Desmistificando o Projeto da Fonte de Alimentação Nível 1 do Controlador de Domínio High Pass: Projeto e Cálculo da Fonte de Alimentação

O rápido desenvolvimento da indústria de veículos de nova energia impulsionou o crescimento explosivo de cada cadeia de suprimentos, a inteligência automotiva, a direção autônoma tornou-se a direção da competitividade central mais importante dos veículos elétricos, ao cérebro central altamente integrado e ao controlador de domínio traz novos desafios e oportunidades, especialmente para a confiabilidade da fonte chaveada DC-DC, alta densidade de potência, compatibilidade eletromagnética de fontes chaveadas, alta eficiência, custo-benefício trouxe novas oportunidades e desafios.

A Qualcomm, como fornecedora do controlador de domínio inteligente, SA8155 e SA8295 ocupa uma posição importante. O fornecimento de energia para o nível 1 do SOC central de controle do domínio (fonte de alimentação convertida a partir da entrada da bateria no nível 1) apresenta um grande desafio no design da fonte de alimentação BUCK devido à corrente transitória, corrente estável em operação, eficiência em modo standby, custo e contradições no projeto EMC da fonte de alimentação chaveada. Como resolver e equilibrar essas contradições é a direção técnica conjunta da arquitetura da fonte de alimentação chaveada, chip de alimentação, indutor, Mosfet e capacitor.

Este artigo combina o projeto automotivo de fonte de alimentação central de domínio nível 1 com corrente de chaveamento de grande dinâmica (100-300%), explorando o projeto de fonte de alimentação CC-CC, incluindo esquema de alimentação, seleção de indutores, capacitores e outros métodos de projeto; levando em consideração volume, custo, eficiência e desafios de desempenho para investigar e implementar um projeto prático.

Este artigo explora e implementa o projeto real de uma fonte de alimentação chaveada BUCK de uma etapa utilizando o controlador de domínio automotivo Qualcomm SA8295 como exemplo.

Esta série de artigos contém três partes (será atualizada continuamente no futuro):

01- Desvendando o Projeto de Fonte de Alimentação Nível 1 do Controlador de Domínio Automotivo Qualcomm: Projeto e Cálculo da Fonte de Alimentação (este capítulo)

02- Desmistificando o Projeto do Nível 1 de Fonte de Alimentação do Controlador de Domínio Automotivo da Qualcomm: Projeto Esquemático e Projeto de PCB

03- Decifrando o Projeto do Nível 1 de Fonte de Alimentação do Controlador de Domínio Automotivo da Qualcomm: Análise de Medição de Teste de Desempenho

1- Objetivos e Desafios de Projeto

1.1 Requisitos de Corrente Transitória SA8295

Tabela 1: Requisitos de Projeto da Fonte de Alimentação 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) orçamento total de corrente do veículo inteiro 7-10mA (13,5V), consumo individual do módulo 4G/5G 4-5mA, corrente do Qualcomm SA8295 13,5V dentro de 3mA (40mW).

1.3 Três desafios

1.3.1 Desafio na Saída da Corrente da Fonte Chaveada do SA8295 no Controlador de Domínio da Qualcomm - Desafio 1:

Grande corrente transitória, 3,3V, 18 Ampères (0,1ms), 0,1ms para fonte de alimentação chaveada CC-CC já pertence à saída em estado estacionário prolongado, necessita de fonte Buck projetada com base na saída estável de 18 Ampères.

1.3.2 Desafios dinâmicos de alta corrente da fonte chaveada do domínio controlado Qualcomm SA8295 2:

A corrente operacional estática no domínio de controle SA8295 varia entre 5 e 9 ampères, o que fará com que a indutância da fonte chaveada (indutância e corrente têm uma relação inversa proporcional) selecione tamanhos com diferença superior a 300% na corrente operacional estável, gerando maiores custos e contradições em frequência.

1.3.3 Desafios de eficiência micropotência da fonte chaveada do domínio controlado Qualcomm SA8295 3:

Consumo em standby, necessita de eficiência de consumo de 3mA com 13,5V em 70%, o que representa também um grande desafio para a arquitetura do controlador de potência e projeto de seleção do indutor.

Este design é baseado no design do mais desafiador fornecimento de energia tipo Buck de um nível SA8295, para explorar as dificuldades centrais da fonte de alimentação chaveada e soluções tecnológicas DC-DC.

2- Comparação da seleção do programa

2.1 Requisitos técnicos do fornecimento de energia do controle de domínio Qualcomm SA8295

Conforme mostrado na tabela 2:

Tabela 2: Especificações técnicas exigidas para o projeto de alimentação da Qualcomm SA8295

2.2 Projeto do programa e informações técnicas

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 e LM25149-Q1 podem atender aos requisitos de projeto. Neste projeto, o LM25149-Q1 foi escolhido como esquema de projeto da fonte de alimentação de primeiro nível para este controlador de domínio central.

2.2.1 Endereço oficial do LM25149-Q1:

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

Tabela 3: Referências de projeto do LM25149-Q1

2.2.2 Datasheet do LM25149-Q1:

LM25149-Q1 42-V Automotivo, Síncrono, Buck, Controlador CC/CC com IQ Ultra-Baixo e Filtro Ativo de EMI Integrado folha de dados (Rev. B)

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: Especificações exigidas para o projeto da fonte 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: Equação de cálculo do projeto de fonte BUCK síncrona

3.4 Cálculo da Indutância Mínima

(Para fórmulas, consulte a Tabela 5.)

Tabela 6: Gráfico calculado da indutância mínima (∆I=0,3)

Tabela 7: Cálculo da indutância mínima

3.4.1 Resumo dos dados do cálculo da indutância:

① Se o projeto cobrir a faixa de 6-20A (cálculo AI=0,3), entrada de 16V, saída de 6A, indutância ≥ 0,69μH.

② Cálculo teórico da indutância Lmin para fonte chaveada: ≥ 0,69μH (teórico);

③ Considerando a seleção real no projeto e erro de indutância ±20%, selecione 0,82μH e 1,0μH como melhor projeto (valor da indutância aumenta, volume da indutância aumenta, custo aumenta, SRF diminui).

3.5 Cálculos da Corrente do Indutor

(Fórmula: consultar tabelas 1 e 2 da tabela 5)

Tabela 8: Cálculo da Corrente do Indutor de 0,82μH

Tabela 9: Cálculo da Corrente do Indutor de 1,0μH

3.5.1 Corrente de saturação teórica calculada do indutor ≥ 20,76A, arredondado para 21A:

Tabela 10: Indicadores de Indutância

4- Seleção do indutor para fonte de alimentação chaveada

Tabela 11: Seleção do Indutor

4.1 Cálculo da resistência de amostragem da corrente do indutor da fonte de alimentação chaveada LM25149

Tabela 12: Cálculo teórico da resistência de amostragem da corrente do indutor

Tabela 13: Seleção do Resistor de Amostragem Indutivo

4.2 Cálculo da capacitância de saída da fonte de alimentação chaveada BUCK síncrona

(Cálculo da capacitância de saída: consultar a fórmula na Tabela 5)

Tabela 14: Cálculo da capacitância de saída da fonte de alimentação chaveada BUCK síncrona

No projeto de fonte de alimentação chaveada BUCK síncrona, há uma contradição entre o desempenho, volume e custo dos capacitores do filtro de entrada e saída. O índice de especificação da capacitância é testado sob condições específicas; devido às diferenças nos instrumentos utilizados no processo de teste, pode haver uma variação de 10 a 50% nos mesmos indicadores. O desempenho final do projeto precisa ser verificado durante o processo de depuração científico e testes (não existe solução ótima para o projeto, apenas a escolha adequada ao cenário aplicável) (Não há uma solução ideal para o projeto, apenas uma escolha adequada ao cenário específico).

Os capacitores de comutação precisam atender: capacitância ≥ 320uF (requisito de overshoot), capacitância do capacitor cerâmico maior que 2,435uF (condição não crítica, desejável atender)

Tabela 15: Seleção Recomendada de Modelos para Capacitores de Filtro na Saída da Fonte de Alimentação Chaveada

Tabela 16: Projeto do capacitor de filtro de saída da fonte de alimentação chaveada

4.3 Cálculo da Capacitância de Entrada da Fonte LM25149

4.3.1 Cálculos da Capacitância de Entrada

Tabela 17: Cálculos da Capacitância do Filtro de Entrada para Fonte Chaveada

Tabela 18: Seleção do Filtro de Saída para Fonte Chaveada

4.4 Cálculo para Seleção do Mosfet LM25149

4.4.1 Cálculos do Mosfet

A folha de dados (datasheet) do LM25149 não apresenta muitos cálculos e cálculos de seleção, sendo os cálculos de QG realizados com base em estimativas empíricas inversas. Os resultados dos cálculos selecionam Vgs de 4,5-5,0V, QG ≤ 22nC. O processo de cálculo refere-se à tabela a seguir, selecionando o plateau de Miller entre 2-3V (também é aceitável próximo de 3V). Para Rdson, selecionar ≤ 8mΩ.

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

4.7 LM25149 cálculos do projeto EMC

Sem analisar excessivamente, consulte a especificação.

5- Resumo do Projeto

5.1 LM25149BUCK resumo da seleção do projeto de alimentação

Tabela 22: Projeto e Seleção

5.2 Resumo do Programa

O desempenho e eficiência da fonte de alimentação comutada síncrona são afetados por muitos fatores, o desempenho e indicadores devem levar em consideração os fatores reais, este capítulo é utilizado para cálculos teóricos, orientação teórica sobre o projeto real, o desempenho e indicadores do projeto estão fortemente relacionados ao desempenho dos componentes, às condições de utilização, ao layout, etc., sendo necessário realizar testes e verificações rigorosos.

O design de fonte de alimentação síncrona buck para controlador de domínio de alta frequência é uma área técnica complexa da tecnologia de projeto de controladores, necessitando equilibrar desempenho, volume e custo. A Kodak Ka dedica-se à pesquisa independente e ao desenvolvimento de indutores. O modelo CSEB0660-1R0M é adequado para o desenvolvimento e aplicação da plataforma de alta frequência, possui alto custo-benefício, forte resistência à corrente de saturação, baixo aquecimento e outras vantagens técnicas, apresentando uma proporção potência/volume líder no setor; a Kodak Ka concentra-se na inovação tecnológica e no desenvolvimento de produtos excelentes para a indústria de indutores, contribuindo para o desenvolvimento e aplicação de produtos eletrônicos.