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. Dit brengt voor de hoog geïntegreerde centrale computer en domeincontroller nieuwe uitdagingen en kansen met zich mee, vooral wat betreft de betrouwbaarheid van DC-DC schakelende voedingen, hoge vermogensdichtheid, schakelende voedings-EMC, hoge efficiëntie en kosten-effectiviteit.
Qualcomm als leverancier van intelligent cockpit domain controllers, SA8155 en SA8295 neemt een belangrijke positie in. De centrale domeincontrole SOC niveau 1 voeding (voeding geconverteerd uit de accu-ingangsniveau 1) transiënte stroom, stabiele werkstroom, stand-by werkefficiëntie, kosten en de tegenstrijdigheid tussen de EMC-switchende voedingsontwerp is geworden een grote uitdaging voor BUCK-voedingsontwerp. Hoe deze tegenstrijdigheden op te lossen en in balans te brengen is het gezamenlijke werk van schakelende voedingsarchitectuur, voedingschips, spoelen, Mosfet, condensatorfabrikanten op technologisch gebied.
In dit artikel wordt voor de grote dynamische schakelende voedingsstroom (100-300%) de ontwerpmethode van een schakelende gelijkspanningsvoeding voor autonome centrale domeinbesturing op niveau 1 verkend, inclusief voedingsschema, keuze van spoelen en condensatoren en andere ontwerptechnieken. Hierbij worden uitdagingen met betrekking tot volume, kosten, efficiëntie en prestaties meegenomen om tot een praktisch toepasbaar ontwerp te komen.
Aan de hand van de Qualcomm SA8295-domeincontroller als voorbeeld, bespreekt dit hoofdstuk het ontwerp en de realisatie van een primaire BUCK-schakelende voeding.
Voor dit hoofdstuk is een grondig begrip vereist van het eerste deel van deze serie (waarin de theorie en berekening van BUCK-schakelende voedingen worden uitgebreid uiteengezet), om vervolgens een gedetailleerd BUCK-voedingsontwerp te ontwikkelen op basis van de LM25149.
Deze artikelenserie bevat drie delen (met verdere updates in de toekomst):
01 - Analyse van het Level 1 voedingsontwerp van de Qualcomm Automotive Domeincontroller: Voedingsontwerp en Berekening (Gepubliceerd)
02-Decryptie van de ontwerplevelle van het stroomvoorzieningssysteem voor automotieve domeincontrollers van Qualcomm: schemaontwerp en PCB-ontwerp (dit hoofdstuk )
03-Decryptie van de ontwerplevelle van het stroomvoorzieningssysteem voor automotieve domeincontrollers van Qualcomm: prestatietestmetingenanalyse (te publiceren)
1- Ontwerpdoelen en uitdagingen
5.1 SA8295 Transiënte stroomvereisten
Tabel 1: Vereisten voor het stroomvoorzieningsontwerp van SA8295
Note: Het nieuwste SA8295-ontwerp vereist 21A (1 NPU) en 24A (2 NPUs), wat dit ontwerp kan dekken (bescherming tegen overstromen tot 30A)
1.2 Ontwerpdoelstellingen
Dit ontwerp maakt gebruik van de LM25149 om de primaire stroomvoorziening voor de domeincontroller te ontwerpen , in staat om een transiënte stroom van 24A (100µs) te ondersteunen en voldoet aan de vereisten voor stationair bedrijf van meer dan 10A, waarmee een evenwichtige afweging tussen grootte, kosten en prestaties wordt behaald.
Note: Transiënte stroom leidt niet tot thermische problemen (voor de Qualcomm SA8295 duurt de transiënte stroom slechts 100µs). Echter, grote stationaire stromen kunnen leiden tot een toename van de temperatuur, dus de invloed van het thermisch gedrag moet worden geëvalueerd (de ontwerpoplossing dient te worden gekozen op basis van de daadwerkelijke omstandigheden).
2- Schematisch ontwerp en PCB-ontwerp
2.1 Selectie van kerncomponenten
Selectiecriteria voor componenten voor schakelende voedingen op domeincontroller-niveau: prioriteit voor prestaties, rekening houdend met kosten, terwijl het oppervlak van de PCB wordt verkleind; houd rekening met EMC-problemen en stroomlusproblemen bij BUCK-schakelende voedingen, conform de algemene theorie en regels voor het ontwerpen van BUCK-schakelende voedingen, verwijzing naar de algemene methodologie voor ontwerp.
Zie hoofdstuk 1 voor details over de selectie en berekening van elektronische componenten (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculations)
In dit ontwerp is optie 2 geselecteerd (het gebruik van acht 47uF keramische condensatoren in C1210-voorpakking). Het ontwerp is niet beperkt tot deze keuze; het productontwerp kan worden aangepast aan de praktijksituatie van het model, en optimalisatie van het ontwerp kan plaatsvinden op basis van daadwerkelijke testresultaten.
Tabel 2: BUCK-voeding - ontwerpvarianten
2.1.1 BUCK-voeding - MOSFET-selectie
Tabel 3: BUCK-voeding - MOSFET-selectie
2.1.2 BUCK-voeding - keuze van de spoel
Spoelkeuze met typeaanduiding: VSEB0660-1R0MV
Tabel 4: Spoelkeuze
2.1.3 BUCK-voeding - uitgangsfiltercondensatorselectie
Tabel 5: BUCK-voeding - uitgangsfiltercondensatorselectie
2.1.4 BUCK-voeding - selectie van ingangsfiltercondensator
Tabel 6: BUCK-voeding - selectie van ingangsfiltercondensator
2.2 Ontwerp van schema en PCB-design tools
2.2.1 Schema- en PCB-ontwerp: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
Figuur 1 Inleiding tot Caritron EDA
Jialitron EDA is een voornaamste gratis EDA-ontwikkeltool, krachtig en efficiënt in ontwikkeling; dit ontwerp gebruikt Jialitron EDA om het schema en de PCB te ontwerpen.
2.3 BUCK-voeding - schema-ontwerp
2.3.1 BUCK-voeding - schema-ontwerp
Het schema-ontwerp verwijst naar het datasheet van de LM25149-Q1 en de officiële ontwikkelbord en voldoet aan de basistheorie van de BUCK-schakelende voeding en de eisen voor het ontwerp van een voeding in het hogere bereik voor domeincontrollers.
Figuur 2 LM25149 Schema
2.3.2 BUCK-voeding - Technologie met nadruk op schema-ontwerp
EMC-schakeling van de ingangsconnector:
Technische punten:
① De hoofdrol van L1 is om de impact van geleidingsstraling van het schakelende voedingssysteem op de ingangsspanning te verminderen; de schakelfrequentie van het schakelende voedingssysteem is 2,2 MHz. L1 en C23 vormen een LC-filtercircuit (C16 is een elektrolytische condensator voor lage frequenties tot 500 kHz), waardoor bij 2,2 MHz ongeveer 60 dB wordt verzwakt.
② C21 vermindert schakelruis (ringing tijdens stijgende en dalende flanken van de vermogentransistor) en reduceert EMC-ruis in het bereik van 10-100 MHz.
③ Voor C21 en C23: als er sprake is van een voedingsbron (vóór bescherming), moet een flexibel aansluitbaar type condensator worden gekozen; indien beschermd, kunnen autokwaliteit-condensatoren worden gebruikt. Ook kan men twee condensatoren in serie tegenover elkaar plaatsen om een vergelijkbare beschermingswerking te verkrijgen.
Voor vermogenselektronische MOSFET's en LM25149 is de ingangscapaciteit decoupling capaciteit vereist, deze ontwerp wordt niet gebruikt voor prestatieverificatie, gebruik van één keramische condensator, productniveau-ontwerp moet voldoen aan de automotieve kwaliteitseisen.
Note: LM25419 actieve EMC-onderdrukking en dubbele willekeurige spreidingsspectrumtechnologie, slechts tot op zekere hoogte het EMC-amplitude verlagen, en kan de EMC niet volledig elimineren, voor de schakelfrequentie van 2,2 MHz gerelateerde energie, hoge stroom (≥ 10A) boven de toepassing van het risico op overschrijding van de norm, te baseren op de daadwerkelijke debugging, als de verwijdering van C23 nog steeds geleid kan worden door de straling kan worden bespaard door de toepassing van de C23, de kosten verlagen.
BUCK vermogensingangscondensatoren:
① C2,C3 voor de BUCK voeding ingangscapacitantie, voor de schakelende voeding EMC prestaties is kritisch, 10uF capaciteitskeuze 2Mhz bij impedantie ≤ 5mΩ, CGA4J1X8L1A106K125AC en CGA6P1X7S1A476M250AC hebben goede technische specificaties ter referentie, capaciteitskeuze kan X7R zijn, 35V/50V spanningsbestendigheid, behuizing C1210 en C1206 zijn mogelijk. Deze ontwerpkeuze is behuizing C1210, waardoor er meer modellen kunnen worden gebruikt om de prestaties te valideren.
② C4 voor hoogfrequente schakeling EMC condensator, kies 50V X7R, behuizing C0402 is voldoende.
C2, C3, C4, lay-out moet letten op de stroomlus (zie lay-out details), conform de basisvereisten en ontwerptheorie van de BUCK-voedingingangscapacitantie, u kunt de theorie van de BUCK-schakelende voeding bestuderen om een beter begrip van de ingangscapacitantie te krijgen.
③ TP7,TP9,TP13 wordt gebruikt om de schakelaar TG, BG en SW signalen te testen, wordt gebruikt om de redelijkheid van de doodtijd, het ringgedrag en de stijgende en dalende flankprestaties van de MOSFET te testen, is een belangrijke elektrische prestatietestindicator voor schakelende voedingen.
Het GND-testpunt van TP wordt gebruikt om de GND-lus van de oscilloscoop te verkleinen en de meetnauwkeurigheid te verbeteren, en moet tijdens de LAYOUT zo dicht mogelijk bij het testpunt van het relevante testsignaal worden geplaatst.
MOSFET gatebesturingsweerstand:
① R1 en R2 zijn MOSFET gatebesturingsweerstanden, die een belangrijk effect hebben op de stijgende en dalende flanken van de vermogens-MOSFET.
② De selectie van R1 en R2 wordt bepaald door de uitgangsstroom van de BUCK power controller (controller (PULL- en PUSH-weerstanden), gate-impedantie en laadeigenschappen van de power MOSFET (ingangscapaciteit CISS)), omwille van de gezamenlijke invloed op de initiële ontwerpselectie van de totale weerstandssom van ≤ 10 ohm, maar hangt ook af van de laadeigenschappen en vereist uiteindelijk fijnafstemming, waarbij een geschikte weerstandswaarde moet worden gekozen.
③ R1 en R2 zijn eveneens de meest kritische parameters voor het schakelend geluid (EMC) en tegelijkertijd belangrijke factoren die het schakelverlies van de kernschakeling beïnvloeden. In praktische toepassingen moet er een balans worden gevonden tussen efficiëntie (verwarming van de MOSFET) en EMC om een evenwichtspunt te bereiken.
Note: 6 testpunten voor het testen van de schakeleigenschappen en doodtijd.
Uitgangsvermogencircuit:
① Keuze van de inductantie: De keuze van de inductantie is gebaseerd op twee hoofdoverwegingen:
-Tijdelijke werkstroom: in staat om tijdelijk 21 (24) A uit te voeren (tijd: 100 μs);
-Continu stroom: 10A, in staat om stabiel te werken bij een stroom van 10A (geldig voor omgevingstemperaturen tot 85°);
-Tijdelijke stroomduur ≤ 100us, treedt op tijdens de opstartfase, het is voldoende om ervoor te zorgen dat de spoel niet verzadigd raakt om aan de eisen te voldoen (voldoende inductantie waarde).
② Keuze van shuntweerstand: kies een R1206-gehousel voor de shuntweerstand, thermisch vermogensverlies ≥ 0,5W;
③ Keuze van condensatoren: zie referentie: eerste deel van dit hoofdstuk over uitgangsfiltercondensator;
Terugkoppelcircuit:
De LM25149 heeft een vaste uitgangsconfiguratie en een terugkoppelingsconfiguratie, zie het datasheet voor meer details;
① R14l verbonden met VDDA, levert 3,3V;
② R14=24,9K, levert 5,0V;
③ R14=49,9K, levert 12,0V;
Laat R14 open, configureer de uitgangsspanning met R9 en R10;
R19 en gereserveerde TP3, TP4: voor testdoeleinden, fase-marge, kruisfrequentie, etc.
Note: TP3 en TP4 worden gebruikt voor testdoeleinden, fase-marge, kruisfrequentie, etc.
Functie-instelling:
① EN: Inschakelsignaal, ≥1,0V schakelt de voeding in, kan worden gebruikt voor nauwkeurige onderspanningsbeveiliging;
② Sync-PG: Synchronisatie-uitgang of Power Good, dit ontwerp wordt gebruikt voor Power Good;
③ PFM/SYNC
-Standaard (NC) brug: Diode-analoog, lage stroomuitgang, werkt met hoge efficiëntie;
-Brug kortsluiten naar GND, forceert CCM-modus;
④ Instellingen chipbedrijfsmodus: in totaal vijf bedrijfsmodi (zie specificatie);
2.4 BUCK-voeding-PCB-ontwerp
2.4.1 BUCK-voeding-PCB ontwerp
① -BOVENKANT
② -GND
③ -Signaal
④ -Onderkant
2.4.2 BUCK-voeding-PCB ontwerp met focus op technologie
Ingangs- en uitgangscapaciteit lussen:
① De ingangs- en uitgangscapaciteit van de BUCK-voeding om een minimale lus te behouden, heeft een belangrijke invloed op EMC;
② C4 wordt voornamelijk gebruikt om schakelende stijgende en dalende flankringingssignalen op te nemen.
MOSFET's en inductieve lussen:
① Het gebruik van tweeledige MOSFETs vermindert het layoutgebied en verlaagt de kosten, maar het nadeel is dat de Layout SW de minimale lus niet kan behouden;
② Het SW-punt van de tweeledige MOSFET kan geen uitlijning in dezelfde PCB-laag realiseren en moet van laag wisselen om het vlak te kunnen bedekken om zo de continuïteit van de stroomvoorziening te garanderen.
Stroommeting:
① Voor stroommeting is een differentiële uitlijning met een referentie-GND-vlak vereist;
② Impedantiebeheersing en gelijke lengte zijn niet vereist, en de uitlijning behoudt de minimale layoutafstand.
FB Feedback:
Weerstanden en andere componenten zitten dicht bij de pinnen van de controllerchip.
Koeling en GND:
Warmteproducerende componenten: MOSFETs, spoelen en meetweerstanden. U kunt het vlakgebied passend vergroten om warmte af te voeren, en extra GND-perforatie kan helpen om de koelomstandigheden van het gehele ontwerp te verbeteren.
3- Domein Gecontroleerd Niveau 1 BUCK Voeding Ontwerp - Samenvatting
3.1 3D-tekening
3D-figuur-1
3D-figuur-2
3.2 Ontwerpsamenvatting
① Het ontwerp van de schakelende voeding hanteert een 4-laags ontwerp met een PCB-dikte van 1,6 mm en een afmeting van 30x65 mm;
② De uitgangsstroom kan voldoen aan de maximale tijdelijke stroom van 24 A volgens Qualcomm SA8295 en ondersteunt een constante uitgang van 10 A of meer.
4- Over Codaca Elektronica
Codaca richt zich op het zelfstandig ontwikkelen, ontwerpen en fabriceren van inductoren; VSEB0660-1R0M is geschikt voor de ontwikkeling en toepassing van het Qualcomm-platform. Het biedt de technische voordelen van hoge kostenefficiëntie, hoge weerstand tegen verzadigingsstroom, weinig warmteontwikkeling en een industriele leidende vermogens-dichtheidverhouding. Codaca richt zich op technologisch onderzoek en ontwikkeling, technologische innovatie en het ontwikkelen van uitstekende producten voor de inductorindustrie, om zo bij te dragen aan de ontwikkeling en toepassing van elektronische producten.
5- Testen en Verificatie
Voor de verificatie van de test van de opvolger, verwijzen wij naar: 03-Deciphering Qualcomm's Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Performance Test Measurement Analysis (to be released)
[Referentie]
1.LM25149-Q1:ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E: https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E