Dekodowanie projektu zasilania pierwszego etapu sterownika domenowego Qualcomm Automotive: Projekt i obliczenia zasilania

Szybki rozwój przemysłu pojazdów napędzanych energią elektryczną doprowadził do eksplozyjnego wzrostu w różnych łańcuchach przemysłowych. Inteligentne pojazdy i jazda autonomiczna stały się najważniejszymi kierunkami konkurencyjności dla pojazdów napędzanych energią elektryczną, co stwarza nowe wyzwania i możliwości dla wysoko zintegrowanych centralnych jednostek obliczeniowych i sterowników domenowych, szczególnie pod względem niezawodności, dużej gęstości mocy, kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) zasilaczy impulsowych typu DC-DC, wysokiej sprawności oraz korzystnej relacji cena-wydajność.

Qualcomm, jako dostawca inteligentnych sterowników kokpitu, zajmuje znaczącą pozycję dzięki układom SA8155 i SA8295. Konflikty pomiędzy prądem chwilowym, stabilnym prądem pracy, wydajnością energii w stanie czuwania, kosztem oraz projektem EMC przełączanego zasilacza (SMPS) głównego zasilania SOC centralnego sterownika domeny (zasilanie od akumulatora do pierwszego przetworzenia) stają się dużym wyzwaniem przy projektowaniu zasilacza typu BUCK. Jak rozwiązać i zrównoważyć te konflikty to kierunek techniczny, w którym razem pracują architektura zasilacza impulsowego, układy scalone zasilania, cewki, tranzystory MOSFET oraz kondensatory.

Artykuł łączy projektowanie głównego zasilania centralnego sterownika domenowego do zastosowań motoryzacyjnych z dużym dynamicznym prądem przełączanego zasilacza impulsowego (100–300%), omawiając projektowanie przetwornic DC-DC, w tym rozwiązania zasilające oraz metody doboru dławików i kondensatorów. Przedstawiono i zrealizowano praktyczny projekt, biorąc pod uwagę wyzwania związane z objętością, kosztem, sprawnością i wydajnością.

W artykule tym, na przykładzie sterownika domenowego Qualcomm SA8295, omówiono i zrealizowano praktyczny projekt głównego przełączanego zasilacza typu BUCK.

Cykl ten składa się z trzech części (będzie sukcesywnie aktualizowany):

01- Dekodowanie projektu pierwszego etapu zasilania sterownika domenowego Qualcomm: Projekt i obliczenia zasilania (ten rozdział)

02- Dekodowanie projektu zasilania pierwszego etapu sterownika domenowego Qualcomm Automotive: Projekt schematu i projekt płytki PCB

03- Odkodowywanie projektu zasilania poziomu 1 sterownika domenowego Qualcomm: Analiza pomiarów testów wydajności

1- Cele i wyzwania projektowe

1.1 Wymagania dotyczące prądu chwilowego dla SA8295

Tabela 1: Wymagania projektowe zasilania SA8295

1.2 Wymagania dotyczące prądu oczekiwania SA8295

Pobór mocy w trybie oczekiwania układu scalonego Qualcomm 3,3 V wynosi od 4 do 7,5 mA (łącznie z poborem mocy przez samorefresh pamięci), obsługuje budzenie z trybu oczekiwania.

Centralny mózg (kontroler domeny kabiny) całkowity pobór prądu pojazdu 7-10 mA (13,5 V), sam moduł 4G/5G pobiera 4-5 mA, Qualcomm SA8295 prąd 13,5 V 3 mA (40 mW) lub mniej.

1.3 Trzy wyzwania

1.3.1 Wyzwanie 1: Przetężenie wyjściowe prądu zasilacza przełączającego kontrolera domeny Qualcomm SA8295

Duży prąd przejściowy, 3,3 V, 18 amperów (0,1 ms), 0,1 ms to już długi okres stanu ustalonego dla zasilacza impulsowego DC-DC, wymagający zaprojektowania zasilacza buck na stabilne wyjście 18 amperów.

1.3.2 Wyzwanie 2: Dynamiczna charakterystyka wysokiej jakości przełączającego zasilacza kontrolera domeny SA8295

Stała praca prądu kontrolera domeny SA8295 wynosi 5-9 amperów, co powoduje różnicę stałego prądu roboczego ponad 300% w zakresie indukcyjności zasilacza impulsowego (indukcyjność jest odwrotnie proporcjonalna do prądu znamionowego) pod względem objętości, kosztów i częstotliwości, co prowadzi do znaczących konfliktów.

1.3.3 Wyzwanie 3: Wysoka sprawność mikrozasilania przełączającego zasilacza kontrolera domeny SA8295

Zużycie mocy w trybie czuwania, przy sprawności 70% przy 13,5 V i 3 mA, stanowi ogromne wyzwanie dla architektury sterownika zasilania oraz projektowania doboru dławików.

To rozwiązanie oparte jest na wyzwaniu maksymalnego projektu zasilania głównego typu buck SA8295, badając kluczowe trudności rozwiązań technologicznych w zakresie zasilaczy impulsowych i technologii DC-DC.

2- Porównanie wyboru rozwiązania

2.1 Wymagania techniczne dotyczące zasilania kontrolera domeny Qualcomm SA8295

Jak pokazano w tabeli 2:

Tabela 2: Wymagania techniczne specyfikacji projektowej zasilania Qualcomm SA8295

2.2 Schemat projektowy i dokumentacja techniczna

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1 itp. mogą spełniać wymagania projektowe. W tym projekcie jako rozwiązanie zasilania głównego dla kontrolera domeny centralnej wybrano LM25149-Q1.

2.2.1 Oficjalny adres LM25149-Q1:

https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1

Tabela 3: Materiały referencyjne projektu LM25149-Q1

2.2.2 Karta katalogowa LM25149-Q1:

LM25149-Q1 42-V Motoryzacyjny kontroler synchronicznego obniżającego przetwornika DC/DC z ultra niskim IQ i zintegrowanym aktywnym filtrem EMI (Rev. B)

2.2.3 Płytka rozwojowa LM25149-Q1:

Podręcznik użytkownika zestawu ewaluacyjnego LM25149-Q1 (Rev. A) (ti.com.cn)

2.2.4 Stabilność i wydajność filtra aktywnego:

Jak zagwarantować stabilność i wydajność aktywnych filtrów EMI (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 Narzędzia projektowe :

Kalkulator LM5149-LM25149DESIGN-CALC | TI.com

3- Projektowanie i obliczanie zasilacza typu Synchronous BUCK

3.1 Główne specyfikacje i parametry projektowe LM25149

Tabela 4: Wymagania techniczne specyfikacji projektowej zasilania Qualcomm SA8295

Wydajność

Aktywne filtry EMI

Testowanie EMI

Schemat projektu referencyjnego

Płytka ewaluacyjna rozwiązania projektu referencyjnego

3.2 LM25149 Obliczenia doboru indukcyjności w przekształtniku synchronicznym typu BUCK

3.2.1 Wzór obliczeniowy dla zasilacza impulsowego synchronicznego typu BUCK:

Tabela 5: Formuły obliczeniowe projektu zasilania BUCK synchronicznego

3.3 Obliczenie minimalnej indukcyjności

(Formuła obliczeniowa, patrz tabela 5.)

Tabela 6: Wykres krzywej obliczania minimalnej indukcyjności (∆I=0,3)

Tabela 7: Obliczenie minimalnej indukcyjności

3.3.1 Podsumowanie danych do obliczenia indukcyjności:

① Jeśli projekt obejmuje zakres 6-20 A (obliczenie AI=0,3), przy napięciu wejściowym 16 V i prądzie wyjściowym 6 A, indukcyjność powinna wynosić ≥0,69 μH.

② Teoretyczne obliczenie minimalnej indukcyjności zasilacza impulsowego Lmin: ≥ 0,69μH (teoretycznie);

③ Biorąc pod uwagę rzeczywisty wybór projektu oraz tolerancję cewki ±20%, optymalnym wyborem są wartości 0,82 μH i 1,0 μH (zwiększenie indukcyjności wiąże się ze wzrostem rozmiaru, kosztu cewki oraz obniżeniem SRF).

3.4 Obliczenia prądu przez cewkę

(Formuła: patrz tabele 5, pozycje 1 i 2)

Tabela 8: Obliczenie prądu cewki 0,82μH

Tabela 9: Obliczenie prądu cewki 1,0μH

3.4.1 Teoretyczny prąd nasycenia cewki ≥ 20,76 A, zaokrąglony do 21 A:

Tabela 10: Dane techniczne dławika

4- Dobór dławika dla zasilacza impulsowego

Tabela 11: Dobór cewki indukcyjnej

4.1 Obliczenie rezystora pomiarowego prądu dla LM25149 w zasilaczu impulsowym

Tabela 12: Teoretyczne obliczenie rezystora pomiarowego prądu

Tabela 13: Dobór rezystora pomiarowego prądu

4.2 Obliczenie kondensatora wyjściowego dla synchronicznego zasilacza impulsowego typu BUCK

(Obliczenie kondensatora wyjściowego: zobacz równanie w Tabeli 5)

Tabela 14: Obliczenie kondensatora wyjściowego dla synchronicznego zasilacza impulsowego typu BUCK

W projektowaniu synchronicznych przełączanych zasilaczy buck istnieje kompromis między wydajnością, rozmiarem i kosztem kondensatorów wejściowych oraz wyjściowych. Badania specyfikacji kondensatorów przeprowadza się w określonych warunkach, a różnice w sprzęcie pomiarowym podczas testów mogą prowadzić do odchyłek rzędu 10–50% dla identycznych specyfikacji. Ostateczna wydajność projektu wymaga naukowego potwierdzenia i testowania poprzez proces debugowania (nie ma jednego optymalnego rozwiązania; jedynie wybór rozwiązania odpowiedniego dla konkretnego zastosowania).

Kondensatory przełączające muszą spełniać: Pojemność ≥ 320 uF (wymóg przeciążenia), pojemność kondensatora ceramicznego większa niż 2,435 uF (nie jest to warunek podstawowy, wystarczy spełnić wymóg).

Tabela 15: Zalecany wybór modeli kondensatorów wyjściowych dla zasilaczy impulsowych

Tabela 16: Projektowanie kondensatorów wyjściowych dla zasilaczy impulsowych

4.3 Obliczenie kondensatora wejściowego dla zasilacza LM25149

4.3.1 Obliczenia pojemności wejściowej

Tabela 17: Obliczenie kondensatora filtra wejściowego dla zasilacza impulsowego

Tabela 18: Dobór filtrów wyjściowych dla zasilaczy impulsowych

4.4 Obliczenia doboru tranzystorów Mosfet LM25149

4.4.1 Obliczenia MOSFET

Karta katalogowa LM25149 nie zawiera wielu obliczeń ani wytycznych doboru. Obliczenia i dobór QG oparte są na szacunkach empirycznych i dedukcji wstecznej. Wyniki obliczeń wskazują wartość Vgs równą 4,5-5,0 V oraz ≤22 nC. Proces obliczeniowy przedstawiono w poniższej tabeli. Platforma Millera przyjęta jako 2-3 V (również wartość bliska 3 V jest dopuszczalna), a Rdson wybrane jako ≤8 mΩ.

Tabela 19: Dobór i obliczenia tranzystorów Mosfet

4.5 Zalecenia dotyczące doboru tranzystorów Mosfet

Tabela 20: Modele doboru tranzystorów Mosfet

4.6 Obliczenia FB i kompensacji LM25149

Tabela 21: Obliczenia FB i kompensacji

4.7 Obliczenia projektowe EMC dla LM25149

Bez zagłębiania się w zbyt szczegółową analizę, należy odnieść się do specyfikacji.

5- Podsumowanie projektu

5.1 Podsumowanie projektowania i doboru zasilacza BUCK z użyciem LM25149

Tabela 22: Projekt i wybór

5.2 Podsumowanie rozwiązania

Wydajność i sprawność zasilaczy impulsowych synchronicznych zależą od wielu czynników. Właściwości i specyfikacje należy uwzględniać pod kątem warunków praktycznych. Rozdział ten służy do obliczeń teoretycznych, aby zapewnić wskazówki teoretyczne dla projektowania praktycznego. Właściwości i specyfikacje projektu są ściśle powiązane z wydajnością komponentów, warunkami użytkowania, rozmieszczeniem itp. oraz wymagają rygorystycznych testów i weryfikacji.

Projekt zasilania typu synchronous buck dla kontrolerów domenowych Qualcomm to trudna dziedzina projektowania kontrolerów, wymagająca równowagi między wydajnością, rozmiarem i kosztem. CODACA koncentruje się na niezależnych badaniach i rozwoju oraz projektowaniu dławików energetycznych i dławików przesłony przewodowej. Model CSEB0660-1R0M jest odpowiedni do tworzenia i zastosowań na platformie Qualcomm, oferując wysoką efektywność cenową, silną odporność na prąd nasycenia, niskie wydzielanie ciepła oraz wiodący w branży stosunek mocy do objętości. CODACA poświęca się badaniom technologicznym, innowacjom i tworzeniu doskonałych produktów dla przemysłu dławików, przyczyniając się do rozwoju i zastosowań produktów elektronicznych.