Avkodning av Qualcomm Automotive Domain Controller första stegs strömförsörjningsdesign: Strömförsörjningsdesign och beräkning

Den snabba utvecklingen av nyenergibilsindustrin har drivit explosiv tillväxt över olika industriella kedjor. Fordonsintelligens och självkörande funktioner har blivit de viktigaste konkurrensriktningarna för elfordon, vilket skapar nya utmaningar och möjligheter för högintegrerade centrala hjärnor och domänkontrollenheter, särskilt vad gäller tillförlitlighet, hög effekttäthet, EMC i switchade strömförsörjningar, hög verkningsgrad och hög kostnadseffektivitet i DC-DC-switchade strömförsörjningar.

Qualcomm, som leverantör av intelligenta cockpit-domänkontrollenheter, har en betydande position med SA8155 och SA8295. Konflikterna mellan transitoriell ström, stabil driftsström, väntelägesenergieffektivitet, kostnad och EMC-design för switchade nätaggregat (SMPS) i den centrala domänkontrollerns SOC huvudspänningsmatning (spänning från batteriingång till primär omvandling) blir en större utmaning för BUCK-spänningsomvandlarsdesign. Hur man löser och balanserar dessa konflikter är den tekniska riktning där switchad spänningsomvandlingsarkitektur, kraftkretsar, induktorer, MOSFET:ar och kondensatorer samverkar.

Denna artikel kombinerar designen av central domänkontrollers primära strömförsörjning för fordonsapplikationer med stor dynamisk switchad ström (100–300 %), och utforskar designen av DC-DC switchade strömförsörjningar, inklusive lösningar för strömförsörjning samt metoder för val av induktor och kondensator. Den diskuterar och implementerar praktisk design samtidigt som utmaningar inom volym, kostnad, verkningsgrad och prestanda hanteras.

Denna artikel använder Qualcomms SA8295-domänkontroller som exempel för att utforska och implementera den praktiska designen av den primära BUCK-switchade strömförsörjningen.

Denna artikelserie består av tre delar (kommer att uppdateras kontinuerligt):

01- Avkodning av Qualcomm Automotive Domänkontrollers första stegs strömförsörjningsdesign: Strömförsörjningsdesign och beräkning (detta kapitel)

02- Avkodning av Qualcomm Automotive Domain Controller första stegs strömförsörjningsdesign: Schemadesign och PCB-design

03- Avkodning av Qualcomm Automotive Domänkontrollers nivå 1-strömförsörjningsdesign: Analys av prestandatestmätning

1- Designmål och utmaningar

1.1 Transienta strömkraftriktlinjer för SA8295

Tabell 1: SA8295:s krav på strömförsörjningsdesign

1.2 SA8295 spänning i vänteläge krav

Qualcomm SOC 3,3 V strömförsörjning i vänteläge inom 4-7,5 mA (inklusive minnes självrefresheringsförbrukning), stöd för väckning från vänteläge.

Central Brain (Cabin Domain Controller) total forbrukning för fordonet 7-10 mA (13,5 V), 4G/5G-modul ensam förbrukar 4-5 mA, Qualcomm SA8295 ström vid 13,5 V är 3 mA (40 mW) eller mindre.

1.3 Tre utmaningar

1.3.1 Utmaning 1: Strömförsörjning med växelriktare för Qualcomm Domain Controller SA8295

Stor transient ström, 3,3 V, 18 ampere (0,1 ms), 0,1 ms är redan en lång period jämnströmsutgång för DC-DC-växelriktare, kräver att buck-strömförsörjningen dimensioneras för stabil 18 amperes utgång.

1.3.2 Utmaning 2: Dynamik i högkvalitativ domänstyrenhet SA8295 med strömförsörjning via växelriktare

Den statiska driftströmmen för SA8295-domänstyrenheten är 5–9 ampere, vilket leder till en skillnad i stabil driftström på över 300 % i växelriktarens induktans (induktansen är omvänt proportionell mot märkströmmen) vad gäller volym, kostnad och frekvens, vilket resulterar i betydande konflikter.

1.3.3 Utmaning 3: Mikroeffektverkningsgrad i högkvalitativ domänstyrenhet SA8295 med strömförsörjning via växelriktare

Vilostromsförbrukning, med en verkningsgrad på 70 % vid 13,5 V 3 mA, utgör en stor utmaning för strömförsörjningskontrollerns arkitektur och val av induktor.

Denna design bygger på utmaningen med den maximala SA8295 primära buck-strömförsörjningsdesignen och utforskar kärnsvårigheterna i switchade strömförsörjningar och DC-DC-tekniklösningar.

2- Lösningssval jämförelse

2.1 Qualcomm SA8295 domänkontrollspänningsförsörjningstekniska krav

Som visas i tabell 2:

Tabell 2: Qualcomm SA8295 Tekniska specifikationskrav för strömförsörjningsdesign

2.2 Designförslag och tekniska dokument

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1, etc., kan alla uppfylla designkraven. Denna design väljer LM25149-Q1 som huvudströmförsörjningslösning för domänkontrollern i detta projekt.

2.2.1 Officiell LM25149-Q1-adress:

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

Tabell 3: LM25149-Q1 Designreferensmaterial

2.2.2 LM25149-Q1 Specifikationsblad:

LM25149-Q1 42-V Automotive, Synchronous, Buck, DC/DC Controller med Ultra-Låg IQ och Integrerat Aktivt EMI-filter datablad (Rev. B)

2.2.3 Utvecklingskort för LM25149-Q1:

LM25149-Q1 EVM Användarhandbok (Rev. A) (ti.com.cn)

2.2.4 Aktivt filter stabilitet och prestanda:

Så här säkerställer du stabilitet och prestanda för aktiva EMI-filter (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 Designverktyg :

LM5149-LM25149DESIGN-CALC Beräkningsverktyg | TI.com

3- Synkron BUCK strömförsörjningsdesign och beräkning

3.1 HuvudsPECifikationer och designparametrar för LM25149

Tabell 4: Qualcomm SA8295 Tekniska specifikationer för strömförsörjningsdesign

Effektivitet

Aktiva EMI-filter

EMI-testning

Referensdesignschema

Utvärderingskort för referensdesignlösning

3.2 LM25149 Synchron BUCK-induktansvalskalkyl

3.2.1 Formel för beräkning av spänningsomvandlare i synkron BUCK-konfiguration:

Tabell 5: Formler för beräkning av synkron BUCK-elförsörjningsdesign

3.3 Beräkning av minsta induktans

(Beräkningsformel, se tabell 5.)

Tabell 6: Kurvdiagram för beräkning av minsta induktans (∆I=0,3)

Tabell 7: Beräkning av minimal induktans

3.3.1 Sammanfattning av data för induktansberäkning:

① Om designen täcker området 6–20 A (AI=0,3-beräkning), med 16 V ingång och 6 A utgång, bör induktansen vara ≥0,69 μH.

② Teoretisk beräkning av switchade nätaggregats induktans Lmin: ≥ 0,69μH (teoretisk);

③ Med tanke på den faktiska designvalet och induktorns tolerans ±20 %, välj 0,82 μH och 1,0 μH som optimal design (ökad induktans ger större storlek, högre kostnad och lägre SRF).

3.4 Beräkning av induktorström

(Formel: se tabeller 5, punkter 1 och 2)

Tabell 8: 0,82μH Induktorströmsberäkning

Tabell 9: 1,0μH Induktorströmsberäkning

3.4.1 Teoretisk beräkning av induktorns mättnadsström ≥ 20,76 A, avrundat till 21 A:

Tabell 10: Induktors specifikationer

4 - Val av induktor för switchande strömförsörjning

Tabell 11: Induktorval

4.1 Beräkning av strömmätande resistor för switchande strömförsörjning med LM25149

Tabell 12: Teoretisk beräkning av strömmätande resistor

Tabell 13: Val av strömmätande resistor

4.2 Beräkning av utgångskondensator för synkron BUCK-switchande strömförsörjning

(Beräkning av utgångskondensator: Se ekvation i tabell 5)

Tabell 14: Beräkning av utgångskondensator för synkron BUCK-switchande strömförsörjning

För synkrona buck-switchade elkraftdesigner finns det en avvägning mellan prestanda, storlek och kostnad för ingångs- och utgångsfilterkondensatorer. Kondensatorspecifikationstest utförs under specifika förhållanden, och variationer i mätutrustning under test kan ge avvikelser på 10–50 % för identiska specifikationer. Den slutgiltiga designprestandan kräver vetenskaplig validering och testning genom felsökningsprocessen (det finns ingen enda optimal lösning; endast valet av en lösning som är lämplig för den specifika applikationen).

Switch-kondensatorer måste uppfylla: Kapacitet ≥ 320uF (överspänningskrav), keramisk kondensator kapacitet större än 2,435uF (inte ett kärnkrav, tillräckligt att uppfylla kravet).

Tabell 15: Rekommenderad val av modeller för utgångsfilterkondensatorer för switchat nätaggregat

Tabell 16: Design av utgångsfilterkondensatorer för switchade nätaggregat

4.3 Beräkning av ingångskondensator för LM25149 elkraftförsörjning

4.3.1 Beräkningar av ingångskapacitans

Tabell 17: Beräkning av ingångsfilterkondensator för switchande strömförsörjning

Tabell 18: Val av utgångsfilter för switchande strömförsörjningar

4.4 LM25149 Mosfet-valberäkning

4.4.1 MOSFET-beräkning

LM25149:s datablad inkluderar inte många beräkningar eller urvalskalkyler. QG-beräkningar och val baseras på empiriska uppskattningar och omvända slutsatser. Beräkningsresultaten indikerar ett värde på 4,5–5,0 V Vgs och ≤22 nC. Beräkningsprocessen visas i tabellen nedan. Millerplattformen väljs till 2–3 V (nära 3 V är också acceptabelt), och Rdson väljs till ≤8 mΩ.

Tabell 19: Mosfet-val och beräkningar

4.5 Rekommendationer för Mosfet-val

Tabell 20: Modeller för Mosfet-val

4.6 LM25149 FB och kompensationsberäkningar

Tabell 21: FB och kompensationsberäkningar

4.7 LM25149 EMC-designberäkning

Utan att gå in på alltför mycket analys, hänvisa till specifikationerna.

5- Designsammanfattning

5.1 Sammanfattning av LM25149 BUCK-strömförsörjningsdesign och -val

Tabell 22: Design och Urval

5.2 Sammanfattning av lösningen

Prestanda och effektivitet för synkrona switchade kraftförsörjningar påverkas av många faktorer. Prestanda och specifikationer måste ta hänsyn till praktiska aspekter. Detta kapitel används för teoretiska beräkningar för att ge teoretisk vägledning för praktisk design. Prestanda och specifikationer för designen är nära relaterade till komponenternas prestanda, användningsförhållanden, layout, etc., och kräver noggranna tester och verifiering.

Design av synkron buck-strömförsörjning för Qualcomm domänkontrollern är ett utmanande område inom kontrollerdesign, som kräver en balans mellan prestanda, storlek och kostnad. CODACA fokuserar på självständig forskning och utveckling samt design av ströminduktorer och gemensamma ledningschocker. CSEB0660-1R0M är lämplig för plattformsutveckling och tillämpningar med Qualcomm, och erbjuder hög kostnadseffektivitet, stark motståndskraft mot mättnadström, låg värmeproduktion och branschledande effekt-till-volym-förhållande. CODACA ägnar sig åt teknologisk forskning och innovation, utvecklar utmärkta produkter för induktorindustrin och bidrar till utvecklingen och tillämpningen av elektroniska produkter.