EN
Quick Links
De snelle ontwikkeling van de nieuwe energievoertuigindustrie heeft geleid tot explosieve groei binnen elke industrieketen. Auto-intelligentie en autonoom rijden zijn de belangrijkste kerncompetenties geworden in de richting van nieuwe energievoertuigen, waardoor voor de hoog geïntegreerde centrale computer en domeincontroller nieuwe uitdagingen en kansen ontstaan, met name op het gebied van betrouwbaarheid van DC-DC schakelende voedingen, hoge vermogendichtheid, schakelende voedings-EMC, hoge efficiëntie en kosten-effectiviteit.
Qualcomm als leverancier van intelligente cockpit domeincontroller, SA8155 en SA8295 neemt een belangrijke positie in. De centrale domeinbesturing SOC niveau 1 voeding (voeding omgezet uit de accu-ingangsniveau 1) tijdelijke stroom, stabiele bedrijfsstroom, stand-by bedrijfsefficiëntie, kosten, de tegenstrijdigheid tussen de schakelende voedingsontwerp EMC is uitgegroeid tot een enorme uitdaging voor BUCK-voedingsontwerp. Hoe deze tegenstrijdigheden op te lossen en in balans te brengen, is de technische richting van het schakelende voedingsarchitectuur-, voedingschip-, inductiecoil-, Mosfet- en condensatorontwerp.
Dit artikel combineert het grote dynamische schakelstroomvermogen (100-300%) voor automotive centrale domeincontroller niveau 1 voedingsontwerp, om het ontwerp van DC-DC-schakelvoeding te onderzoeken, inclusief voedingsschema, inductorkiezen, condensatorselectie en andere ontwerpmethoden; rekening houdend met volume, kosten, efficiëntie en prestatie-uitdagingen om praktijkgerichte ontwerpen te realiseren.
Dit artikel verkent en implementeert het real-world ontwerp van een eenvoudige BUCK-schakelende voeding met behulp van de Qualcomm SA8295-domeincontroller als voorbeeld.
Deze artikelenreeks bevat drie delen (in de toekomst zal deze reeks nog worden uitgebreid):
01- Ontrafelen van het Level 1-voedingsontwerp van Qualcomm Automotive Domeincontroller: Voedingsontwerp en -berekening (dit hoofdstuk)
02- Demystificatie van het Level 1 voedingontwerp voor de automotive domeincontroller van Qualcomm: schema- en PCB-ontwerp
03- Uitleg van het Level 1 voedingontwerp voor de automotive domeincontroller van Qualcomm: prestatietest en meetanalyse
1- Ontwerpdoelen en uitdagingen
5.1 SA8295 Transiënte stroomvereisten
Tabel 1: Vereisten voor het stroomvoorzieningsontwerp van 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 brein (cockpit domeincontroller) totale stroombudget van de auto 7-10 mA (13,5 V), alleen 4G/5G module verbruikt 4-5 mA, Qualcomm SA8295 stroom 13,5 V 3 mA (40 mW) binnen.
1.3 Drie uitdagingen
1.3.1 Qualcomm Domeincontroller SA8295 schakelende voeding stroomuitgang uitdaging 1:
Grote tijdelijke stroom, 3,3V, 18 Ampère (0,1ms), 0,1ms voor DC-DC-schakelende voeding behoort al tot de lange periode van stabiele uitgang. Een buck-voeding moet worden ontworpen volgens de stabiele uitgang van 18 Ampère.
1.3.2 Qualcomm domein-gestuurde SA8295 schakelende voeding hoge-stroom dynamische uitdagingen 2:
SA8295 domeinbesturing stationaire bedrijfsstroom tussen 5 en 9 ampère, wat zal leiden tot een grotere tegenstrijdigheid in volume, kosten en frequentie bij het kiezen van de spoel voor de schakelende voeding (de grootte van de spoel is omgekeerd evenredig aan de stroomgrootte; keuze op basis van stationaire bedrijfsstroom leidt tot meer dan 300% verschil).
1.3.3 Qualcomm domeinbesturing SA8295 schakelende voeding microwattrendement uitdagingen 3:
Stroomverbruik in stand-by-modus, vereist 13,5V 3mA verbruiksefficiëntie van 70%, wat ook een grote uitdaging is voor de architectuur van de stroomregelaar en de ontwerpen voor spoelkeuze.
Dit ontwerp is gebaseerd op de ontwerpspecificaties van de meest complexe SA8295 eenlaags Gelijkstroom (Buck) voeding, om de kernuitdagingen van schakelende voedingen en DC-DC technische oplossingen te onderzoeken.
2 - Vergelijking van programma selectie
2.1 Technische eisen voor het Qualcomm SA8295 domeincontroller voedingssysteem
Zoals weergegeven in tabel 2:
Tabel 2: Technische eisen voor het ontwerp van de Qualcomm SA8295 voeding
2.2 Programma ontwerp en technische informatie
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 en LM25149-Q1 voldoen aan de ontweper. In dit ontwerp is gekozen voor LM25149-Q1 als eerste laag voedingssysteem voor deze centrale domeincontroller.
2.2.1 Officiële website van LM25149-Q1:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
Tabel 3: Ontwerpreferenties voor LM25149-Q1
2.2.2 Gegevensblad voor 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: Qualcomm SA8295 voedingsspecificatie-eisen
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: Berekeningsvergelijking van het synchronische BUCK-voedingsontwerp
3.4 Minimale inductantieberekening
(Voor formules, zie Tabel 5.)
Tabel 6: Berekeningsgrafiek van minimale inductantie (∆I=0,3)
Tabel 7: Berekening van minimale inductantie
3.4.1 Samenvatting van de berekende inductantiegegevens:
① Als het ontwerp het bereik van 6-20A (AI=0,3 berekening) bestrijkt, 16V ingang, 6A uitgang, inductantie ≥ 0,69μH.
② Theoretische berekening van minimale spoelinductantie Lmin: ≥ 0,69μH (theoretisch);
③ Rekening houdend met de praktische ontwerpkeuze en inductantiefout ± 20%, wordt gekozen voor 0,82μH en 1,0μH als beste ontwerp (inductantiewaarde neemt toe, spoelvolume neemt toe, kosten stijgen, SRF daalt).
3.5 Spoelstroomberekeningen
(Formule: zie tabellen 1 en 2 van tabel 5)
Tabel 8: 0,82μH Spoelstroomberekening
Tabel 9: 1,0μH Spoelstroomberekening
3.5.1 Theoretisch berekende spoelverzadellingsstroom ≥ 20,76A, afgerond naar 21A:
Tabel 10: Inductantie-indicatoren
4- Keuze van de spoel voor schakelende voeding
Tabel 11: Spoelkeuze
4.1 LM25149 Schakelende voedingsspoel stroommeetweerstands berekening
Tabel 12: Theoretische berekening van de stroommeetweerstand van de spoel
Tabel 13: Keuze van de inductieve meetweerstand
4.2 Synchroniteit BUCK-schakelende voeding uitgangscapaciteit berekening
(Berekening van de uitgangscapaciteit: zie de formule in Tabel 5)
Tabel 14: Berekening van de uitgangscapaciteit van een synchrone BUCK-schakelende voeding
Bij het ontwerpen van een synchrone BUCK-schakelende voeding zijn er tegenstrijdigheden tussen de prestaties, het volume en de kosten van ingangs- en uitgangsfiltercondensatoren. De specificatie van de capaciteit wordt getest onder specifieke omstandigheden; door verschillen in meetapparatuur tijdens het testproces kunnen dezelfde indicatoren 10-50% variëren. De uiteindelijke ontwerpresultaten moeten worden geverifieerd tijdens het debuggen en wetenschappelijk praktijkonderzoek (er is geen optimale oplossing voor het ontwerp, alleen geschikte scenario's kiezen) (voor het ontwerp is er geen optimale oplossing, kies simpelweg wat geschikt is voor het scenario).
Schakelcondensatoren moeten voldoen aan: capaciteit ≥ 320uF (overshoot-eis), keramische condensatorcapaciteit groter dan 2.435uF (geen kernvoorwaarde, indien mogelijk voldoen)
Tabel 15: Aanbevolen modelselectie voor uitgangsfiltercondensatoren van schakelende voedingen
Tabel 16: Ontwerp van uitgangsfiltercondensatoren voor schakelende voedingen
4.3 LM25149 Voeding Ingangscapaciteit Berekening
4.3.1 Berekentabel Ingangscapaciteit
Tabel 17: Schakelende voeding ingangsfiltercapaciteit berekeningen
Tabel 18: Schakelende voeding uitgangsfilterselectie
4.4 LM25149 Mosfet Selectieberekening
4.4.1 Mosfet Berekeningen
Het LM25149-datasheet bevat niet veel berekeningen en selectieberekeningen, QG-berekeningen en selectie op basis van empirische schattingen achteruit; de berekeningsresultaten kiezen 4,5-5,0V Vgs, ≤ 22nC. Het berekeningsproces verwijst naar de volgende tabel. Kies het Miller-plateau op 2-3V (ook dicht bij 3V is acceptabel). Rdson-selectie ≤ 8mΩ.
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 LM25149 EMC-ontwerpberekeningen
Zonder overmatig te analyseren, verwijzen naar de specificatie.
5- Ontwerpsamenvatting
5.1 LM25149BUCK voedingsontwerp selectiesamenvatting
Tabel 22: Ontwerp en Selectie
5.2 Programmasamenvatting
De prestaties en efficiëntie van een synchrone schakelende voeding worden beïnvloed door vele factoren; prestaties en indicatoren moeten rekening houden met praktische aspecten. Dit hoofdstuk wordt gebruikt voor theoretische berekeningen en theoretische leidinggeving bij het daadwerkelijke ontwerp. Het ontwerp van de prestaties en indicatoren hangt nauw samen met de eigenschappen van de componenten, de gebruiksomstandigheden, de layout, etc., en dient daarom zorgvuldig getest en geverifieerd te worden.
Synchron ontwerp van een buck-voeding voor high-pass domeincontroller is een moeilijk technisch gebied van controllerontwerptechnologie, vereist het in balans brengen van prestaties, volume en kosten. Kodak Ka richt zich op de onafhankelijke onderzoek en ontwikkeling van spoelen. CSEB0660-1R0M is geschikt voor de ontwikkeling en toepassing van high-pass platforms en biedt technische voordelen zoals een hoog prijs-prestatieverhouding, sterke weerstand tegen verzadigingsstroom en weinig warmteontwikkeling. Daarnaast beschikt het over een industriele leidende verhouding van vermogen tot volume. Kodak Ka richt zich op technologisch onderzoek en ontwikkeling en innovatie om uitstekende producten te ontwikkelen voor de spoelindustrie en draagt bij aan de ontwikkeling en toepassing van elektronische producten.