EN
Links Rápidos
O rápido desenvolvimento da indústria de veículos de nova energia impulsionou um crescimento explosivo em várias cadeias industriais. A inteligência veicular e a condução autônoma tornaram-se as direções de vantagem competitiva mais críticas para veículos de nova energia, trazendo novos desafios e oportunidades para cérebros centrais altamente integrados e controladores de domínio, especialmente em termos de confiabilidade, alta densidade de potência, compatibilidade eletromagnética (EMC) de fontes chaveadas DC-DC, alta eficiência e alto desempenho custo-benefício.
A Qualcomm, como fornecedora de controladores de domínio para cabine inteligente, detém uma posição significativa com os modelos SA8155 e SA8295. Os conflitos entre a corrente transitória, corrente estável em operação, eficiência de energia em espera, custo e projeto EMC de fonte chaveada (SMPS) da alimentação primária do SoC do controlador de domínio central (energia da entrada da bateria até a conversão primária) tornam-se um grande desafio para o projeto de fontes BUCK. Como resolver e equilibrar esses conflitos é a direção técnica na qual a arquitetura de fonte chaveada, circuitos integrados de potência, indutores, MOSFETs e capacitores atuam em conjunto.
Este artigo combina o design da alimentação principal do controlador de domínio central para aplicações automotivas com corrente de fonte chaveada de grande dinâmica (100-300%), explorando o projeto de fontes chaveadas DC-DC, incluindo soluções de alimentação e métodos de seleção de indutores e capacitores. Discute e implementa um design prático, abordando desafios relacionados a volume, custo, eficiência e desempenho.
Este artigo utiliza o controlador de domínio SA8295 da Qualcomm como exemplo para explorar e implementar o design prático da fonte chaveada BUCK primária.
Esta série de artigos compreende três partes (a serem atualizadas continuamente):
01- Decodificando o Projeto da Fonte de Alimentação de Primeiro Estágio do Controlador de Domínio Automotivo Qualcomm: Projeto e Cálculo da Fonte de Alimentação (este capítulo)
1- Objetivos e Desafios de Projeto
1.1 Requisitos de Corrente Transitória para o SA8295
Tabela 1: Requisitos de Projeto de Alimentação do SA8295
1.2 Requisitos de Corrente em Espera do SA8295
Consumo de energia em modo de espera da fonte de alimentação de 3,3V do SOC Qualcomm dentro de 4-7,5mA (incluindo consumo de energia no autorefresh da memória), suporte ao despertar em modo de espera.
Cérebro Central (Controlador de Domínio da Cabine) consome um orçamento atual total do veículo de 7-10mA (13,5V), sendo que o módulo 4G/5G consome sozinho 4-5mA, e o Qualcomm SA8295 tem corrente de 3mA (40mW) ou menos em 13,5V.
1.3 Três desafios
1.3.1 Desafio 1: Saída de corrente do conversor chaveado do Controlador de Domínio Qualcomm SA8295
Grande corrente transitória, 3,3V, 18 amperes (0,1ms), onde 0,1ms já é um período longo para saída em regime permanente de uma fonte chaveada CC-CC, exigindo que a fonte abaixadora seja projetada para saída estável de 18 amperes.
1.3.2 Desafio 2: Dinâmica do Conversor Chaveado do Controlador de Domínio de Alta Qualidade SA8295
A corrente de trabalho em regime permanente do controlador de domínio SA8295 é de 5-9 amperes, o que causará uma diferença de corrente de trabalho estável superior a 300% no indutor da fonte chaveada (a indutância é inversamente proporcional à corrente nominal) em termos de volume, custo e frequência, resultando em conflitos significativos.
1.3.3 Desafio 3: Eficiência em Micro-Potência do Conversor Chaveado do Controlador de Domínio de Alta Qualidade SA8295
O consumo de energia em espera, com uma eficiência de 70% a 13,5 V e 3 mA, representa um grande desafio para a arquitetura do controlador de fonte de alimentação e o projeto de seleção do indutor.
Este projeto baseia-se no desafio do projeto máximo da fonte buck primária SA8295, explorando as principais dificuldades das soluções tecnológicas de fontes chaveadas e de conversão CC-CC.
2- Comparação na Seleção de Soluções
2.1 Requisitos técnicos do fornecimento de energia do controle de domínio Qualcomm SA8295
Conforme mostrado na tabela 2:
Tabela 2: Requisitos Técnicos do Projeto de Alimentação Qualcomm SA8295
2.2 Esquema de Projeto e Documentos Técnicos
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1, etc., podem todos atender aos requisitos de projeto. Este projeto seleciona o LM25149-Q1 como esquema de projeto da fonte primária para o controlador do domínio central neste projeto.
2.2.1 Endereço oficial do LM25149-Q1:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
Tabela 3: Materiais de Referência do Projeto LM25149-Q1
2.2.2 Folha de Especificações do LM25149-Q1:
2.2.3 Placa de desenvolvimento LM25149-Q1:
Guia do usuário do EVM LM25149-Q1 (Rev. A) (ti.com.cn)
2.2.4 Estabilidade e desempenho do filtro ativo:
Como garantir a estabilidade e o desempenho dos filtros ativos de EMI (ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 Ferramentas de Design :
LM5149-LM25149DESIGN-CALC Ferramenta de cálculo | TI.com
3- Projeto e cálculo da fonte de alimentação Síncrona BUCK
3.1 Especificações principais e parâmetros de projeto do LM25149
Tabela 4: Requisitos de Especificações Técnicas do Projeto de Alimentação Qualcomm SA8295
Eficiência
Filtros EMI Ativos
Teste de EMI
Diagrama do Projeto de Referência
Placa de Avaliação da Solução de Projeto de Referência
3.2 Cálculo da Seleção do Indutor LM25149 BUCK Síncrono
3.2.1 Fórmula de fonte de alimentação chaveada BUCK síncrona:
Tabela 5: Fórmulas de Cálculo para Projeto de Fonte Buck Síncrona
3.3 Cálculo da Indutância Mínima
(Fórmula de cálculo, ver Tabela 5.)
Tabela 6: Gráfico curva de cálculo da indutância mínima (∆I=0,3)
Tabela 7: Cálculo da indutância mínima
3.3.1 Resumo dos dados de cálculo da indutância:
① Se o projeto abranger a faixa de 6-20A (cálculo com AI=0,3), com entrada de 16V e saída de 6A, a indutância deve ser ≥0,69μH.
② Cálculo teórico da indutância Lmin para fonte chaveada: ≥ 0,69μH (teórico);
③ Considerando a seleção real do projeto e tolerância do indutor ±20%, escolha 0,82μH e 1,0μH como projeto ideal (aumentar o valor da indutância aumenta o tamanho e custo do indutor, e reduz a SRF).
3.4 Cálculos de Corrente do Indutor
(Fórmula: consultar tabelas 5, itens 1 e 2)
Tabela 8: Cálculo da Corrente do Indutor de 0,82μH
Tabela 9: Cálculo da Corrente do Indutor de 1,0μH
3.4.1 Corrente de saturação teórica do indutor ≥ 20,76A, arredondada para 21A:
Tabela 10: Especificações do indutor
4- Seleção de indutor para fonte chaveada
Tabela 11: Seleção do Indutor
4.1 Cálculo do resistor de amostragem de corrente para fonte chaveada LM25149
Tabela 12: Cálculo teórico do resistor de amostragem de corrente
Tabela 13: Seleção do resistor de amostragem de corrente
4.2 Cálculo do capacitor de saída para fonte chaveada BUCK síncrona
(Cálculo do capacitor de saída: Consulte a equação na Tabela 5)
Tabela 14: Cálculo do capacitor de saída para fonte chaveada BUCK síncrona
Para projetos de fontes chaveadas síncronas abaixadoras, existe uma compensação entre o desempenho, o tamanho e o custo dos capacitores de filtro de entrada e saída. Os testes de especificação de capacitores são realizados sob condições específicas, e variações nos instrumentos durante os testes podem gerar discrepâncias de 10–50% para especificações idênticas. O desempenho final do projeto exige validação científica e testes ao longo do processo de depuração (não existe uma única solução ideal; apenas a seleção de um esquema adequado para a aplicação específica).
Os capacitores chaveados precisam atender: Capacidade ≥ 320uF (requisito de overshoot), capacitor cerâmico com capacidade maior que 2,435uF (não é uma condição essencial, sendo suficiente atender ao requisito).
Tabela 15: Seleção Recomendada de Modelos de Capacitores de Filtro de Saída para Fontes Chaveadas
Tabela 16: Projeto de Capacitores de Filtro de Saída para Fontes Chaveadas
4.3 Cálculo do Capacitor de Entrada para a fonte LM25149
4.3.1 Cálculos da Capacitância de Entrada
Tabela 17: Cálculo do Capacitor de Filtro de Entrada para Fonte Chaveada
Tabela 18: Seleção de Filtros de Saída para Fontes Chaveadas
4.4 Cálculo para Seleção do Mosfet LM25149
4.4.1 Cálculo de MOSFET
A folha de dados do LM25149 não inclui muitos cálculos e seleções. Os cálculos e seleções de QG baseiam-se em estimativas empíricas e deduções reversas. Os resultados dos cálculos indicam um valor de Vgs de 4,5-5,0 V e ≤22 nC. O processo de cálculo é mostrado na tabela abaixo. A plataforma Miller é selecionada como 2-3 V (também é aceitável próximo a 3 V), e Rdson é selecionado como ≤8 mΩ.
Tabela 19: Seleção e Cálculos do Mosfet
4.5 Recomendações para Seleção do Mosfet
Tabela 20: Modelos de Seleção do Mosfet
4.6 Cálculos do FB e de Compensação do LM25149
Tabela 21: Cálculos de FB e compensação
5.7 Cálculo de Projeto EMC do LM25149
Sem entrar em muita análise, consulte as especificações.
5- Resumo do Projeto
5.1 Resumo do Projeto e Seleção da Fonte Chaveada BUCK LM25149
Tabela 22: Projeto e Seleção
5.2 Resumo da Solução
O desempenho e a eficiência das fontes chaveadas síncronas são afetados por diversos fatores. O desempenho e as especificações precisam levar em conta aspectos práticos. Este capítulo é utilizado para cálculos teóricos, fornecendo orientação teórica para o projeto prático. O desempenho e as especificações do projeto estão fortemente relacionados ao desempenho dos componentes, condições de uso, layout, etc., e exigem testes e verificações rigorosos.
O design de fonte buck síncrona para controladores domésticos Qualcomm é uma área desafiadora do projeto de controladores, exigindo equilíbrio entre desempenho, tamanho e custo. A CODACA concentra-se em P&D independente e projeto de indutores de potência e bobinas de modo comum. O CSEB0660-1R0M é adequado para o desenvolvimento e aplicações da plataforma Qualcomm, oferecendo alta relação custo-benefício, forte resistência à corrente de saturação, baixa geração de calor e relação potência-volume líder no setor. A CODACA dedica-se à pesquisa, desenvolvimento e inovação tecnológica, criando produtos excelentes para a indústria de indutores e contribuindo para o desenvolvimento e aplicação de produtos eletrônicos.