kuasa )
Pilihan 2 untuk rekabentuk ini (menggunakan lapan kapasitor seramik pakej C1210 47uF). Rekabentuk ini tidak terhad kepada pemilihan ini, dan rekabentuk produk boleh dilaraskan mengikut situasi sebenar, serta pengoptimuman rekabentuk boleh dilakukan 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 model: VSEB0660-1R0MV
Jadual 4: Pemilihan induktor
2.1.3 Pemilihan kapasitor penapis output untuk bekalan kuasa BUCK
Jadual 5: Pemilihan kapasitor penapis output untuk bekalan kuasa BUCK
2.1.4 bekalan kuasa BUCK - pemilihan kapasitor penapis input
Jadual 6: Pemilihan kapasitor penapis input untuk bekalan kuasa BUCK
2.2 Reka bentuk skema dan alat reka bentuk PCB
2.2.1 Rekabentuk skematik dan PCB: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)
Rajah 1 Pengenalan kepada Caritron EDA
JLC Technology EDA adalah alat pembangunan EDA percuma terkemuka di China, dengan fungsi yang berkuasa dan kecekapan pembangunan yang tinggi, rekabentuk ini menggunakan gambarajah skematik dan PCB reka bentuk JLC Technology EDA.
2.3 Bekalan kuasa BUCK - reka bentuk skema
2.3.1 Bekalan kuasa BUCK - reka bentuk skema
Rekabentuk prinsip merujuk kepada spesifikasi LM25149-Q1 dan papan pembangunan rasmi, serta rekabentuk ini memenuhi teori asas bekalan kuasa suis BUCK dan keperluan rekabentuk kuasa utama pengawal domain laluan tinggi.
Rajah 2 Gambarajah skematik LM25149
2.3.2 Bekalan Kuasa BUCK - teknologi utama dalam rekabentuk skematik
Litar EMC Input：
Mata pelajaran teknikal:
① Fungsi utama L1 adalah untuk mengurangkan kesan gangguan radiasi yang dijalankan dari bekalan kuasa suis pada bekalan kuasa input, frekuensi pensuisan bekalan kuasa suis adalah 2.2MHz, L1 dan C23 membentuk litar penapis LC (C16 adalah kapasitor elektrolitik, terutamanya frekuensi rendah di bawah 500kHz), dan 2.2MHz dikurangkan sebanyak 60dB.
② C21 mengurangkan hingar pensuisan (gelombang getaran pinggir naik dan turun tiub kuasa), terutamanya mengurangkan hingar EMC dari 10-100MHz.
③ Jika C21 dan C23 digunakan dalam bekalan kuasa peringkat pertama (sebelum perlindungan), anda perlu memilih model kapasitor terminal fleksibel, dan jika dilindungi, anda boleh memilih kapasitor gred automotif. Mekanisme perlindungan yang serupa juga boleh dilaksanakan menggunakan susunan siri dua kapasitor.
Keperluan yang sama diperlukan untuk MOSFET kuasa dan kapasitor masukan LM25149, kapasitor penyahikatan, reka bentuk ini tidak digunakan untuk pengesahan prestasi, menggunakan satu kapasitor seramik sahaja, dan reka bentuk peringkat produk mengikut keperluan reka bentuk gred automotif.
Nota: Pembatalan EMC aktif LM25419 dan teknologi spektrum serak rawak berganda, hanya mengurangkan amplitud EMC pada tahap tertentu, dan EMC tidak boleh dihapuskan sepenuhnya, bagi frekuensi pensuisan 2.2MHz tenaga berkaitan, aplikasi arus tinggi (≥10A) ke atas masih mempunyai risiko melebihi piawaian, debugging sebenar harus diutamakan, jika C23 dikeluarkan dan masih lulus radiasi konduksi, maka aplikasi C23 boleh dijimatkan dan kos dikurangkan.
Kapasitor Masukan Kuasa BUCK:
① C2, C3 adalah kapasitor input kuasa BUCK, yang sangat penting untuk prestasi EMC bekalan kuasa suis, kapasitor 10uF memilih impedans di sekitar 2MHz ≤5mΩ, CGA4J1X8L1A106K125AC dan CGA6P1X7S1A476M250AC mempunyai penunjuk teknikal yang baik sebagai rujukan, pemilihan kapasitor boleh memilih X7R, voltan tahanan 35V/50V, pakej C1210 dan C1206 adalah tersedia. Pakej C1210 dipilih untuk reka bentuk ini, yang membolehkan pelbagai pengesahan model.
② C4 adalah kapasitor EMC suis frekuensi tinggi, pilih 50V X7R, pakej C0402.
C2, C3, C4, Susun atur perlu memberi perhatian kepada gelung arus (rujuk butiran Susun atur), memenuhi keperluan asas kapasitans input kuasa BUCK dan teori reka bentuk, anda boleh mempelajari teori bekalan kuasa suis BUCK untuk memperdalam kefahaman tentang kapasitor input.
③ TP7, TP9, TP13 digunakan untuk menguji isyarat TG, BG dan SW pada suis, serta digunakan untuk menguji kewajaran masa zon mati, prestasi berdengung, dan prestasi pinggir naik dan turun MOSFET, yang merupakan indeks ujian prestasi elektrik penting bagi bekalan kuasa pensuisan.
Titik ujian TP bagi GND digunakan untuk mengurangkan gelung GND pengujian osiloskop dan meningkatkan ketepatan ujian, manakala LAYOUT perlu mengambil kira penempatan titik ujian sedekat mungkin dengan isyarat ujian berkaitan.
Perintang pemandu get MOSFET:
① R1 dan R2 adalah perintang pemandu get bagi MOSFET, yang memberi kesan penting terhadap pinggir naik dan turun MOSFET kuasa.
② Pemilihan R1 dan R2 dipengaruhi oleh faktor gabungan arus keluaran pengawal kuasa BUCK yang dikawal (pengawal (rintangan PULL dan PUSH), impedans pintu dan ciri-ciri cas MOSFET kuasa (kapasitans input CISS), dan jumlah rintangan keseluruhan dipilih ≤ 10 ohm dalam rekabentuk awal, yang juga bergantung kepada ciri-ciri cas, serta memerlukan penyesuaian halus untuk memilih nilai rintangan yang sesuai.
③ R1 dan R2 juga merupakan parameter utama yang paling mempengaruhi bising peralihan EMC, dan faktor litar utama yang mempengaruhi kehilangan peralihan.
Nota: 6 titik ujian digunakan untuk menguji ciri suis dan masa mati.
Gelung kuasa output:
① Pemilihan induktor: Pemilihan induktor terutamanya mengambil kira dua faktor:
- Arus Kerja Transien: Mampu mengeluarkan secara transien 24A (masa: 100us);
- Arus kerja keadaan mantap: 10A, yang boleh berfungsi dengan stabil pada arus 10A (merangkumi keadaan suhu persekitaran 85℃);
-Tempoh arus operasi transien adalah ≤ 100us, dan berlaku semasa fasa permulaan, dan hanya keadaan memastikan induktans tidak tepu yang boleh memenuhi keperluan (memenuhi nilai induktans arus).
② Pemilihan perintang pensampelan: Perintang pensampelan dipilih dalam pakej R1206, dan kuasa serakan haba ≥ 0.5W;
③ Pemilihan kapasitor: Rujukan: Bab kapasitor penapis keluaran dalam bahagian pertama bab tersebut;
Litar Suisan;
LM25149 mempunyai konfigurasi keluaran tetap dan konfigurasi maklum balas keluaran, dan kandungan terperinci dirujuk dalam buku spesifikasi;
① R14l disambungkan ke VDDA, keluaran 3.3V
② R14=24.9K, keluaran 5.0V
③ R14=49.9K, keluaran 12.0V
Voltan keluaran dikonfigurasikan dengan R14, R9 dan R10 pada pelekat kosong;
R19 dan TP3, TP4 yang dikhaskan: untuk pengujian, margin fasa, frekuensi merentas, dll.
Nota: TP3 dan TP4 digunakan untuk menguji margin fasa, frekuensi merentas, dll.
Tetapan Fungsi:
① EN: isyarat daya, hidupkan kuasa ≥ 1.0V, boleh dilindungi oleh voltan bawah ketepatan;
② Sync-PG: Keluaran segerak atau Power good, rekabentuk ini adalah untuk Power Good;
③ PFM/SYNC
-Lompatan Lalai (NC): Diod analog, output arus kecil, boleh berfungsi pada kecekapan tinggi;
-Lompatan litar pintas ke GND, mod CCM paksaan;
④ Tetapan mod kerja cip: sejumlah 5 mod kerja (rujuk buku 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 - teknologi utama untuk rekabentuk PCB
Gelung kapasitor input dan output:
① Kapasitor input dan output bagi bekalan kuasa BUCK mengekalkan gelung minimum, yang memberi kesan penting terhadap EMC;
② C4 terutamanya digunakan untuk menyerap hingar getaran pada sisi naik dan turun suis.
Gelung MOSFET dan Induktor:
① Penggunaan dua-dalam-satu MOSFET mengurangkan kawasan susunan dan kos, keburukannya adalah Susunan SW tidak dapat mengekalkan gelung minimum;
② Titik SW bagi MOSFET dua-dalam-satu tidak dapat merealisasikan kesinambungan jejak PCB pada lapisan yang sama, dan permukaan peletakan lapisan perlu diubah untuk mencapai arus kuasa berterusan.
Arus persampelan:
① Arus persampelan perlu menjadi suratan berbeza, dan perlu ada satah GND rujukan;
② Tiada keperluan untuk mengawal impedans dan panjang sama, dan suratan mengekalkan jarak minimum susunan latar;
Suaian FB (feedback):
Perintang dan peranti lain dekat dengan pin cip kawalan.
Kesejukan dan GND:
Peranti pemanas: MOSFET, induktor, dan perintang persampelan boleh meningkatkan pengaliran haba secara sesuai di kawasan satah, dan peningkatan via GND boleh membantu memperbaiki keadaan peresapan haba seluruh papan;
reka bentuk bekalan kuasa BUCK peringkat pertama terkawal 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, ketebalan PCB 1.6mm, saiz 30X65mm;
② Arus output boleh memenuhi arus transien maksimum Qualcomm SA8295 sebanyak 24A, dan menyokong keupayaan output stabil lebih daripada 10A.
4- Mengenai Codaca Elektronik
Codaca memberi tumpuan pada penyelidikan dan pembangunan (R&D) bebas, reka bentuk dan pembuatan induktor, dan VSEB0660-1R0M sesuai untuk pembangunan dan aplikasi platform Qualcomm. Ia mempunyai kelebihan teknikal seperti prestasi kos yang tinggi, keupayaan anti-arus saturasi yang kuat, serta penjanaan haba yang rendah, dan mempunyai nisbah kuasa terhadap isi padu yang terkemuka dalam industri. Codaca memberi tumpuan kepada penyelidikan dan pembangunan teknologi, inovasi teknologi, membangunkan produk unggul untuk industri induktor, serta membantu pembangunan dan aplikasi produk elektronik.
5- Ujian dan Pengesahan
Untuk ujian dan pengesahan seterusnya, sila rujuk: 03- Menerangkan Reka Bentuk Bekalan Kuasa Peringkat Pertama Pengawal Domain Automotif Qualcomm: Analisis Ukuran Ujian Prestasi .
[Rujukan]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/ms/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
EN