All Categories
Home> Aktualności> Notatka aplikacyjna

Omówienie projektu zasilania poziomu 1 kontrolera domenowego Qualcomm: projekt schematu i PCB

2025-07-09

Szybki rozwój przemysłu pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii doprowadził do gwałtownego wzrostu w całej linii łańcucha dostaw. Inteligentne funkcje pojazdów i jazda autonomiczna stały się najważniejszym kierunkiem rozwoju pojazdów elektrycznych, a dla wysoko zintegrowanego centralnego komputera i kontrolera domeny niosą ze sobą zarówno nowe wyzwania, jak i możliwości. Szczególnie dla niezawodności zasilaczy impulsowych DC-DC, dużej gęstości mocy, kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) zasilaczy impulsowych, wysokiej sprawności oraz opłacalności powstają nowe szanse i wyzwania.

1(c1968953c7).png

Qualcomm jako dostawca kontrolera inteligentnej kabiny, SA8155 oraz SA8295 zajmuje ważne miejsce, przepływ prądu w zasilaniu SOC poziomu 1 (zasilanie przekształcane z wejścia akumulatora poziomu 1) prąd przejściowy, stabilny prąd roboczy, sprawność w stanie oczekiwania, koszt oraz sprzeczność pomiędzy projektowaniem EMC a zasilaczem impulsowym stały się ogromnym wyzwaniem dla projektowania zasilacza BUCK. Jak rozwiązać i zrównoważyć te sprzeczności to architektura zasilacza impulsowego, układy scalone zasilające, cewki indukcyjne, Mosfet, producenci kondensatorów wspólnie działają w kierunku technologii.

W tym artykule omówiono projektowanie zasilacza impulsowego DC-DC na poziomie centralnej domeny samochodowej z dużym dynamicznym prądem przełączania (100–300%), w tym dobór schematu zasilania, cewek indukcyjnych, kondensatorów oraz inne metody projektowania, uwzględniając wyzwania związane z objętością, kosztem, efektywnością i wydajnością w rzeczywistych warunkach projektowych.

Na przykładzie kontrolera domenowego Qualcomm SA8295 rozdział ten omawia oraz realizuje rzeczywiste zaprojektowanie głównego zasilacza typu BUCK.

Do zrozumienia tego rozdziału potrzebna jest gruntowna znajomość pierwszej części cyklu (szczegółowo omawiającej teorię i obliczenia dotyczące zasilaczy impulsowych BUCK), a następnie zostaje przedstawione szczegółowe zaprojektowanie zasilacza BUCK na bazie układu LM25149.

Cykl ten zawiera trzy części (kolejne aktualizacje będą publikowane):

01-Gru-2023 – Omówienie projektu zasilacza poziomu 1 kontrolera domeny samochodowej Qualcomm: Projektowanie i obliczanie zasilacza (opublikowane)

02-Rozszyfrowywanie projektu zasilania na poziomie 1 kontrolera domenowego Qualcomm Automotive: Projekt schematu i projekt PCB (ten rozdział )

03-Rozszyfrowywanie projektu zasilania na poziomie 1 kontrolera domenowego Qualcomm Automotive: Analiza pomiarów testów wydajności (wkrótce zostanie opublikowana)

1- Cele i wyzwania projektowania

1.1 Wymagania dotyczące prądu chwilowego SA8295

1(e079d503b8).png

Tabela 1: Wymagania projektowe zasilania SA8295

Uwaga: Najnowszy projekt SA8295 wymaga 21A (1 NPU) i 24A (2 NPU), co pokrywa ten projekt (ochrona przed przeciążeniem przy 30A)

1.2 Cele projektu

Ten projekt wykorzystuje LM25149 do zaprojektowania głównego zasilania dla kontrolera domenowego , zapewniająca chwilowy prąd o natężeniu 24A (100µs) i spełniająca wymagania dotyczące trwałego stanu pracy powyżej 10A, osiągając równowagę między rozmiarem, kosztem i wydajnością.

Uwaga: Chwilowy wzrost prądu nie powoduje problemów termicznych (dla Qualcomm SA8295 czas trwania chwilowego prądu wynosi jedynie 100µs). Jednak wysoki prąd w stanie ustalonym może prowadzić do zwiększenia wzrostu temperatury, dlatego należy ocenić wpływ właściwości termicznych (rozwiązanie projektowe należy dobierać na podstawie rzeczywistych warunków środowiskowych).

2- Schemat i projekt PCB

2.1 Dobór podstawowych komponentów

Kryteria doboru komponentów dla zasilacza impulsowego na poziomie kontrolera domeny: priorytetem jest wydajność, przy jednoczesnym uwzględnieniu kosztów oraz zmniejszeniu powierzchni płyty PCB; należy wziąć pod uwagę zagadnienia związane z zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMC) oraz pętlami prądowymi typowymi dla zasilaczy BUCK, zgodnie z ogólną teorią i zasadami projektowania zasilaczy impulsowych typu BUCK, można odnieść się do ogólnych metod projektowania.

Zobacz rozdział 1 dotyczącego doboru i obliczeń elementów elektronicznych (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculations)

W tym projekcie wybrano opcję 2 (wykorzystanie ośmiu ceramicznych kondensatorów 47uF w obudowie C1210). Projekt nie ogranicza się do tego wyboru, projekt produktu może zostać dostosowany zgodnie z konkretną sytuacją modelową oraz zoptymalizowany na podstawie rzeczywistych wyników testów.

3.png

Tabela 2: Zasilacz typu BUCK - projekt rozwiązania

2.1.1 Zasilacz typu BUCK - dobór tranzystorów MOSFET

4.png

Tabela 3: Zasilacz typu BUCK - dobór tranzystorów MOSFET

2.1.2 Zasilacz typu BUCK - dobór dławika

Dobór dławika z użyciem numeru modelu: VSEB0660-1R0MV

5、.png

Tabela 4: Dobór dławika

2.1.3 Zasilacz typu BUCK - dobór kondensatora filtrującego wyjścia

6.png

Tabela 5: Zasilacz typu BUCK - dobór kondensatora filtrującego wyjścia

2.1.4 Zasilacz BUCK - dobór kondensatora wejściowego filtra

7.png

Tabela 6: Zasilacz BUCK - dobór kondensatora wejściowego filtra

2.2 Projektowanie schematu i PCB za pomocą narzędzi projektowych

2.2.1 Schemat i projekt PCB: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)

8.png

Rysunek 1 Wprowadzenie do Caritron EDA

Jialitron EDA to wiodące bezpłatne narzędzie do projektowania EDA, potężne i wydajne. W tym projekcie zastosowano Jialitron EDA do zaprojektowania schematu i płytki PCB.

2.3 Zasilacz BUCK - projekt schematu elektrycznego

2.3.1 Zasilacz BUCK - projekt schematu elektrycznego

Projekt schematu oparty jest na karcie katalogowej LM25149-Q1 oraz oficjalnej płytce ewaluacyjnej; projekt ten spełnia podstawową teorię zasilacza impulsowego typu BUCK oraz wymagania projektowe zasilania pierwszego stopnia dla kontrolera obszarów wysokiego napięcia.

9.png

Rysunek 2 Schemat LM25149

2.3.2 Zasilacz BUCK - Projektowanie schematów technologicznych

Obwód EMC portu wejściowego:

10.png

Punkty techniczne:

Głównym zadaniem L1 jest zmniejszenie wpływu zakłóceń wywołanych przez zasilacz impulsowy na źródło napięcia wejściowego; częstotliwość przełączania zasilacza impulsowego wynosi 2,2 MHz. L1 oraz C23 tworzą obwód filtrujący LC (C16 to kondensator elektrolityczny pracujący poniżej 500 kHz), który redukuje zakłócenia o częstotliwości 2,2 MHz o 60 dB.

11.png

C21 zmniejsza szumy przełączające (tzw. ringing na zboczu narastającym i opadającym tranzystora mocy) oraz głównie redukuje zakłócenia EMC w paśmie 10–100 MHz.

Jeśli C21 i C23 znajdują się przed zabezpieczeniem zasilania, należy wybrać kondensatory zakończone elastycznymi przewodami. Jeśli są one chronione, można zastosować kondensatory o klasie automotywowej. Alternatywnie można także połączyć dwa kondensatory szeregowo i ustawić je ortogonalnie, aby osiągnąć podobny mechanizm ochrony.

Dla tranzystorów mocy typu MOSFET i kondensatora wejściowego LM25149 pojemność sprzęgająca ma takie same wymagania, projekt ten nie jest wykorzystywany do weryfikacji wydajności, należy użyć pojedynczego kondensatora ceramicznego, projekt na poziomie produktu powinien odpowiadać wymogom stosowanym w przemyśle motoryzacyjnym.

Uwaga: Aktywne eliminowanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMC) oraz technologia podwójnego przypadkowego rozpraszania widma w układzie LM25419 pozwalają jedynie w pewnym stopniu zmniejszyć amplitudę EMC, ale nie umożliwiają całkowitego jej usunięcia. W przypadku częstotliwości przełączania wynoszącej 2,2 MHz oraz zastosowań związanych z dużymi prądami (≥10 A), istnieje ryzyko przekroczenia normy. Decyzję należy podjąć na podstawie rzeczywistych testów – jeśli usunięcie kondensatora C23 nadal umożliwi spełnienie wymagań dotyczących promieniowania i przewodzenia, jego zastosowanie można pominąć, co obniży koszty.

12.png

Kondensatory wejściowe zasilacza typu BUCK:

13.png

C2, C3 dla pojemności wejściowej zasilania BUCK, dla przełączającego zasilacza parametry EMC są krytyczne, wybór pojemności 10uF przy częstotliwości 2MHz i impedancji ≤ 5mΩ, modele CGA4J1X8L1A106K125AC oraz CGA6P1X7S1A476M250AC mają dobre parametry techniczne do odniesienia, pojemność można wybrać z dielektrykiem X7R, napięcie wytrzymałe 35V/50V, obudowy C1210 i C1206 są dopuszczalne. W tym projektowaniu wybrano obudowę C1210, co umożliwia przetestowanie większej liczby modeli w celu weryfikacji właściwości.

C4 dla kondensatorów EMC o wysokiej częstotliwości przełączania, wybierz 50V X7R, obudowa C0402 jest dopuszczalna.

C2, C3, C4, przy układaniu ścieżek należy zwrócić uwagę na pętlę prądową (zobacz szczegóły rozmieszczenia), zgodnie z podstawowymi wymaganiami i teorią projektowania pojemności wejściowej zasilania BUCK, warto poznać teorię zasilaczy impulsowych typu BUCK, aby lepiej zrozumieć rolę pojemności wejściowej.

TP7, TP9, TP13 służą do testowania przełącznika TG, BG i sygnałów SW, służą do testowania uzasadnienia czasu martwego, właściwości oscylacyjnych oraz wzrostu i opadania wydajności MOSFET, jest ważnym wskaźnikiem elektrycznej wydajności zasilacza impulsowego.

Punkt pomiarowy GND TP służy do zmniejszenia pętli uziemienia podczas pomiarów oscyloskopem i poprawy dokładności pomiarów, a układ musi być umieszczony możliwie najbliżej punktu pomiarowego odpowiednich sygnałów testowych.

Rezystor sterujący bramki MOSFET:

14.png

R1 i R2 to rezystory sterujące bramki MOSFET, które mają istotny wpływ na narastanie i opadanie zboczy tranzystora MOSFET.

Wybór R1, R2 jest kontrolowany przez prąd wyjściowy kontrolera mocy BUCK (rezystory PULL i PUSH), impedancję bramki tranzystora MOSFET oraz jego charakterystykę ładowania (pojemność wejściowa CISS) – wszystkie te czynniki wpływają na początkowy wybór całkowitej sumy rezystancji ≤ 10 omów. Wybór zależy również od charakterystyki ładowania, dlatego ostatecznie wymaga precyzyjnego dostrajania i dobrania odpowiedniej wartości rezystancji.

R1 i R2 to także najważniejsze parametry wpływające na zakłócenia przełączające EMC, a jednocześnie czynniki wpływające na straty przełączania w obwodzie głównym. W praktyce należy zrównoważyć sprawność (grzanie tranzystora MOSFET) i EMC, aby osiągnąć punkt równowagi.

Uwaga: 6 punktów testowych do pomiaru charakterystyki przełączania oraz czasu martwego.

Pętla mocy wyjściowej:

15.png

Wybór indukcyjności: Dobór indukcyjności opiera się na dwóch głównych kryteriach:

- Prąd pracy chwilowy: zdolność do chwilowego dostarczenia 21 (24) A (czas: 100 μs);

-Prąd pracy w stanie ustalonym: 10A, zdolny do stabilnej pracy przy prądzie 10A (w warunkach temperatury otoczenia do 85°);

-Czas trwania prądu pracy impulsowego ≤ 100us, występuje w fazie uruchamiania, konieczne jest jedynie zapewnienie, że dławik nie osiągnie nasycenia (spełnienie wymagań wartości indukcyjności przy danym prądzie).

Wybór rezystora pomiarowego: wybór rezystora pomiarowego w obudowie R1206, rozpraszana moc cieplna ≥ 0,5W;

Wybór kondensatorów: zobacz rozdział dotyczący pojemności filtra wyjściowego w pierwszej części tej dokumentacji;

Obwód sprzężenia zwrotnego:

16.png

Układ LM25149 posiada konfigurację z wyjściem stałym oraz konfigurację ze sprzężeniem zwrotnym, szczegóły znajdują się w dokumentacji technicznej;

Rezystor R14l podłączony do VDDA, wyjście 3,3V

R14=24,9K, wyjście 5,0V

R14=49,9K, wyjście 12,0V

Nie montować R14, rezystory R9 i R10 służą do konfiguracji napięcia wyjścia;

R19 i zarezerwowane TP3, TP4: do testowania, zapas fazy, częstotliwość graniczna itp.

Uwaga: TP3 i TP4 są używane do testowania, zapasu fazy, częstotliwości granicznej itp.

Ustawienie funkcji:

17.png

EN: Sygnał enable, ≥1,0 V włącza zasilanie, może być stosowany do precyzyjnej ochrony przed niedowolnym napięciem;

Sync-PG: Synchronizacja/Power Good, ten projekt jest używany jako Power Good;

PFM/SYNC

-Domyślny (NC) mostek: Analog diodowy, małe wyjście prądowe, może pracować z wysoką efektywnością;

-Zwarcie mostka do masy, wymuszenie trybu CCM;

Ustawienia trybu pracy układu: łącznie pięć trybów pracy (zobacz specyfikację)

2,4 Zasilanie BUCK - projekt płytki PCB

2.4.1 Zasilanie BUCK - projekt płytki PCB

-TOP

18.png

-GND

19.png

-Sygnał

20.png

-Bottom

21.png

2.4.2 Zasilanie BUCK - projekt płytki PCB z naciskiem na technologię

Pętle pojemności wejściowej i wyjściowej:

Pojemność wejściowa i wyjściowa zasilania BUCK powinna utrzymywać minimalną pętlę, co ma istotny wpływ na kompatybilność elektromagnetyczną (EMC);

Kondensator C4 służy głównie do tłumienia szumów związanych z narastaniem i opadaniem impulsów przełączania.

22.png

Tranzystory MOSFET i pętle indukcyjne:

Stosowanie MOSFET-ów dwu-w-jednym zmniejsza powierzchnię layoutu i obniża koszt, jednak wadą jest to, że Layout SW nie może zachować minimalnej pętli;

Punkt SW w MOSFET-ie dwu-w-jednym nie umożliwia prowadzenia ścieżki na tej samej warstwie PCB, konieczna jest zmiana warstwy w celu ułożenia płaszczyzny, aby zapewnić ciągłość prądu zasilania.

23.png

Prąd pomiarowy:

Dla prądu pomiarowego wymagane jest prowadzenie różnicowe z odniesieniem do płaszczyzny GND;

Kontrola impedancji i wyrównanie długości nie są wymagane, ścieżki zachowują minimalne odstępy w Layout-ie.

24.png

FB - Sprzężenie zwrotne:

Rezystory i inne elementy powinny być umieszczone blisko pinów układu sterującego.

Chłodzenie i GND:

Elementy generujące ciepło: tranzystory MOSFET, dławiki i rezystory pomiarowe, można odpowiednio zwiększyć powierzchnię płaszczyzny w celu lepszego odprowadzania ciepła, a dodatkowe otwory GND mogą pomóc w poprawie warunków chłodzenia całej wersji.

25.png

3- Stopniowo Sterowane Zasilacze BUCK Poziomu 1 - Podsumowanie

3.1 Rysunek 3D

26.png

figura 3D-1

27.png

figura 3D-2

3.2 Podsumowanie projektu

Projekt zasilacza impulsowego oparty jest na konstrukcji 4-warstwowej z grubością PCB 1,6 mm i wymiarami 30X65 mm;

Prąd wyjściowy może spełniać wymagania maksymalnego prądu chwilowego Qualcomm SA8295 wynoszącego 24 A, wspiera pracę ciągłą o wartości 10 A lub więcej.

4- O firmie Codaca Elektronika

Codaca specjalizuje się w samodzielnym badaniu i rozwoju cewek indukcyjnych, ich projektowaniu i produkcji, model VSEB0660-1R0M nadaje się do rozwoju i zastosowań na platformie Qualcomm. Posiada on zalety technologiczne takie jak wysoka efektywność cenowa, wysoka odporność na prąd nasycenia, niska emisja ciepła oraz liderujące na rynku stosunek mocy do objętości. Codaca skupia się na badaniach i rozwoju technologii, innowacjach technologicznych oraz tworzeniu doskonałych produktów dla przemysłu cewkowego, wspomagając rozwój i zastosowania produktów elektronicznych.

5- Testy i weryfikacja

Aby uzyskać weryfikację testu dalszego postępowania, prosimy odnieść się do: 03-Decoding Projekt zasilania na poziomie kontrolera domeny samochodowej Qualcomma: Analiza pomiarów testowych wydajności (wkrótce zostanie opublikowane)

[Odniesienie]

1.LM25149-Q1:ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1

2.BUK9K6R2-40E: https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E