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O rápido desenvolvimento da indústria de veículos de nova energia impulsionou o crescimento explosivo de diversas cadeias industriais, e a inteligência automotiva e a condução autônoma tornaram-se as direções mais importantes de competitividade central para veículos de nova energia, trazendo novos desafios e oportunidades ao cérebro central altamente integrado e aos controladores de domínio, especialmente com relação à confiabilidade, alta densidade de potência, compatibilidade eletromagnética (EMC), alta eficiência e relação custo-benefício das fontes chaveadas DC-DC.
Como fornecedor de controladores de domínio de cockpit inteligente, os modelos SA8155 e SA8295 ocupam uma posição importante, e a contradição entre corrente transitória, corrente de operação estável, eficiência em espera, custo e projeto EMC de fonte chaveada da alimentação primária central do SOC de controle de domínio (alimentação convertida a partir do nível primário de entrada da bateria) tornou-se um grande desafio para o projeto de fontes BUCK. Como resolver e equilibrar essas contradições é a direção técnica na qual arquiteturas de fontes chaveadas, fabricantes de circuitos integrados de alimentação, indutores, MOSFETs e capacitores estão trabalhando juntos.
Este artigo discute o projeto de fonte chaveada CC-CC para o fornecimento primário de energia no controle central de domínio com alta demanda dinâmica (100-300%), incluindo esquema de alimentação, seleção de indutores, capacitores e outros métodos de projeto, levando em consideração desafios de dimensão, custo, eficiência e desempenho.
Este capítulo utiliza o controlador de domínio Qualcomm SA8295 como exemplo para discutir e implementar o projeto prático da fonte chaveada BUCK de primeira etapa.
Este capítulo exige a leitura da primeira série (teoria detalhada e cálculos sobre fontes chaveadas BUCK) e projeta detalhadamente a fonte BUCK com base no LM25149.
Esta série de artigos é composta por três séries (com atualizações contínuas):
02-Decodificando o Projeto da Fonte de Alimentação Primária do Controlador de Domínio Automotivo Qualcomm: Projeto Esquemático e Projeto de PCB (este capítulo)
1- Objetivos e Desafios de Projeto
1.1 Requisitos de Corrente Transitória SA8295
Tabela 1: Requisitos de Projeto da Fonte de Alimentação SA8295
Nota: Os requisitos de design mais recentes do SA8295 são 21A (1 NPU) e 24A (2 NPUs), e este design pode cobrir (proteção contra sobrecorrente de 30A)
1.2 Objetivos de Design
Este design utiliza um Domínio do controlador de projeto LM25149 primeira fonte de alimentação , que pode atender aos requisitos de corrente transitória de 24A (100us) e atender aos requisitos de funcionamento em regime permanente superior a 10A, alcançando assim um equilíbrio abrangente entre volume, custo e desempenho.
Nota: A corrente transitória não causa problema de geração de calor (para o Qualcomm SA8295 apenas 100us de corrente transitória), a corrente contínua elevada causará um aumento na elevação de temperatura, cujo efeito precisa ser medido (a solução de projeto é selecionada de acordo com as condições ambientais reais).
2 - Diagrama esquemático e projeto do PCB
2.1 Seleção dos componentes principais
Os critérios para a seleção de componentes do fornecimento primário de energia do controlador de domínio: desempenho em primeiro lugar, levando em consideração o custo e reduzindo a área da PCB; Considerando o problema EMC e o problema do laço de corrente da fonte chaveada BUCK, está em conformidade com a teoria e as regras gerais de projeto de fonte chaveada BUCK, podendo-se consultar o método geral de projeto.
Para detalhes sobre a seleção e cálculo de componentes eletrônicos, consulte o Capítulo 1 ( Decodificação do Projeto da Fonte de Alimentação de Primeiro Estágio do Controlador de Domínio Automotivo Qualcomm: Projeto e Cálculo da Fonte de Alimentação )
Opção 2 para este projeto (utilizando oito capacitores cerâmicos embalados em C1210 de 47uF). O projeto não se limita a esta seleção, e o projeto do produto pode ser ajustado de acordo com a situação real, podendo-se realizar a otimização do projeto com base nos resultados dos testes práticos.
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
A seleção do indutor adota o modelo: VSEB0660-1R0MV
Tabela 4: Seleção do indutor
2.1.3 Seleção do capacitor de filtro de saída para fonte BUCK
Tabela 5: Seleção do capacitor de filtro de saída para fonte BUCK
2.1.4 Fonte de alimentação BUCK - seleção de capacitores de filtro de entrada
Tabela 6: Seleção do capacitor de filtro de entrada da fonte de alimentação BUCK
2.2 Projeto do esquemático e da placa PCB
2.2.1 Diagrama esquemático e projeto de PCB: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)
Figura 1 Introdução ao Caritron EDA
JLC Technology EDA é a principal ferramenta gratuita de desenvolvimento EDA na China, com funções poderosas e alta eficiência de desenvolvimento; este projeto adota o diagrama esquemático e PCB projetados com o JLC Technology EDA.
2.3 Fonte de alimentação BUCK - projeto esquemático
2.3.1 Fonte de alimentação BUCK - projeto esquemático
O projeto do princípio refere-se à especificação LM25149-Q1 e à placa de desenvolvimento oficial, e o projeto atende à teoria básica da fonte de alimentação chaveada BUCK e aos requisitos de projeto da fonte primária de controladores de domínio high-pass.
Figura 2 Diagrama esquemático do LM25149
2.3.2 Fonte de alimentação BUCK - tecnologia-chave no projeto esquemático
Circuito EMC de entrada：
Pontos técnicos:
① A função principal do L1 é reduzir o impacto do ruído conduzido e irradiado da fonte chaveada na alimentação de entrada. A frequência de comutação da fonte chaveada é de 2,2 MHz; L1 e C23 formam um circuito filtro LC (C16 é o capacitor eletrolítico, principalmente para baixas frequências abaixo de 500 kHz), e em 2,2 MHz a atenuação é de 60 dB.
② O C21 reduz o ruído de comutação (oscilação nas bordas de subida e descida do transistor de potência), reduzindo principalmente o ruído EMC na faixa de 10 a 100 MHz.
③ Se C21 e C23 forem utilizados em fontes de primeira classe (antes da proteção), é necessário escolher o modelo de capacitor com terminais flexíveis; caso contrário, se houver proteção, pode-se optar pelo capacitor automotivo. Um mecanismo de proteção semelhante também pode ser implementado utilizando dois capacitores em configuração série.
Os mesmos requisitos são exigidos para MOSFETs de potência e capacitores de entrada LM25149, capacitores de desacoplamento; este projeto não é utilizado para verificação de desempenho, utilizando um único capacitor cerâmico, e o design em nível de produto segue os requisitos de design automotivo.
Nota: Cancelamento ativo de EMC do LM25419 e tecnologia de espectro espalhado aleatório duplo reduzem apenas até certo ponto a amplitude de EMC, e o EMC não pode ser eliminado completamente; para a frequência de comutação de 2,2 MHz relacionada à energia, aplicações com alta corrente (≥10 A) ainda apresentam risco de exceder o padrão, devendo prevalecer a depuração real; se a remoção de C23 ainda permitir a passagem por radiação conduzida, é possível dispensar o uso de C23 e reduzir o custo.
Capacitores de entrada da fonte BUCK:
① C2, C3 são capacitores de entrada de potência BUCK, que são cruciais para o desempenho do EMC da fonte chaveada. Os capacitores de 10uF devem ter impedância em torno de 2 MHz ≤5mΩ. Os modelos CGA4J1X8L1A106K125AC e CGA6P1X7S1A476M250AC apresentam bons indicadores técnicos como referência. Na seleção dos capacitores, pode-se optar por X7R, tensão suportável de 35V/50V, sendo disponíveis os invólucros C1210 e C1206. Neste projeto, foi selecionado o invólucro C1210, o que permite uma ampla verificação de desempenho entre modelos.
② C4 é um capacitor de EMC para comutação de alta frequência; escolha X7R de 50V, no invólucro C0402.
C2, C3, C4: no layout, é necessário prestar atenção ao laço de corrente (consulte os detalhes do Layout), atendendo aos requisitos básicos de capacitância de entrada da fonte BUCK e à teoria de projeto. Recomenda-se estudar a teoria das fontes chaveadas BUCK para aprofundar a compreensão sobre o capacitor de entrada.
③ TP7, TP9, TP13 são usados para testar os sinais TG, BG e SW do interruptor, e são utilizados para verificar a razoabilidade do tempo de zona morta, o desempenho de oscilação e o desempenho das bordas de subida e descida do MOSFET, sendo um importante índice de teste de desempenho elétrico da fonte de alimentação chaveada.
O ponto de teste TP de GND é usado para reduzir o laço de terra do osciloscópio durante o teste e melhorar a precisão da medição, e na LAYOUT é necessário considerar posicionar o ponto de teste o mais próximo possível do sinal de teste relevante.
Resistor de acionamento da porta do MOSFET:
① R1 e R2 são os resistores de acionamento da porta do MOSFET, que têm um impacto importante nas bordas de subida e descida do MOSFET de potência.
② A seleção de R1 e R2 é afetada por motivos combinados da corrente de saída do controlador de potência BUCK controlado (controlador (resistência PULL e PUSH), impedância de porta e características de carga do MOSFET de potência (capacitância de entrada CISS), e a resistência total de toda a resistência é selecionada ≤ 10 ohms no projeto inicial, o que também depende das características de carga, e precisa ser ajustada com precisão para selecionar o valor de resistência adequado.
③ R1 e R2 também são os parâmetros-chave que mais afetam o ruído de comutação EMC, bem como os fatores centrais do circuito que influenciam a perda de comutação.
Nota: 6 pontos de teste são utilizados para testar as características de comutação e o tempo morto.
Malha de potência de saída:
① Seleção de indutor: A seleção do indutor considera principalmente dois fatores:
- Corrente de trabalho transitória: Capaz de fornecer temporariamente 24A (tempo: 100us);
- Corrente de trabalho em regime permanente: 10A, podendo funcionar estavelmente com corrente de 10A (abrangendo condições de temperatura ambiente de 85℃)
-A duração da corrente operacional transitória é ≤ 100 μs, e ocorre durante a fase de inicialização, sendo que somente a condição de garantir que a indutância não esteja saturada pode atender aos requisitos (atender ao valor de indutância da corrente).
② Seleção do resistor de amostragem: O resistor de amostragem é selecionado no invólucro R1206, com potência de dissipação térmica ≥ 0,5 W;
③ Seleção dos capacitores: Consulte: capítulo do capacitor de filtro de saída na primeira parte do capítulo;
Circuito de realimentação:
O LM25149 possui configuração de saída fixa e configuração de realimentação de saída, cujo conteúdo detalhado está descrito no manual de especificações;
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
A tensão de saída é configurada com R14, R9 e R10 no adesivo em branco;
R19 e os pontos reservados TP3, TP4: para testes, margem de fase, frequência de cruzamento, etc.
Nota: TP3 e TP4 são utilizados para testar margem de fase, frequência de cruzamento, etc.
Configurações de Função:
① EN: sinal de habilitação, liga a alimentação ≥ 1,0 V, podendo ser protegido por subtensão de precisão;
② Sync-PG: Saída sincronizada ou Power Good, neste projeto trata-se de Power Good;
③ PFM/SYNC
-Jump padrão (NC): diodo analógico, saída de pequena corrente, pode funcionar com alta eficiência;
-Jump em curto-circuito para GND, modo CCM forçado;
④ Configuração do modo de operação do chip: um total de 5 modos de operação (consulte o manual de especificações).
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 BUCK – tecnologia-chave para projeto de PCB
Laços dos capacitores de entrada e saída:
① Os capacitores de entrada e saída da fonte BUCK devem manter um laço mínimo, o que tem um impacto importante na EMC;
② O C4 é principalmente usado para absorver o ruído oscilante das bordas de subida e descida do sinal de chaveamento.
Laços de MOSFETs e indutor:
① O uso de MOSFETs duplos reduz a área de layout e os custos, sendo a desvantagem que o Layout SW não consegue manter o laço mínimo;
② O ponto SW do MOSFET 2-em-1 não permite a rastreabilidade na mesma camada do PCB, sendo necessário alterar a camada de disposição para garantir a continuidade da corrente de potência.
Corrente de amostragem:
① A corrente de amostragem precisa ser traços diferenciais, e deve haver um plano de referência GND;
② Não é necessário controlar a impedância nem o comprimento igual, e os traços devem manter o espaçamento mínimo da disposição.
FB Feedback:
Resistores e outros componentes devem ficar próximos aos pinos do circuito integrado de controle.
Dissipação de calor e GND:
Dispositivos de aquecimento: MOSFETs, indutores e resistores de amostragem podem apropriadamente aumentar a condução térmica na área do plano, e o aumento dos vias GND pode ajudar a melhorar as condições de dissipação de calor de toda a placa.
projeto de fonte chaveada BUCK de primeira classe com controle por domínio - resumo
3.1 Desenho 3D
figura 3D-1
figura 3D-2
3.2 Resumo do Design
① O projeto da fonte chaveada adota uma configuração de 4 camadas, espessura do PCB de 1,6 mm, tamanho 30x65 mm;
② A corrente de saída pode atender à corrente transitória máxima do Qualcomm SA8295 de 24 A e suporta capacidade de saída contínua superior a 10 A.
4- Sobre Codaca Eletrônicos
A Codaca concentra-se na investigação e desenvolvimento independentes, projeto e fabricação de indutores, e o VSEB0660-1R0M é adequado para o desenvolvimento e aplicação de plataformas Qualcomm. Possui vantagens técnicas como alto desempenho a baixo custo, forte capacidade de anti-saturação de corrente e baixa geração de calor, além de apresentar uma relação potência-volume líder no setor. A Codaca foca-se na investigação e desenvolvimento tecnológico, inovação tecnológica, desenvolvendo produtos excelentes para a indústria de indutores e contribuindo para o desenvolvimento e aplicação de produtos eletrônicos.
5- Teste e Verificação
Para testes e verificações subsequentes, por favor consulte: 03- Decodificação do Projeto da Fonte de Alimentação Primária do Controlador de Domínio Automotivo Qualcomm: Análise de Medição de Teste de Desempenho .
[Referência]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E