Расшифровка проекта первичного источника питания контроллера домена Qualcomm Automotive: проектирование и расчет источника питания

Быстрое развитие индустрии транспортных средств с новыми источниками энергии стимулирует взрывной рост различных производственных цепочек. Интеллектуализация автомобилей и автономное вождение стали наиболее важными направлениями конкурентоспособности для электромобилей, создавая новые вызовы и возможности для высокой интеграции центральных вычислительных модулей и доменных контроллеров, особенно в отношении надёжности, высокой мощности, ЭМС импульсных источников питания, высокой эффективности и соотношения цена-качество преобразователей постоянного тока (DC-DC).

Компания Qualcomm, являясь поставщиком контроллеров интеллектуальной кабины, занимает важное положение благодаря чипам SA8155 и SA8295. Конфликты между импульсным током, устойчивым рабочим током, эффективностью энергопотребления в режиме ожидания, стоимостью и проектированием ЭМС импульсного источника питания (SMPS) основного питания центрального системного контроллера (питание от батареи на первичном этапе преобразования) становятся серьезной проблемой при разработке понижающего преобразователя (BUCK). Как решить и сбалансировать эти противоречия — это техническое направление, в котором вместе работают архитектура импульсного источника питания, силовые микросхемы, дроссели, МОП-транзисторы и конденсаторы.

В данной статье рассматривается проектирование основного источника питания центрального доменного контроллера для автомобильных применений с большим динамическим током импульсного источника питания (100–300%), а также исследуется разработка импульсных источников питания постоянного тока, включая решения для питания, методы выбора дросселей и конденсаторов. Обсуждается и реализуется практический проект с учётом задач, связанных с габаритами, стоимостью, эффективностью и производительностью.

В данной статье в качестве примера используется доменный контроллер Qualcomm SA8295 для исследования и практической реализации основного импульсного источника питания BUCK.

Эта серия статей состоит из трёх частей (будет обновляться по мере публикации):

01- Расшифровка проекта первичного источника питания автомобильного доменного контроллера Qualcomm: проектирование и расчёт источника питания (эта глава)

02- Расшифровка проекта первичного источника питания контроллера домена Qualcomm Automotive: схемотехническое проектирование и разработка печатной платы

03- Расшифровка проекта первичного источника питания автомобильного доменного контроллера Qualcomm: анализ измерений и тестирования производительности

1- Цели и задачи проектирования

1.1 Требования к переходному току для SA8295

Таблица 1: Требования к проекту питания SA8295

1.2 Требования к току ожидания SA8295

Потребление в режиме ожидания при напряжении 3,3 В для систем на кристалле Qualcomm составляет 4–7,5 мА (включая потребление энергии при самопроизвольном обновлении памяти), поддержка пробуждения из режима ожидания.

Центральный блок (Контроллер домена салона), общий токовый бюджет автомобиля 7-10 мА (13,5 В), модуль 4G/5G потребляет отдельно 4-5 мА, Qualcomm SA8295 при напряжении 13,5 В потребляет ток 3 мА (40 мВт) или менее.

1.3 Три задачи

1.3.1 Вызов 1: Переключающий источник питания контроллера домена Qualcomm SA8295, выходной ток

Большой переходный ток, 3,3 В, 18 ампер (0,1 мс), 0,1 мс уже является длительным периодом для установившегося выхода импульсного источника питания постоянного тока, требуется разработка понижающего источника питания со стабильным выходом 18 ампер.

1.3.2 Вызов 2: Динамика высококачественного переключающего источника питания контроллера домена SA8295

Ток стационарной работы контроллера домена SA8295 составляет 5–9 ампер, что вызывает разницу в рабочем токе более чем на 300% в индуктивности переключающего источника питания (индуктивность обратно пропорциональна номинальному току) по объёму, стоимости и частоте, что приводит к значительным конфликтам.

1.3.3 Вызов 3: Микромощной эффективности переключающего источника питания высококачественного контроллера домена SA8295

Потребление энергии в режиме ожидания с эффективностью 70% при 13,5 В и 3 мА создает серьезные трудности для архитектуры контроллера питания и выбора индуктора.

Данный проект разработан на основе задачи максимального понижающего преобразователя питания SA8295, исследуя ключевые сложности решений в области импульсных источников питания и технологий DC-DC.

2- Сравнение выбора решений

2.1 Технические требования к питанию доменного контроллера Qualcomm SA8295

Как показано в таблице 2:

Таблица 2: Технические требования к проекту питания Qualcomm SA8295

2.2 Проектные решения и техническая документация

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1 и другие могут удовлетворить требованиям проектирования. В данном проекте выбран LM25149-Q1 в качестве основной схемы питания центрального контроллера домена.

2.2.1 Официальный адрес LM25149-Q1:

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

Таблица 3: Справочные материалы по проектированию LM25149-Q1

2.2.2 Технический паспорт LM25149-Q1:

LM25149-Q1 42-В автомобильный, синхронный понижающий контроллер постоянного тока/постоянный ток с сверхнизким IQ и интегрированным активным фильтром ЭМП (Rev. B)

2.2.3 Плата разработки LM25149-Q1:

Руководство пользователя для EVM LM25149-Q1 (Rev. A) (ti.com.cn)

2.2.4 Устойчивость и производительность активного фильтра:

Как обеспечить устойчивость и производительность активных фильтров ЭМП (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 Инструменты проектирования :

Калькулятор LM5149-LM25149DESIGN-CALC | TI.com

3- Расчет и проектирование синхронного понижающего источника питания

3.1 Основные технические характеристики и параметры проектирования LM25149

Таблица 4: Технические требования к проекту питания Qualcomm SA8295

Эффективность

Активные фильтры подавления наводок

Тестирование на электромагнитную совместимость

Принципиальная схема эталонного проекта

Плата оценки решения эталонного проекта

3.2 Расчет выбора синхронного понижающего дросселя LM25149

3.2.1 Формула расчета синхронного понижающего импульсного источника питания:

Таблица 5: Формулы расчета синхронного понижающего источника питания

3.3 Расчет минимальной индуктивности

(Формула расчета см. в таблице 5.)

Таблица 6: График расчета минимальной индуктивности (∆I=0,3)

Таблица 7: Расчет минимальной индуктивности

3.3.1 Сводка данных расчета индуктивности:

① Если проект охватывает диапазон 6–20 А (расчет при AI=0,3), при входном напряжении 16 В и выходном токе 6 А индуктивность должна быть ≥0,69 мкГн.

② Теоретический расчет индуктивности импульсного источника питания Lmin: ≥ 0,69 мкГн (теоретическое значение);

③ С учетом реального выбора проекта и допуска индуктивности ±20 % оптимальным выбором будут 0,82 мкГн и 1,0 мкГн (увеличение значения индуктивности приводит к увеличению размера, стоимости катушки индуктивности и снижению резонансной частоты SRF).

3.4 Расчет тока индуктивности

(Формула: см. таблицы 5, позиции 1 и 2)

Таблица 8: Расчет тока катушки индуктивности 0,82 мкГн

Таблица 9: Расчет тока катушки индуктивности 1,0 мкГн

3.4.1 Теоретическое значение тока насыщения индуктивности ≥ 20,76 А, округленное до 21 А:

Таблица 10: Спецификации дросселя

4- Выбор дросселя для импульсного источника питания

Таблица 11: Выбор дросселя

4.1 Расчет резистора измерения тока для импульсного источника питания LM25149

Таблица 12: Теоретический расчет резистора измерения тока

Таблица 13: Выбор резистора измерения тока

4.2 Расчет выходного конденсатора для синхронного понижающего импульсного источника питания

(Расчет выходного конденсатора: см. уравнение в таблице 5)

Таблица 14: Расчет выходного конденсатора для синхронного понижающего импульсного источника питания

При разработке синхронных понижающих импульсных источников питания существует компромисс между характеристиками, размером и стоимостью входных и выходных фильтрующих конденсаторов. Испытания спецификаций конденсаторов проводятся в определённых условиях, а различия в измерительном оборудовании во время тестирования могут привести к расхождениям на уровне 10–50% для одинаковых спецификаций. Окончательные характеристики конструкции требуют научного обоснования и проверки путем отладки (не существует единственного оптимального решения; можно лишь выбрать схему, подходящую для конкретного применения).

Переключающие конденсаторы должны соответствовать требованиям: ёмкость ≥ 320 мкФ (требование по выбросу), ёмкость керамического конденсатора более 2,435 мкФ (не основное условие, достаточно выполнения требования).

Таблица 15: Рекомендуемый выбор моделей выходных фильтрующих конденсаторов для импульсных источников питания

Таблица 16: Проектирование выходных фильтрующих конденсаторов для импульсных источников питания

4.3 Расчет входного конденсатора для источника питания LM25149

4.3.1 Расчет входной емкости

Таблица 17: Расчет входного фильтрующего конденсатора для импульсного источника питания

Таблица 18: Выбор выходных фильтров для импульсных источников питания

4.4 Расчет выбора Mosfet для LM25149

4.4.1 Расчет MOSFET

В техническом описании LM25149 не приведено множество расчетов и методик выбора. Расчеты QG и выбор основаны на эмпирических оценках и обратных выводах. Результаты расчетов указывают на значение Vgs 4,5–5,0 В и ≤22 нКл. Процесс расчета показан в таблице ниже. Плато Миллера выбрано равным 2–3 В (допустимо значение, близкое к 3 В), а Rdson выбрано как ≤8 мОм.

Таблица 19: Выбор и расчеты Mosfet

4.5 Рекомендации по выбору Mosfet

Таблица 20: Модели Mosfet для выбора

4.6 Расчет FB и компенсации для LM25149

Таблица 21: Расчёты FB и компенсации

4.7 Расчет конструкции EMC для LM25149

Не углубляясь в детальный анализ, обратитесь к техническим характеристикам.

5- Краткое описание проекта

5.1 Обобщение проекта и подбора понижающего источника питания LM25149

Таблица 22: Проект и выбор

5.2 Обобщение решения

Работа и эффективность синхронных импульсных источников питания зависят от множества факторов. При оценке характеристик и технических параметров необходимо учитывать практические аспекты. Данная глава предназначена для теоретических расчетов и предоставляет теоретическое руководство для практического проектирования. Характеристики и параметры разработанной схемы тесно связаны с качеством компонентов, условиями эксплуатации, размещением элементов и другими факторами, а также требуют тщательного тестирования и подтверждения.

Разработка синхронного понижающего источника питания для доменных контроллеров Qualcomm — это сложная область проектирования контроллеров, требующая баланса между производительностью, размером и стоимостью. CODACA сосредоточена на независимых научных исследованиях и разработке катушек индуктивности и дросселей синфазных помех. Модель CSEB0660-1R0M подходит для разработки и применения на платформе Qualcomm, обеспечивая высокую экономичность, высокую устойчивость к току насыщения, низкое тепловыделение и лучшее в отрасли соотношение мощности к объёму. CODACA уделяет особое внимание научным исследованиям, разработкам и инновациям, создавая передовые продукты для индустрии индуктивных компонентов и способствуя развитию и применению электронных изделий.