EN
Snelle koppelingen
De snelle ontwikkeling van de industrie van nieuwe-energievoertuigen heeft explosieve groei teweeggebracht in diverse industriële ketens. Voertuigintelligentie en autonoom rijden zijn uitgegroeid tot de belangrijkste concurrentievoordelen voor nieuwe-energievoertuigen, waardoor er nieuwe uitdagingen en kansen zijn ontstaan voor sterk geïntegreerde centrale breinen en domeincontrollers, met name op het gebied van betrouwbaarheid, hoog vermogensdichtheid, EMC van schakelende voedingen, hoge efficiëntie en hoge kostenefficiëntie van DC-DC-schakelvoedingen.
Qualcomm, als leverancier van intelligente cockpit domeincontrollers, neemt een belangrijke positie in met de SA8155 en SA8295. De conflicten tussen de transiënte stroom, stabiele bedrijfsstroom, standby-stroomverbruik, kosten en EMC-ontwerp van de schakelende voeding (SMPS) van de primaire voeding van de centrale domeincontroller-SOC (voeding vanaf accu-ingang tot primaire omzetting) vormen een grote uitdaging voor het ontwerp van BUCK-voedingen. Hoe deze conflicten op te lossen en in balans te brengen, is de technische richting waarin de schakelende voedingsarchitectuur, vermogenelektronica-chips, spoelen, MOSFETs en condensatoren samenwerken.
Dit artikel combineert het ontwerp van de primaire voeding van de centrale domeincontroller voor automotive toepassingen met een grote dynamische schakelvoedingstroom (100-300%), waarbij het ontwerp van DC-DC-schakelvoedingen wordt onderzocht, inclusief voedingsoplossingen en methoden voor de selectie van spoelen en condensatoren. Het bespreekt en implementeert praktisch ontwerp, terwijl het tegelijkertijd uitdagingen oplost op het gebied van volume, kosten, efficiëntie en prestaties.
Dit artikel neemt de domeincontroller SA8295 van Qualcomm als voorbeeld om het praktische ontwerp van de primaire BUCK-schakelvoeding te onderzoeken en te implementeren.
Deze serie artikelen bestaat uit drie delen (wordt voortdurend bijgewerkt):
01- Decoderen van het ontwerp van de eerste trap voeding van de Qualcomm Automotive Domeincontroller: Ontwerp en berekening van de voeding (dit hoofdstuk)
1- Ontwerpdoelen en uitdagingen
1.1 Vereisten voor transiënte stroom voor SA8295
Tabel 1: Voedingsontwerpeisen voor SA8295
1.2 SA8295 stand-by stroomvereisten
Qualcomm SOC 3.3V voeding stand-by vermogenverbruik binnen 4-7,5 mA (inclusief geheugen self-refresh vermogen), ondersteunt stand-by wake-up.
Centrale Brain (Cabin Domain Controller) totale voertuigstroombudget 7-10mA (13,5V), alleen de 4G/5G-module verbruikt 4-5mA, Qualcomm SA8295 stroom op 13,5V 3mA (40mW) of minder.
1.3 Drie uitdagingen
1.3.1 Uitdaging 1: Schakelende voeding van Qualcomm Domain Controller SA8295 met stroomafgifte
Grote transiënte stroom, 3,3V, 18 ampère (0,1ms), 0,1ms is al een lange periode voor stationaire uitgang bij een DC-DC-schakelende voeding, wat vereist dat de buck-voeding ontworpen wordt voor stabiele 18 ampère-uitgang.
1.3.2 Uitdaging 2: Dynamiek van schakelende voeding van High-Quality Domain Controller SA8295
De stationaire werkstroom van de SA8295 domain controller bedraagt 5-9 ampère, wat een verschil in stationaire werkstroom van meer dan 300% veroorzaakt in de inductantie van de schakelende voeding (de inductantie is omgekeerd evenredig met de nominale stroom) wat leidt tot significante conflicten qua volume, kosten en frequentie.
1.3.3 Uitdaging 3: Microvermogen-efficiëntie van schakelende voeding van High-Quality Domain Controller SA8295
Stroomverbruik in stand-by, met een efficiëntie van 70% bij 13,5 V en 3 mA, vormt een grote uitdaging voor de architectuur van de voedingregelaar en het ontwerp van inductorkiezen.
Dit ontwerp is gebaseerd op de uitdaging van het maximale primaire buck-voedingsontwerp van de SA8295, waarbij de kernproblemen van schakelende voedingen en DC-DC-technologie-oplossingen worden onderzocht.
2- Vergelijking van oplossingenkeuze
2.1 Technische eisen voor het Qualcomm SA8295 domeincontroller voedingssysteem
Zoals weergegeven in tabel 2:
Tabel 2: Technische specificatie-eisen voor Qualcomm SA8295-voedingsontwerp
2.2 Ontwerpoplossing en technische documenten
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1, enz., kunnen allemaal voldoen aan de ontwerpeisen. Voor dit ontwerp wordt gekozen voor LM25149-Q1 als primaire voedingsoplossing voor de centrale domeincontroller in dit project.
2.2.1 Officiële website LM25149-Q1:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
Tabel 3: Referentiematerialen voor LM25149-Q1-ontwerp
2.2.2 Specificatiedocument LM25149-Q1:
2.2.3 Ontwikkelbord LM25149-Q1:
Handleiding voor gebruik van de LM25149-Q1 EVM (Rev. A) (ti.com.cn)
2.2.4 Stabiliteit en prestaties van actieve filters:
Hoe zorgt u voor stabiliteit en prestaties van actieve EMI-filters (ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 Ontwerptools :
LM5149-LM25149DESIGN-CALC Berekeningsprogramma | TI.com
3- Ontwerp en berekening van synchrone buck-voeding
3.1 Belangrijkste specificaties en ontwerpparameters van de LM25149
Tabel 4: Technische specificatie-eisen voor Qualcomm SA8295-voedingsontwerp
Efficiëntie
Actieve EMI-filters
EMI-testen
Referentieontwerp schema
Evaluatiebord voor referentieontwerpoplossing
3.2 LM25149 Synchrone BUCK-inductorselectie berekening
3.2.1 Synchronisatie BUCK schakelende voeding berekeningsformule:
Tabel 5: Synchrone BUCK-voedingontwerp berekeningsformules
3.3 Minimale inductantieberekening
(Berekeningsformule, zie tabel 5.)
Tabel 6: Grafiek voor minimale inductantieberekening (∆I=0,3)
Tabel 7: Berekening van minimale inductantie
3.3.1 Samenvatting van de gegevens voor inductantieberekening:
① Als het ontwerp een bereik van 6-20A (AI=0,3-berekening) bestrijkt, met een ingangsspanning van 16V en een uitgangsstroom van 6A, moet de inductantie ≥0,69μH zijn.
② Theoretische berekening van minimale spoelinductantie Lmin: ≥ 0,69μH (theoretisch);
③ Gezien de praktische ontwerpkeuze en de tolerantie van de spoel ±20%, kies 0,82μH en 1,0μH als optimale ontwerpwijze (vergroten van de inductantiewaarde verhoogt de afmeting en kosten van de spoel, en verlaagt de SRF).
3.4 Spoelstroomberekeningen
(Formule: zie tabellen 5, onderdelen 1 en 2)
Tabel 8: 0,82μH Spoelstroomberekening
Tabel 9: 1,0μH Spoelstroomberekening
3.4.1 Theoretisch berekende verzadigingsstroom van de spoel ≥ 20,76A, afgerond naar 21A:
Tabel 10: Specificaties van de spoel
4 - Keuze van spoel voor schakelende voeding
Tabel 11: Spoelkeuze
4.1 Berekening van de stroommeetweerstand voor schakelende voeding voor LM25149
Tabel 12: Theoretische berekening van de stroommeetweerstand
Tabel 13: Keuze van de stroommeetweerstand
4.2 Berekening van de uitgangscondensator voor synchrone BUCK-schakelende voeding
(Berekening uitgangscondensator: zie formule in Tabel 5)
Tabel 14: Berekening van de uitgangscondensator voor synchrone BUCK-schakelende voeding
Bij synchrone buck schakelende voedingontwerpen bestaat er een afweging tussen de prestaties, grootte en kosten van de ingangs- en uitgangsfiltercondensatoren. De specificatietesten voor condensatoren worden uitgevoerd onder specifieke omstandigheden, en variaties in meetapparatuur tijdens testen kunnen afwijkingen opleveren van 10–50% bij identieke specificaties. De uiteindelijke ontwerpprestaties vereisen wetenschappelijke validatie en testen via het debugproces (er is geen enkele optimale oplossing; alleen de keuze van een oplossing die geschikt is voor de specifieke toepassing).
Schakelcondensatoren moeten voldoen aan: Capaciteit ≥ 320uF (overshoot-eis), keramische condensatorcapaciteit groter dan 2,435uF (geen kernvoorwaarde, voldoen aan de eis is voldoende).
Tabel 15: Aanbevolen selectie van modellen voor uitgangsfiltercondensatoren voor schakelende voedingsbronnen
Tabel 16: Ontwerp van uitgangsfiltercondensatoren voor schakelende voedingsbronnen
4.3 Berekening van de ingangscondensator voor LM25149-voedingsbron
4.3.1 Berekentabel Ingangscapaciteit
Tabel 17: Berekening van de ingangsfiltercondensator voor schakelende voeding
Tabel 18: Selectie van uitgangsfilters voor schakelende voedingen
4.4 LM25149 Mosfet Selectieberekening
4.4.1 MOSFET-berekening
In de datasheet van de LM25149 staan niet veel berekeningen en selectieberekeningen vermeld. QG-berekeningen en selecties zijn gebaseerd op empirische schattingen en reverse deductions. De berekeningsresultaten geven een waarde van 4,5-5,0 V Vgs en ≤22 nC aan. Het berekeningsproces is weergegeven in de onderstaande tabel. Het Miller-platform is gekozen als 2-3 V (ook dicht bij 3 V is aanvaardbaar), en Rdson is gekozen als ≤8 mΩ.
Tabel 19: Mosfet Selectie en Berekeningen
4.5 Aanbevelingen voor Mosfet Selectie
Tabel 20: Mosfet Selectiemodellen
4.6 LM25149 FB en Compensatieberekeningen
Tabel 21: FB- en compensatieberekeningen
4.7 EMC-ontwerpberekening voor LM25149
Zonder te veel analyse: raadpleeg de specificaties.
5- Ontwerpsamenvatting
5.1 Samenvatting van het ontwerp en de selectie van de LM25149 BUCK-voeding
Tabel 22: Ontwerp en Selectie
5.2 Samenvatting van de oplossing
De prestaties en efficiëntie van synchrone schakelende voedingen worden beïnvloed door vele factoren. Prestaties en specificaties moeten rekening houden met praktische aspecten. Dit hoofdstuk wordt gebruikt voor theoretische berekeningen om theoretische richtlijnen te geven voor het praktische ontwerp. De prestaties en specificaties van het ontwerp staan dichtelijk in verband met componentprestaties, gebruiksomstandigheden, layout, enz., en vereisen strenge testen en verificatie.
De ontwerp van synchrone buck-voedingen voor Qualcomm-domeincontrollers is een uitdagend gebied binnen controllerontwerp, waarbij een balans moet worden gevonden tussen prestaties, afmetingen en kosten. CODACA richt zich op onafhankelijk O&O en het ontwerp van vermogensspoelen en gemeenschappelijke modus spoelen. De CSEB0660-1R0M is geschikt voor de ontwikkeling en toepassingen op Qualcomm-platforms, en biedt een hoge kostenefficiëntie, sterke weerstand tegen verzadigingsstroom, geringe warmteontwikkeling en een in de branche toonaangevende vermogen-voor-volume-verhouding. CODACA zet zich in voor technologisch onderzoek en innovatie, met als doel uitstekende producten te ontwikkelen voor de spoelindustrie en bij te dragen aan de ontwikkeling en toepassing van elektronische producten.