EN
Быстрые ссылки
Быстрое развитие индустрии транспортных средств с новыми источниками энергии стимулирует взрывной рост различных отраслей промышленности, а автомобильная интеллектуализация и автономное вождение становятся ключевыми направлениями конкурентоспособности электромобилей, создавая новые вызовы и возможности для высокой интеграции центрального блока и контроллера домена, особенно в отношении надежности, высокой мощности, ЭМС, высокой эффективности и экономической эффективности импульсных источников питания постоянного тока.
В качестве поставщика контроллеров интеллектуальной кабины, решения SA8155 и SA8295 занимают важное положение, а противоречие между переходным током, стабильным рабочим током, эффективностью в режиме ожидания, стоимостью и проектированием EMC импульсного источника питания основного источника питания центрального доменного контроллера SOC (питание преобразуется от первичного входа аккумулятора) стало огромной проблемой при разработке BUCK-источника питания. Решение и сбалансирование этих противоречий — это техническое направление, над которым совместно работают производители архитектуры импульсных источников питания, микросхем питания, дросселей, МОП-транзисторов и конденсаторов.
В данной статье рассматривается проектирование импульсного источника питания постоянного тока для основного источника питания центрального доменного управления с большим динамическим диапазоном переключения (100–300 %), включая схему питания, выбор дросселей, конденсаторов и другие методы проектирования с учетом вызовов, связанных с габаритами, стоимостью, эффективностью и производительностью.
В этой главе в качестве примера рассматривается доменный контроллер Qualcomm SA8295 для обсуждения и практической реализации проекта импульсного источника питания первого уровня BUCK.
Для понимания этой главы необходимо ознакомиться с первой серией статей (подробная теория и расчёты импульсных источников питания BUCK) и подробно изучить проектирование источника питания BUCK на базе LM25149.
Эта серия статей состоит из трёх частей (обновления продолжаются):
02-Расшифровка проектирования источника питания первого уровня автомобильного доменного контроллера Qualcomm: принципиальная схема и разводка печатной платы (настоящая глава)
1- Цели и задачи проектирования
1.1 Пиковые токовые требования SA8295
Таблица 1: Требования к проекту источника питания SA8295
Примечание: Последние требования к проектированию SA8295 составляют 21 А (1 NPU) и 24 А (2 NPU), и данная конструкция может обеспечить защиту от превышения тока до 30 А
1.2 Цели дизайна
В данном проекте используется Проектирование доменного контроллера на базе LM25149 — источник питания первого уровня , который способен удовлетворять требованиям по переходному току 24 А (100 мкс) и обеспечивать стабильную работу при постоянном токе более 10 А, достигая при этом всестороннего баланса между габаритами, стоимостью и производительностью.
Примечание: Переходный ток не вызывает проблему выделения тепла (для Qualcomm SA8295 только переходный ток 100 мкс), стационарный большой ток вызовет рост температуры, влияние повышения температуры необходимо измерить (выбор схемы проектирования осуществляется в зависимости от реальных условий окружающей среды).
2 - Схема и проектирование печатной платы
2.1 Выбор основных компонентов
Критерии выбора основных компонентов импульсного источника питания доменного контроллера: в первую очередь производительность, с учетом стоимости и уменьшения площади печатной платы; Учитывая проблемы ЭМС и токового контура импульсного источника питания BUCK, он соответствует общей теории и правилам проектирования импульсных источников питания BUCK, можно использовать общие методы проектирования.
Подробную информацию по выбору и расчету электронных компонентов см. в главе 1 ( Расшифровка проекта первичного источника питания контроллера домена Qualcomm Automotive: проектирование и расчет источника питания )
Вариант 2 для данной конструкции (с использованием восьми керамических конденсаторов ёмкостью 47 мкФ в корпусе C1210). Конструкция не ограничивается данным выбором, и проект может быть скорректирован в зависимости от конкретной ситуации, а также может быть оптимизирован на основании фактических результатов испытаний.
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 выполнен по модели: VSEB0660-1R0MV
Таблица 4: Выбор индуктивности
2.1.3 Выбор выходного фильтрующего конденсатора для источника питания BUCK
Таблица 5: Выбор выходного фильтрующего конденсатора для источника питания BUCK
2.1.4 Источник питания BUCK — выбор входных фильтрующих конденсаторов
Таблица 6: Источник питания BUCK — выбор входных фильтрующих конденсаторов
2.2 Проектирование схемы и печатной платы
2.2.1 Принципиальная схема и разработка печатной платы: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)
Рисунок 1 Введение в Caritron EDA
JLC Technology EDA — это ведущий бесплатный инструмент разработки электронных устройств в Китае, обладающий мощными функциями и высокой эффективностью разработки. В данном проекте использовано программное обеспечение JLC Technology EDA для разработки принципиальной схемы и печатной платы.
2.3 BUCK источник питания - проект схемы
2.3.1 BUCK источник питания - проект схемы
Принципиальная схема разработана в соответствии со спецификацией LM25149-Q1 и официальной платой разработки, а также соответствует основным теоретическим принципам импульсного источника питания BUCK и требованиям проектирования первичного источника питания контроллеров высокочастотных доменов.
Рисунок 2 Схематическая диаграмма LM25149
2.3.2 Импульсный источник питания BUCK — ключевая технология при проектировании схемы
Входная цепь ЭМС:
Технические особенности:
① Основная функция L1 заключается в уменьшении влияния кондуктивного излучаемого шума от импульсного источника питания на входной источник питания. Частота переключения импульсного источника питания составляет 2,2 МГц. L1 и C23 образуют LC-фильтр (C16 — электролитический конденсатор, в основном для низких частот ниже 500 кГц), и на частоте 2,2 МГц шум уменьшается на 60 дБ.
② C21 уменьшает шум переключения (звон на фронте и спаде мощного транзистора), в основном снижая ЭМС-шум в диапазоне 10–100 МГц.
③ Если C21 и C23 используются в источниках питания первой категории (до защиты), необходимо выбрать модель гибкого конденсатора с выводами, а если цепь защищена, можно выбрать конденсатор автомобильного класса. Аналогичный механизм защиты также может быть реализован с использованием двух последовательно соединённых конденсаторов.
Те же требования предъявляются к мощным MOSFET-транзисторам и входным разделительным конденсаторам LM25149; данная конструкция не используется для проверки производительности, применяется одиночный керамический конденсатор, а проектное решение соответствует требованиям к конструкции автомобильного класса.
Примечание: Активная компенсация ЭМС и технология двойного случайного расширения спектра LM25419 лишь в определённой степени снижают амплитуду ЭМС, полностью устранить ЭМС невозможно. Для энергии, связанной с частотой переключения 2,2 МГц, при высоком токе (≥10 А) применение всё ещё сопряжено с риском превышения стандартных норм; окончательным критерием является реальная отладка. Если после удаления C23 проводимое излучение остаётся в допустимых пределах, можно обойтись без установки C23, что снизит стоимость.
Входные конденсаторы питания BUCK:
① C2 и C3 — входные конденсаторы питания BUCK-преобразователя, которые имеют решающее значение для показателей ЭМС импульсного источника питания. При выборе конденсаторов ёмкостью 10 мкФ следует учитывать, чтобы их импеданс на частоте около 2 МГц был ≤5 мОм. В качестве образца для сравнения можно использовать конденсаторы CGA4J1X8L1A106K125AC и CGA6P1X7S1A476M250AC, имеющие хорошие технические характеристики. Допускается выбор конденсаторов с диэлектриком X7R, напряжением пробоя 35 В/50 В, корпусами C1210 и C1206. В данном проекте выбран корпус C1210, что позволяет протестировать широкий спектр моделей и подтвердить их работоспособность.
② C4 — это высокочастотный переключающийся EMC-конденсатор, выберите 50 В, X7R, корпус C0402.
При разводке C2, C3, C4 необходимо обращать внимание на токовую петлю (см. подробности в описании разводки), чтобы соответствовать базовым требованиям к входной емкости источника питания BUCK и теории проектирования. Изучите теорию импульсных источников питания BUCK, чтобы лучше понять назначение входного конденсатора.
③ TP7, TP9, TP13 используются для измерения сигналов TG, BG и SW переключателя, а также для проверки обоснованности времени мертвого хода, характеристик звона и фронтов нарастания и спада сигнала MOSFET; это важный показатель электрических параметров импульсного источника питания.
Тестовая точка TP заземления GND используется для уменьшения контура заземления осциллографа и повышения точности измерений; при трассировке LAYOUT необходимо располагать тестовую точку как можно ближе к соответствующему тестируемому сигналу.
Мосфетный резистор:
① R1 и R2 — это резисторы управления затвором MOSFET, которые оказывают существенное влияние на фронты нарастания и спада мощного MOSFET.
② Выбор R1 и R2 обусловлен совокупностью факторов, связанных с выходным током контроллера управляемого BUCK-преобразователя (контроллер (тянущее и толкающее сопротивление), импеданс затвора и характеристики заряда мощного MOSFET-транзистора (входная емкость CISS), а общее сопротивление всей резистивной цепи в первоначальном проекте выбирается ≤ 10 Ом, что также зависит от характеристик заряда, и требует точной настройки для выбора соответствующего значения сопротивления.
③ R1 и R2 также являются ключевыми параметрами, наиболее сильно влияющими на коммутационные шумы EMC и основные факторы схемы, влияющие на коммутационные потери.
Примечание: для проверки характеристик переключения и мертвого времени используются 6 контрольных точек.
Контур выходной мощности:
① Выбор индуктивности: при выборе индуктивности в основном учитываются два фактора:
- Ток переходного режима: способен кратковременно выдавать 24 А (время: 100 мкс);
- Ток стационарного режима: 10 А, может стабильно работать при токе 10 А (с учетом условий окружающей температуры до 85 ℃);
- Длительность переходного рабочего тока составляет ≤ 100 мкс, он возникает в фазе запуска, и только условие обеспечения ненасыщенности индуктивности может удовлетворять требованиям (соответствие значения индуктивности току).
② Выбор резистора для измерения: резистор для измерения выбран в корпусе R1206, рассеиваемая мощность ≥ 0,5 Вт;
③ Выбор конденсаторов: см. главу по выходным фильтрующим конденсаторам в первой части главы;
Цепь обратной связи:
LM25149 имеет фиксированную конфигурацию выхода и конфигурацию с обратной связью, подробное описание приведено 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
Выходное напряжение настраивается с помощью резисторов R14, R9 и R10 на пустой наклейке;
R19 и резервные TP3, TP4: для тестирования, запаса по фазе, частоты среза и т.д.
Примечание: TP3 и TP4 используются для измерения запаса по фазе, частоты среза и т.д.
Настройки функций:
① EN: сигнал разрешения, включение питания ≥ 1,0 В, возможна защита при пониженном напряжении с высокой точностью;
② Sync-PG: синхронный выход или сигнал «Power Good», в данном проекте используется функция «Power Good»;
③ PFM/SYNC
-По умолчанию (NC) перемычка: аналоговый диод, выход малого тока, может работать с высокой эффективностью;
-Перемычка короткого замыкания на GND, принудительный режим CCM;
④ Настройка режима работы микросхемы: всего 5 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 Импульсный преобразователь BUCK — ключевые технологии проектирования печатной платы
Контур входных и выходных конденсаторов:
① Входные и выходные конденсаторы импульсного преобразователя BUCK должны образовывать минимально возможный контур, что имеет важное значение для ЭМС;
② C4 в основном используется для подавления звонов шумов на фронтах и спадах переключения.
Контур МОП-транзисторов и дросселя:
① Использование комбинированных МОП-транзисторов уменьшает площадь размещения и снижает стоимость, недостаток заключается в том, что трассировка SW не может обеспечить минимальный контур;
② Точка SW комбинированного МОП-транзистора не позволяет реализовать трассировку на одном слое печатной платы, необходимо изменение слоя для непрерывного протекания тока.
Ток выборки:
① Ток выборки должен передаваться по дифференциальным трассам, и должен быть предусмотрен опорный GND-слой;
② Нет необходимости контролировать импеданс и выравнивать длину, трассы должны соблюдать минимальное расстояние при прокладке.
Обратная связь FB:
Резисторы и другие компоненты должны находиться близко к выводам микросхемы управления.
Охлаждение и GND:
Нагревающиеся элементы: MOSFET-транзисторы, дроссели и резисторы для измерения тока могут быть дополнительно связаны с медными областями для отвода тепла, увеличение количества переходных отверстий GND способствует улучшению условий теплоотдачи всей платы.
3 — Дизайн первичного источника питания BUCK с управлением по доменам — резюме
3.1 3D-чертеж
3D Рисунок-1
3D Рисунок-2
3.2 Краткое описание конструкции
① Конструкция импульсного источника питания выполнена по четырехслойной технологии, толщина печатной платы 1,6 мм, размер 30x65 мм;
② Выходной ток может обеспечить максимальный переходный ток Qualcomm SA8295 в 24 А и поддерживает стационарную выходную мощность более 10 А.
4- Описание Codaca Электроника
Codaca специализируется на независимых исследованиях и разработке, проектировании и производстве катушек индуктивности, а модель VSEB0660-1R0M подходит для разработки и применения платформ Qualcomm. Она обладает техническими преимуществами, такими как высокая стоимость соотношения цены и качества, сильная устойчивость к насыщению тока, низкое тепловыделение, а также передовое соотношение мощности к объёму в отрасли. Codaca делает акцент на научных исследованиях и разработках, технологических инновациях, создавая высококачественные продукты для индустрии катушек индуктивности и способствуя развитию и применению электронных продуктов.
5- Испытания и верификация
Для последующего тестирования и проверки, пожалуйста, обратитесь к: 03- Расшифровка проекта первичного источника питания автомобильного контроллера Qualcomm: анализ измерений при испытаниях производительности .
[Справочный материал]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E