EN
Quick Links
Бурное развитие индустрии новых энергетических транспортных средств стимулировало стремительный рост каждой отрасли. Интеллектуализация автомобилей и автономное вождение стали наиболее важным ядром конкурентоспособности направления новых энергетических транспортных средств. Высокоинтегрированному центральному мозгу и контроллеру домена открываются новые вызовы и возможности, особенно для надежности импульсных источников питания постоянного тока, высокой мощности, электромагнитной совместимости импульсных источников питания, высокой эффективности, экономичности и новым возможностям и вызовам.
Qualcomm в качестве поставщика контроллера домена интеллектуальной кабины, SA8155 и SA8295 занимают важное положение, центральный доменный контроль SOC, уровень 1 источника питания (питание, преобразованное с уровня входного напряжения аккумулятора, уровень 1), импульсный ток, стабильный рабочий ток, эффективность работы в режиме ожидания, стоимость и противоречие между проектом EMC источника питания стали огромной проблемой для проектирования понижающего преобразователя. Как решить и сбалансировать эти противоречия — это направление совместной работы производителей архитектуры импульсных источников питания, микросхем питания, катушек индуктивности, Mosfet, конденсаторов в технологическом направлении.
В данной статье рассматриваются вопросы проектирования центрального доменного управления автомобильным источником питания уровня 1 с большой динамической коммутацией тока источника питания (100-300%), включая схему источника питания, выбор индуктивности, конденсатора и другие методы проектирования, а также объем, стоимость, эффективность, проблемы производительности и реализацию проекта в реальных условиях.
На примере кваликомного доменного контроллера SA8295 эта глава обсуждает и реализует реальный проект основного импульсного источника питания BUCK.
Для этой главы требуется тщательное понимание первой части серии (в которой подробно описываются теория и расчеты импульсного источника питания BUCK), а затем разрабатывается подробный источник питания BUCK на основе LM25149.
Эта серия статей состоит из трех частей (последующие непрерывные обновления):
01-Декодирование проектирования источника питания уровня 1 автомобильного доменного контроллера Qualcomm: проектирование и расчет источника питания (опубликовано)
02-Расшифровка проекта автомобильного контроллера домена Qualcomm уровня 1: схемотехническое проектирование и проектирование печатной платы (эта глава )
03-Расшифровка проекта автомобильного контроллера домена Qualcomm уровня 1: анализ измерений испытаний производительности (вскоре будет выпущено)
1- Цели и задачи проектирования
1.1 Пиковые токовые требования SA8295
Таблица 1: Требования к проекту источника питания SA8295
Примечание: В последнем проекте SA8295 требуется 21A (1 NPU) и 24A (2 NPU), что данный проект может обеспечить (защита от перегрузки по току до 30A)
1.2 Цели проектирования
Для разработки этого проекта используется LM25149 для проектирования основного источника питания контроллера домена , способен поддерживать переходный ток 24А (100мкс) и удовлетворять требованию устойчивой работы более 10А, обеспечивая сбалансированный компромисс между размером, стоимостью и производительностью.
Примечание: Переходный ток не вызывает тепловых проблем (для Qualcomm SA8295 переходный ток длится всего 100 мкс). Однако большой постоянный ток может привести к увеличению повышения температуры, поэтому необходимо оценить влияние тепловой производительности (выбор конструктивного решения должен основываться на реальных условиях окружающей среды).
2 - Схема и проектирование печатной платы
2.1 Выбор основных компонентов
Критерии выбора компонентов переключающего источника питания уровня контроллера домена: приоритет производительности, с учетом стоимости, а также уменьшение площади печатной платы; учитывать проблемы ЭМС и контура тока переключающего понижающего источника питания, соответствующие общей теории и правилам проектирования понижающих переключающих источников питания, можно обратиться к общим методикам проектирования.
См. главу 1 для получения подробной информации о выборе и расчётах электронных компонентов (Разъяснение уровня проектирования автомобильного контроллера домена Qualcomm, часть 1: Проектирование и расчёты источников питания)
В данном проекте выбран вариант 2 (использование восьми керамических конденсаторов по 47 мкФ в корпусе C1210). Проект не ограничен этим выбором, конструкция изделия может быть скорректирована в соответствии с реальными условиями модели, а также возможна оптимизация проекта на основе фактических результатов тестирования.
Таблица 2: Импульсный источник питания - схемотехническое проектирование
2.1.1 Импульсный источник питания - выбор MOSFET-транзистора
Таблица 3: Импульсный источник питания - выбор MOSFET-транзистора
2.1.2 Импульсный источник питания - выбор индуктивности
Выбор индуктивности с номером модели: VSEB0660-1R0MV
Таблица 4: Выбор индуктивности
2.1.3 Импульсный источник питания - выбор выходного фильтрующего конденсатора
Таблица 5: Импульсный источник питания - выбор выходного фильтрующего конденсатора
2.1.4 BUCK источник питания - выбор входного фильтрующего конденсатора
Таблица 6: BUCK источник питания - выбор входного фильтрующего конденсатора
2.2 Проектирование схемы и печатной платы
2.2.1 Схема и проектирование печатной платы: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
Рисунок 1 Введение в Caritron EDA
Jialitron EDA является ведущим бесплатным инструментом разработки EDA, обладает мощными и эффективными функциями разработки, в данном проекте используется Jialitron EDA для проектирования принципиальной схемы и печатной платы.
2.3 BUCK источник питания - проект схемы
2.3.1 BUCK источник питания - проект схемы
Проект схемы ссылается на техническое описание LM25149-Q1 и официальную плату разработки, проект соответствует основной теории импульсного источника питания BUCK и требованиям к проектированию первичного источника питания контроллера высокого пропускного диапазона.
Рисунок 2 Схема LM25149
2.3.2 Источник питания BUCK - Технология проектирования схем
Цепь EMC входного порта：
Технические моменты:
① Основное назначение L1 — уменьшить влияние шума проводимого излучения импульсного источника питания на входной источник питания. Частота переключения импульсного источника питания составляет 2,2 МГц. L1 и C23 образуют LC-фильтр (C16 представляет собой электролитический конденсатор для низких частот ниже 500 кГц), который снижает шум на частоте 2,2 МГц на 60 дБ.
② C21 уменьшает коммутационный шум (звон на фронте и спаде мощного транзистора) и в основном снижает EMC-шум в диапазоне 10–100 МГц.
③ Если для питания используется C21, C23 (до защиты), необходимо выбрать гибкий конденсатор с торцевыми выводами. Если есть защита, можно выбрать автомобильные конденсаторы. Также можно использовать два последовательно соединенных конденсатора с ортогональным расположением для реализации аналогичного механизма защиты.
Для силовых MOSFET-транзисторов и LM25149 требования к входной и развязывающей емкости одинаковы, данная схема не используется для проверки производительности, применяется одиночный керамический конденсатор, проектные требования уровня продукции должны соответствовать требованиям к автомобильной электронике.
Примечание: Активное подавление ЭМС в LM25419 и технология двойного случайного широтно-импульсного спектра лишь частично снижают амплитуду ЭМС, но не устраняют её полностью. Для переключаемой частоты 2,2 МГц, связанной с энергией и применением высокого тока (≥ 10 А), существует риск превышения стандартов, требуется опираться на фактическую отладку: если после удаления C23 излучение по-прежнему проходит через проводимость, можно отказаться от применения C23 и тем самым снизить затраты.
Входные конденсаторы питания BUCK:
① C2, C3 для входной емкости BUCK-цепи, для электромагнитной совместимости импульсного источника питания критическое значение имеет выбор емкости 10 мкФ с импедансом ≤5 мОм на частоте 2 МГц. Конденсаторы CGA4J1X8L1A106K125AC и CGA6P1X7S1A476M250AC обладают хорошими техническими характеристиками и могут быть использованы в качестве справочных данных. При выборе конденсаторов рекомендуется использовать тип X7R, с рабочим напряжением 35 В/50 В, корпуса C1210 и C1206 подходят. В данном проекте выбран корпус C1210, что позволяет протестировать производительность на большем количестве моделей.
② C4 — высокочастотный ЭМС-конденсатор переключения, следует выбрать тип X7R на 50 В, подойдет корпус C0402.
C2, C3, C4: при размещении необходимо обратить внимание на токовую петлю (см. подробности трассировки), соответствующую базовым требованиям и теории проектирования входных конденсаторов BUCK-цепи. Для лучшего понимания вопроса входной емкости рекомендуется изучить теорию BUCK-преобразователей.
③ TP7,TP9,TP13 используется для испытания сигналов переключателя TG, BG и SW, используется для испытания разумности мертвого времени, производительности звонка и производительности MOSFET с поднимающимся и падающим краем, является важным индикатором испытаний электрической производительности питания переклю
Точка испытания TP GND используется для уменьшения цикла GND осциллоскопа и повышения точности испытаний, а Layout должен быть размещен как можно ближе к точке испытания соответствующих испытательных сигналов.
Мосфетный резистор:
① R1 и R2 - это резисторы MOSFET-ворота, которые оказывают важное влияние на подъемные и падшие края мощного MOSFET.
② Выбор R1, R2 регулируется выходным током контроллера питания BUCK (контроллер (резисторы PULL и PUSH), импеданс затвора силового MOSFET и характеристики заряда (входная емкость CISS) комплексные причины влияют на начальный выбор суммы резисторов ≤ 10 Ом, но также зависит от характеристик заряда, требуется окончательная точная настройка для выбора соответствующего значения сопротивления.
③ R1 и R2 также являются наиболее критическими параметрами коммутационного шума EMC, при этом влияя на основные факторы потерь в цепи переключения, в практическом применении необходимо уравновесить эффективность (нагрев MOSFET) и противоречия EMC, чтобы достичь баланса.
Примечание: 6 контрольных точек для проверки характеристик переключения и мертвого времени.
Контур выходной мощности:
① Выбор индуктивности: Выбор индуктивности основан на двух основных аспектах:
-Переходный рабочий ток: способен обеспечить переходный выход 21 (24) А (время: 100 мкс);
- Установившийся рабочий ток: 10 А, способен стабильно работать при токе 10 А (в условиях температуры окружающей среды до 85°);
- Длительность импульсного рабочего тока ≤ 100 мкс, возникает на этапе запуска, достаточно обеспечить, чтобы дроссель не достиг насыщения (индуктивность соответствует требованиям по току).
② Выбор резистора для измерения: выберите R1206 корпус для измерительного резистора, тепловая мощность ≥ 0,5 Вт;
③ Выбор конденсаторов: см. раздел выходного фильтрующего конденсатора в первой главе;
Цепь обратной связи:
Микросхема LM25149 имеет фиксированную конфигурацию выхода и конфигурацию с обратной связью, подробности см. в техническом описании;
① Резистор R14 подключен к VDDA, выходное напряжение 3,3 В
② R14=24,9 К, выходное напряжение 5,0 В
③ R14=49,9 К, выходное напряжение 12,0 В
Не устанавливайте резистор R14, установите резисторы R9 и R10 для настройки выходного напряжения;
R19 и зарезервированные TP3, TP4: для тестирования, запаса по фазе, частоты среза и т.д.
Примечание: TP3 и TP4 используются для тестирования, запаса по фазе, частоты среза и т.д.
Настройка функции:
① EN: сигнал разрешения, ≥1,0 В включает питание, может использоваться для точной защиты от пониженного напряжения;
② Sync-PG: синхронный выход или Power Good, в данном проекте используется для Power Good;
③ PFM/SYNC
-Стандартный (NC) перемычка: аналог диода, выход малого тока, может работать с высокой эффективностью;
-Замкнуть перемычку на GND, принудительный режим CCM;
④ Настройки режимов работы микросхемы: всего пять режимов работы (см. техническое описание)
2.4 Источник питания BUCK - конструкция печатной платы
2.4.1 Источник питания BUCK — конструкция печатной платы
① -ВЕРХ
② -ЗЕМЛЯ
③ -Сигнал
④ -Низ
2.4.2 Источник питания BUCK — основные технологические аспекты конструкции печатной платы
Контур входной и выходной емкости:
① Входная и выходная емкость источника питания BUCK должны образовывать минимальный контур, что оказывает важное влияние на электромагнитную совместимость (EMC);
② C4 в основном используется для поглощения шумов переключения на фронте и срезе импульсов.
Контур MOSFET и катушки индуктивности:
① Использование комбинированных MOSFET-транзисторов уменьшает площадь размещения и снижает стоимость, но недостатком является то, что трассировка SW не может обеспечить минимальный контур;
② Точка SW комбинированного MOSFET-транзистора не позволяет реализовать выравнивание на том же слое печатной платы, необходимо переключиться на другой слой для прокладки плоскости с целью обеспечения непрерывности тока питания.
Ток выборки:
① Для выборки тока требуется дифференциальное выравнивание с опорной плоскостью GND;
② Контроль импеданса и равная длина не требуются, выравнивание сохраняет минимальное расстояние между элементами при трассировке.
Обратная связь FB:
Резисторы и другие компоненты должны находиться близко к выводам микросхемы управления.
Охлаждение и GND:
Компоненты, выделяющие тепло: MOSFET-транзисторы, индуктивности и резисторы выборки. Можно увеличить площадь плоскости для отвода тепла, а также добавить переходные отверстия GND, чтобы улучшить общие условия охлаждения версии.
3- Доменный управляемый понижающий преобразователь уровня 1 - Обзор
3.1 3D-чертеж
3D Рисунок-1
3D Рисунок-2
3.2 Краткое описание конструкции
① Для конструкции источника питания со схемой переключения используется 4-слойная плата толщиной 1,6 мм и размером 30X65 мм;
② Выходной ток может обеспечить максимальный переходный ток Qualcomm SA8295 до 24 А, поддерживает выходную мощность в стабильном состоянии не менее 10 А.
4- Описание Codaca Электроника
Codaca уделяет внимание независимым исследованиям, разработке и производству индукторов, модель VSEB0660-1R0M подходит для разработки и применения на платформе Qualcomm. Она обладает техническими преимуществами высокой стоимости/эффективности, высокой устойчивости к насыщению тока, низкому тепловыделению и передовому соотношению мощности к объему в отрасли. Codaca уделяет внимание научным исследованиям и разработкам, технологическим инновациям, созданию качественной продукции для индустрии индукторов, чтобы способствовать развитию и применению электронных продуктов.
5- Испытания и верификация
Для последующей проверки тестирования, пожалуйста, обратитесь к следующему документу: 03-Расшифровка проекта источника питания уровня 1 автомобильного контроллера домена Qualcomm: анализ измерений производительности тестирования (в скором времени)
[Справочный материал]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E