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O rápido desenvolvimento da indústria de veículos elétricos impulsionou o crescimento explosivo de cada cadeia de suprimentos, a inteligência automotiva e a condução autônoma tornaram-se a direção da competitividade central mais importante dos veículos elétricos, trazendo novos desafios e oportunidades para a confiabilidade da fonte de alimentação chaveada DC-DC, alta densidade de potência, compatibilidade eletromagnética (EMC) das fontes chaveadas, alta eficiência e custo-benefício.
A Qualcomm, como fornecedora de controlador de domínio de cockpit inteligente, com os modelos SA8155 e SA8295, ocupa uma posição importante. A fonte de alimentação do nível 1 do SOC de controle centralizado (alimentação convertida a partir da entrada da bateria no nível 1), corrente transitória, corrente estável de operação, eficiência em modo standby, custo e a contradição entre o projeto EMC da fonte de alimentação chaveada tornaram-se um grande desafio para o projeto da fonte de alimentação BUCK. Como resolver e equilibrar essas contradições é o caminho tecnológico no qual fabricantes de arquitetura de fontes chaveadas, chips de alimentação, indutores, Mosfet e capacitores precisam trabalhar juntos.
Neste artigo, para a corrente de alimentação chaveada de dinâmica elevada (100-300%) em aplicações automotivas de controle centralizado no domínio nível 1, explora-se o projeto de uma fonte chaveada CC-CC, incluindo esquema de alimentação, seleção de indutores, capacitores e outros métodos de projeto, considerando os desafios relacionados ao volume, custo, eficiência e desempenho na implementação prática do design.
Usando o controlador de domínio Qualcomm SA8295 como exemplo, este capítulo discute e implementa um projeto prático de fonte chaveada BUCK principal.
Este capítulo requer um entendimento completo da primeira parte da série (detalhando teoria e cálculos da fonte chaveada BUCK), e prossegue com o projeto detalhado de uma fonte BUCK baseada no LM25149.
Esta série de artigos contém três partes (com atualizações contínuas):
01 - Decifrando o Projeto da Fonte Nível 1 nos Controladores de Domínio Automotivo Qualcomm: Projeto e Cálculo da Fonte de Alimentação (Publicado)
02-Decifrando o Nível 1 do Projeto de Fonte de Alimentação do Controlador de Domínio Automotivo Qualcomm: Projeto Esquemático e Projeto PCB (este capítulo )
03-Decifrando o Nível 1 do Projeto de Fonte de Alimentação do Controlador de Domínio Automotivo Qualcomm: Análise de Medição de Teste de Desempenho (a ser lançado)
1- Objetivos e Desafios de Projeto
1.1 Requisitos de Corrente Transitória SA8295
Tabela 1: Requisitos de Projeto da Fonte de Alimentação SA8295
Nota: O projeto mais recente exige 21A (1 NPU) e 24A (2 NPUs), que este projeto pode cobrir (proteção contra sobrecorrente de 30A)
1.2 Objetivos do projeto
Este projeto utiliza o LM25149 para projetar a fonte de alimentação principal do controlador de domínio , capaz de suportar uma corrente transitória de 24A (100µs) e atender ao requisito de operação em regime permanente superior a 10A, alcançando um equilíbrio entre tamanho, custo e desempenho.
Nota: A corrente transitória não causa problema térmico (para o Qualcomm SA8295, a corrente transitória dura apenas 100µs). No entanto, uma corrente em regime permanente elevada pode levar a um aumento da temperatura, portanto, o impacto do desempenho térmico deve ser avaliado (a solução de projeto deve ser escolhida com base nas condições ambientais reais).
2 - Diagrama esquemático e projeto do PCB
2.1 Seleção dos componentes principais
Critérios para seleção dos componentes da fonte de alimentação com chaveamento no nível do controlador de domínio: prioridade ao desempenho, considerando o custo, ao mesmo tempo em que reduz a área do PCB; considerar questões de EMC e de loop de corrente na fonte de alimentação BUCK com chaveamento, estar em conformidade com a teoria e as regras gerais de projeto de fontes de alimentação BUCK com chaveamento, podendo-se referir à metodologia geral de projeto.
Consulte o Capítulo 1 para obter detalhes sobre a seleção e cálculos de componentes eletrônicos (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculations)
Este projeto seleciona a opção 2 (utilizando oito capacitores cerâmicos de 47uF no invólucro C1210). O projeto não se limita a esta seleção, o design do produto pode ser ajustado conforme a situação real do modelo, e otimização com base nos resultados reais dos testes.
Tabela 2: Fonte de alimentação BUCK - projeto da solução
2.1.1 Fonte de alimentação BUCK - seleção de MOSFET
Tabela 3: Fonte de alimentação BUCK - seleção de MOSFET
2.1.2 Fonte de alimentação BUCK - seleção de indutor
Seleção do indutor utilizando o número do modelo: VSEB0660-1R0MV
Tabela 4: Seleção do indutor
2.1.3 Fonte de alimentação BUCK - seleção do capacitor de filtro de saída
Tabela 5: Fonte de alimentação BUCK - seleção do capacitor de filtro de saída
2.1.4 Seleção do capacitor de filtro de entrada - fonte de alimentação BUCK
Tabela 6: Fonte de alimentação BUCK - seleção do capacitor de filtro de entrada
2.2 Projeto do esquemático e da placa PCB
2.2.1 Projeto esquemático e da placa PCB: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
Figura 1 Introdução ao Caritron EDA
O Jialitron EDA é uma ferramenta gratuita líder em desenvolvimento EDA, poderosa e eficiente. Este projeto utiliza o Jialitron EDA para projetar o esquemático e a placa PCB.
2.3 Fonte de alimentação BUCK - projeto esquemático
2.3.1 Fonte de alimentação BUCK - projeto esquemático
O projeto esquemático refere-se à folha de dados do LM25149-Q1 e à placa de desenvolvimento oficial, e o projeto segue a teoria básica da fonte de alimentação BUCK e os requisitos de projeto da fonte de alimentação primária do controlador de domínio de alta passagem.
Figura 2 Esquemático do LM25149
2.3.2 Fonte de Alimentação BUCK - Tecnologia Focada no Projeto Esquemático
Circuito EMC da porta de entrada：
Pontos Técnicos:
① O papel principal do L1 é reduzir o impacto do ruído de radiação conduzido pela fonte de alimentação chaveada na entrada de energia. A frequência de comutação da fonte de alimentação chaveada é de 2,2MHz. O L1 e o C23 formam um circuito filtro LC (C16 é um capacitor eletrolítico para baixas frequências abaixo de 500kHz), capaz de reduzir em 60dB a 2,2MHz.
② O C21 reduz o ruído de comutação (oscilação nas bordas ascendente e descendente do transistor de potência) e principalmente reduz o ruído EMC entre 10-100MHz.
③ Se os capacitores C21 e C23 estiverem localizados antes da proteção de uma fonte de alimentação, é necessário selecionar capacitores com terminais flexíveis; caso estejam protegidos, pode-se escolher capacitores automotivos. Também é possível usar dois capacitores em série com layout ortogonal para obter um mecanismo de proteção semelhante.
Para MOSFETs de potência e para o LM25149 a capacitância de entrada e a capacitância de desacoplamento possuem os mesmos requisitos, este projeto não é utilizado para verificação de desempenho, sendo usado apenas um capacitor cerâmico único, o projeto em nível de produto deve seguir os requisitos de projeto automotivo.
Nota: O LM25419 possui tecnologia ativa de eliminação de EMC e espectro espalhado duplo aleatório, reduzindo a amplitude do EMC apenas até certo ponto, sem ser capaz de eliminá-lo totalmente. Para aplicações com frequência de comutação de 2,2 MHz associada à energia e corrente elevada (≥ 10 A), existe o risco de exceder os padrões exigidos. Nesses casos, deve-se basear na depuração real: se após a remoção do C23 ainda for possível passar nos testes de emissão conduzida, então o uso do C23 poderá ser dispensado, reduzindo custos.
Capacitores de entrada da fonte BUCK:
① C2, C3 para a capacitância de entrada de potência BUCK, para o desempenho EMC da fonte de alimentação chaveada é crítico, seleção de capacitância de 10uF com impedância próxima a 2MHz ≤ 5mΩ, os modelos CGA4J1X8L1A106K125AC e CGA6P1X7S1A476M250AC possuem boas especificações técnicas para referência, na seleção dos capacitores pode-se escolher X7R, tensão de isolamento de 35V/50V, encapsulamento C1210 e C1206 são aceitáveis. Esta projeto optou pelo encapsulamento C1210, permitindo que mais modelos sejam verificados quanto ao desempenho.
② C4 é o capacitor EMC para chaveamento em alta frequência, recomenda-se utilizar X7R de 50V, encapsulamento C0402 é aceitável.
C2, C3, C4, no layout deve-se ter atenção ao loop da corrente (consultar detalhes do layout), atendendo aos requisitos básicos e teoria de projeto para capacitância de entrada de potência BUCK, recomenda-se estudar a teoria das fontes de alimentação chaveadas BUCK para aprofundar o entendimento sobre a capacitância de entrada.
③ TP7,TP9,TP13 são utilizados para testar os sinais de comutação TG, BG e SW, usados para testar a razoabilidade do tempo morto, desempenho de ringing, e o desempenho das bordas ascendentes e descendentes do MOSFET, sendo indicadores importantes nos testes elétricos de fontes de alimentação chaveadas.
O ponto de teste TP de GND é utilizado para reduzir o loop de terra do osciloscópio durante o teste e melhorar a precisão da medição, sendo necessário que o LAYOUT seja posicionado o mais próximo possível dos pontos de teste dos sinais relacionados.
Resistor de acionamento da porta do MOSFET:
① R1 e R2 são resistores de acionamento da porta do MOSFET, exercendo influência importante nas bordas ascendente e descendente do MOSFET de potência.
② A seleção de R1 e R2 é controlada pela corrente de saída do controlador de potência BUCK (controlador (resistores PULL e PUSH), impedância e características de carga do gate do MOSFET de potência (capacitância de entrada CISS)), motivos abrangentes que afetam a escolha inicial do projeto, a soma total dos resistores deve ser ≤ 10 ohms, mas também depende das características de carga, necessitando ajustes finos eventualmente, escolhendo o valor de resistência adequado.
③ R1 e R2 são também os parâmetros mais críticos para o ruído de comutação EMC, além de afetar fatores-chave do circuito principal relacionados às perdas na comutação; nas aplicações práticas, é necessário equilibrar eficiência (aquecimento do MOSFET) e contradições EMC para atingir um ponto de equilíbrio.
Nota: 6 pontos de teste para verificar as características de comutação e tempo morto.
Malha de potência de saída:
① Seleção de indutância: A seleção da indutância baseia-se em duas considerações principais:
- Corrente operacional transitória: capaz de fornecer temporariamente 21 (24) A (tempo: 100 μs);
- Corrente contínua de operação: 10A, capaz de trabalhar de forma estável com corrente de 10A (abrangendo condições de temperatura ambiente de 85°);
- Duração da corrente transitória de operação ≤ 100us e ocorre na fase de inicialização; basta garantir que o indutor não sature nas condições exigidas (para atender ao valor da indutância sob corrente).
② Seleção do resistor de amostragem: seleção do resistor de amostragem no invólucro R1206, dissipação térmica ≥ 0,5W;
③ Seleção de capacitores: referência: primeira parte do capítulo sobre capacitância do filtro de saída;
Circuito de realimentação:
O LM25149 possui uma configuração fixa de saída e uma configuração de saída com realimentação; consulte a folha de dados para obter detalhes;
① R14l conectado ao VDDA, saída de 3,3V
② R14=24,9K, saída de 5,0V
③ R14=49,9K, saída de 12,0V
Resistor R14 vazio, os resistores R9 e R10 configuram a tensão de saída;
R19 e TP3, TP4 reservados: para testes, margem de fase, frequência de cruzamento, etc.
Nota: TP3 e TP4 são utilizados para testes, margem de fase, frequência de cruzamento, etc.
Configuração de Função:
① EN: Sinal de ativação, ≥1,0V liga a alimentação, pode ser utilizado para proteção precisa contra subtensão;
② Sync-PG: Saída síncrona ou Power Good, este projeto é utilizado para Power Good;
③ PFM/SYNC
-Jumpers padrão (NC): Análogo de diodo, saída de pequena corrente, pode operar com alta eficiência;
-Curto-circuito do jumper para GND, força o modo CCM;
④ Configurações do modo de operação do chip: um total de cinco modos de operação (consulte a especificação)
2.4 Fonte BUCK - Design de PCB
2.4.1 Fonte de alimentação BUCK - Projeto de PCB
① -TOP
② -GND
③ -Sinal
④ -Bottom
2.4.2 Fonte de alimentação BUCK - Enfoque tecnológico no projeto de PCB
Laços de capacitância de entrada e saída:
① A capacitância de entrada e saída da fonte de alimentação BUCK deve manter um laço mínimo, o que tem impacto importante na EMC;
② C4 é principalmente utilizado para absorver o ruído de oscilação das bordas de subida e descida da comutação.
Laços de MOSFETs e indutores:
① O uso de MOSFETs dois-em-um reduz a área do layout e diminui o custo, mas a desvantagem é que o Layout SW não consegue manter o loop mínimo;
② O ponto SW do MOSFET dois-em-um não consegue realizar o alinhamento na mesma camada do PCB, sendo necessário mudar de camada para fazer o preenchimento, a fim de garantir a continuidade da corrente de alimentação.
Corrente de amostragem:
① A corrente de amostragem requer um alinhamento diferencial com um plano GND de referência;
② Controle de impedância e comprimento igual não são necessários, e o alinhamento mantém o espaçamento mínimo do Layout.
FB Feedback:
Resistores e outros componentes devem ficar próximos aos pinos do circuito integrado de controle.
Dissipação de calor e GND:
Componentes geradores de calor: MOSFETs, indutores e resistores de amostragem, podendo aumentar adequadamente a área do plano para dissipar calor, e aumentar os furos de GND pode ajudar a melhorar as condições de dissipação de calor de toda a placa.
3 - Fonte de Alimentação BUCK Nível 1 Controlada por Domínios - Resumo
3.1 Desenho 3D
figura 3D-1
figura 3D-2
3.2 Resumo do Design
① O design da fonte de alimentação chaveada adota um projeto de 4 camadas com espessura de PCB de 1,6 mm e tamanho de 30X65 mm;
② A corrente de saída pode atender à corrente transitória máxima de 24 A do Qualcomm SA8295, suportando uma corrente de saída em estado estável de 10 A ou mais.
4- Sobre Codaca Eletrônicos
Codaca destaca-se no desenvolvimento independente de indutores, design e fabricação; o VSEB0660-1R0M é adequado para desenvolvimento e aplicação na plataforma Qualcomm. Possui vantagens técnicas como alto custo-benefício, alta resistência à corrente de saturação, baixa geração de calor e proporção de potência por volume líder no setor. Codaca dedica-se à pesquisa e desenvolvimento tecnológicos, inovação tecnológica e desenvolvimento de excelentes produtos para a indústria de indutores, contribuindo para o desenvolvimento e aplicação de produtos eletrônicos.
5- Teste e Verificação
Para verificação de teste subsequente, consulte: 03-Decifrando o Nível 1 do Projeto de Fonte de Alimentação do Controlador de Domínio Automotivo da Qualcomm: Análise de Medição de Teste de Desempenho (a ser lançado)
[Referência]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E