Раскрытие особенностей проекта первичного источника питания контроллера домена высокого уровня: проектирование и расчет источника питания

Быстрое развитие индустрии новых энергетических транспортных средств стимулировало стремительный рост каждой отрасли, связанной с ней. Интеллектуализация автомобилей и автономное вождение стали наиболее важным ядром конкурентоспособности в направлении новых энергетических транспортных средств. Это поставило перед централизованными вычислительными системами и контроллерами зон новые задачи и возможности, особенно в вопросах надежности импульсных источников питания постоянного тока (DC-DC), высокой мощности, электромагнитной совместимости импульсных источников питания, эффективности и экономической целесообразности.

Компания Qualcomm, как поставщик контроллера домена интеллектуальной приборной панели, SA8155 и SA8295 занимает важное положение, центральный доменный контроллер SOC, уровень питания 1 (питание преобразуется из уровня входного напряжения батареи, уровень 1), переходный ток, стабильный рабочий ток, эффективность работы в режиме ожидания, стоимость, противоречие между проектированием EMC импульсного источника питания стало огромной проблемой для проектирования понижающего преобразователя. Как решить и сбалансировать эти противоречия — это техническое направление архитектуры импульсного источника питания, микросхемы питания, дросселя, Mosfet, конденсатора.

В данной статье на основе автомобильного центрального доменного контроллера первичного источника питания с большим динамическим переключением тока (100-300%) рассматриваются методы проектирования импульсных источников питания постоянного тока, включая выбор схемы питания, индуктивности, конденсаторов и другие методы проектирования; рассматриваются практические аспекты проектирования с учетом объема, стоимости, эффективности и эксплуатационных характеристик.

В этой статье исследуется и реализуется реальное проектирование одноступенчатого понижающего импульсного источника питания на примере автомобильного контроллера домена Qualcomm SA8295.

Эта серия статей содержит три серии (в будущем будет обновляться):

01- Расшифровка проекта питания уровня 1 автомобильного контроллера домена Qualcomm: проектирование и расчет источника питания (эта глава)

02- Раскрытие секретов проекта источника питания уровня 1 автомобильного доменного контроллера Qualcomm: схемотехническое проектирование и разработка печатной платы

03- Анализ проекта источника питания уровня 1 автомобильного доменного контроллера Qualcomm: измерение и анализ характеристик

1- Цели и задачи проектирования

1.1 Пиковые токовые требования SA8295

Таблица 1: Требования к проекту источника 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.

Общий токовой бюджет всего автомобиля для центрального мозга (доменный контроллер приборной панели) составляет 7–10 мА (13,5 В), один модуль 4G/5G потребляет 4–5 мА, ток SA8295 Qualcomm при 13,5 В — менее 3 мА (40 мВт).

1.3 Три задачи

1.3.1 Задача 1: Выходной ток импульсного источника питания доменного контроллера Qualcomm SA8295

Большой переходный ток, 3,3 В, 18 Ампер (0,1 мс), 0,1 мс для источника питания с переключением постоянного тока уже относится к длительной стабильной выходной мощности, требуется понижающий источник питания, соответствующий проекту со стабильным выходом 18 Ампер.

1.3.2 Высокотоковые динамические проблемы при коммутации источника питания SA8295 в домене Qualcomm, проблема 2:

Постоянный рабочий ток доменного контроллера SA8295 от 5 до 9 Ампер, что приведет к применению индуктивности в источнике питания (индуктивность и величина тока обратно пропорциональны подбору стабильного рабочего тока, разница более чем на 300%), объем, стоимость, частота создают более серьезные противоречия.

1.3.3 Проблемы эффективности микромощного источника питания SA8295 в домене Qualcomm, проблема 3:

Потребление в режиме ожидания, требуется эффективность потребления 13,5 В, 3 мА не менее 70%, что также представляет собой огромную задачу для архитектуры контроллера питания и выбора индуктивности.

Этот дизайн основан на проектировании наиболее сложного одноступенчатого импульсного источника питания SA8295, чтобы исследовать основные трудности в технологии переключающихся источников питания и решений для DC-DC.

2- Сравнение вариантов выбора программы

2.1 Технические требования к питанию доменного контроллера Qualcomm SA8295

Как показано в таблице 2:

Таблица 2: Технические характеристики проекта питания Qualcomm SA8295

2.2 Проект программы и техническая информация

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 и LM25149-Q1 соответствуют требованиям проекта. В данном проекте выбран LM25149-Q1 как схема первичного источника питания для этого центрального доменного контроллера.

2.2.1 Официальный адрес LM25149-Q1:

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

Таблица 3: Рекомендации по проектированию LM25149-Q1

2.2.2 Даташит 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: Требования к проектным спецификациям источника 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: Уравнения для расчета синхронного понижающего источника питания

3.4 Расчет минимальной индуктивности

(Формулы см. в таблице 5.)

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

Таблица 7: Расчет минимальной индуктивности

3.4.1 Сводка данных расчета индуктивности:

① Если проект охватывает диапазон 6-20А (расчет AI=0,3), входное напряжение 16В, выходной ток 6А, индуктивность ≥ 0,69 мкГн.

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

③ Учитывая фактический выбор конструкции и погрешность индуктивности ±20%, выберите 0,82 мкГн и 1,0 мкГн в качестве оптимальных для проектирования (при увеличении значения индуктивности увеличивается объем индуктивности, возрастает стоимость, снижается SRF).

3.5 Расчет тока катушки индуктивности

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

Таблица 8: Расчет тока катушки индуктивности 0,82 мкГн

Таблица 9: Расчет тока катушки индуктивности 1,0 мкГн

3.5.1 Теоретически рассчитанный ток насыщения катушки индуктивности ≥ 20,76 А, округлено до 21 А:

Таблица 10: Показатели индуктивности

4 - Выбор дросселя для импульсного источника питания

Таблица 11: Выбор дросселя

4.1 Расчёт сопротивления выборки тока дросселя LM25149 импульсного источника питания

Таблица 12: Теоретический расчёт сопротивления выборки тока дросселя

Таблица 13: Выбор резистора выборки дросселя

4.2 Расчёт выходной ёмкости синхронного понижающего (BUCK) импульсного источника питания

(Расчёт выходной ёмкости: см. формулу в Таблице 5)

Таблица 14: Расчёт выходной ёмкости синхронного понижающего (BUCK) импульсного источника питания

При разработке синхронного понижающего импульсного источника питания существует противоречие между характеристиками входных и выходных фильтрующих конденсаторов, их объемом и стоимостью. Измерения параметров емкости проводятся в определенных условиях, а различия в измерительных приборах во время тестирования могут привести к расхождению показателей на 10–50%. Окончательные рабочие характеристики необходимо проверять в ходе научно обоснованной практической настройки и испытаний (для проектирования не существует идеального решения, можно лишь выбрать подходящее для конкретного случая — нет идеального варианта проектирования, подходит только выбор, соответствующий ситуации).

Конденсаторы переключения должны соответствовать следующим требованиям: емкость ≥ 320 мкФ (требование по выбросу напряжения), керамический конденсатор должен иметь емкость более 2,435 мкФ (не основное условие, но желательно соблюдение)

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

Таблица 16: Расчет выходных фильтрующих конденсаторов импульсного источника питания

4.3 Расчет входной емкости источника питания LM25149

4.3.1 Расчет входной емкости

Таблица 17: Расчет входного фильтра импульсного источника питания

Таблица 18: Выбор выходного фильтра импульсного источника питания

4.4 Расчет выбора Mosfet для LM25149

4.4.1 Расчеты Mosfet

В техническом описании LM25149 не приводится много расчетов и методик выбора, QG рассчитывается на основе эмпирических оценок по обратной схеме. По результатам расчетов выбирается Vgs 4,5-5,0 В, ≤ 22 нКл. Процесс расчета см. в следующей таблице. Выберите плато Миллера 2-3 В (также допустимо близкое к 3 В). Rdson должен быть ≤ 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 Расчёты проекта EMC LM25149

Не углубляясь в детали, обратитесь к техническим требованиям.

5- Краткое описание проекта

5.1 Краткое описание выбора схемы источника питания LM25149BUCK

Таблица 22: Проект и выбор

5.2 Обобщение программы

Производительность и эффективность синхронного импульсного источника питания зависят от множества факторов, при оценке характеристик и показателей необходимо учитывать реальные условия. В этой главе приводятся теоретические расчёты и практические рекомендации по проектированию. Характеристики и параметры проекта тесно связаны с качеством компонентов, условиями эксплуатации, размещением элементов на плате и другими факторами, требующими строгой проверки и тестирования.

Проектирование синхронного понижающего источника питания для области высокопроизводительного контроллера представляет собой сложную техническую область технологии проектирования контроллеров, необходимо учитывать баланс между производительностью, объемом и стоимостью. Kodak Ka специализируется на независимых исследованиях и разработке индукторов. Модель CSEB0660-1R0M подходит для разработки и применения на высокопроизводительной платформе, обладает высокой стоимостью эффективности, сильной устойчивостью к насыщению тока, малым тепловыделением и другими техническими преимуществами, а также является лидером в отрасли по соотношению мощности к объему; Kodak Ka фокусируется на научных исследованиях и технологических инновациях, разрабатывая качественные продукты для индукторной отрасли, способствуя развитию и применению электронных продуктов.