Demystifiering av Högpassdomänstyrdnivå 1 Strömförsörjningsdesign: Strömförsörjningsdesign och Beräkning

Den snabba utvecklingen inom nyenergibilindustrin har drevit en explosiv tillväxt i varje del av industrileden. Fordonsintelligens och autonom körning har blivit den viktigaste kärnkompetensen inom nyenergibilar. Detta har skapat nya utmaningar och möjligheter för den högt integrerade centrala hjärnan och domänkontrollanten, särskilt vad gäller tillförlitlighet hos DC-DC switchade strömförsörjelser, hög effekttäthet, EMC-prestanda för switchade strömförsörjelser, hög verkningsgrad samt kostnadseffektivitet.

Qualcomm som leverantör av intelligent cockpit domain controller, SA8155 och SA8295 intar en viktig position. Den centrala domänkontrollens SOC-nivå 1 strömförsörjning (ström från batteriet som omvandlas till nivå 1) transient ström, stabil driftström, vänteläge driftseffektivitet, kostnad, konflikten mellan switchade nätaggregat EMC-design har blivit en stor utmaning för BUCK-strömförsörjningsdesign. Hur man löser och balanserar dessa motsättningar är den tekniska riktningen för switchade nätaggregats arkitektur, strömförsörjningskrets, induktor, Mosfet, kondensator tillsammans.

Denna artikel kombinerar den stora dynamiska switchande strömförsörjningsströmmen (100-300 %) i automotive central domänkontrollnivå 1-strömförsörjningsdesign för att utforska designen av DC-DC-switchande strömförsörjning, inklusive strömförsörjningslösning, induktorns val, kapacitansval och andra designtekniker; med hänsyn till volym, kostnad, effektivitet, prestation utmaningar att utforska och praktisk implementering av design.

Denna artikel utforskar och implementerar ett verkligt designexempel på ett enfass BUCK-switchat nätaggregat med Qualcomm SA8295 domain controller som exempel.

Denna artikels serie innehåller tre serier (kommer att uppdateras kontinuerligt i framtiden):

01- Att dechiffrera Qualcomm Automotive Domain Controller Nivå 1 Strömförsörjningsdesign: Strömförsörjningsdesign och Beräkning (detta kapitel)

02- Avmaskering av Qualcomm's Automotive Domain Controller Level 1 strömförsörjningsdesign: Schemadesign och PCB-design

03- Att förstå Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 strömförsörjningsdesign: Prestandatestmätanalys

1- Designmål och utmaningar

1.1 SA8295 Transient Current Requirements

Tabell 1: SA8295 Strömförsörjningsdesign Krav

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 hjärna (cockpit domänkontroller) hela bilens totala ström budget 7-10 mA (13,5 V), 4G/5G-modul ensam förbrukning 4-5 mA, Qualcomm SA8295 ström 13,5 V 3 mA (40 mW) inom.

1.3 Tre utmaningar

1.3.1 Qualcomm Domain Control SA8295 Switchmode Strömförsörjning Utgångsström Utmaning 1:

Större transient ström, 3,3 V, 18 Amp (0,1 ms), 0,1 ms för DC-DC switchmode nätaggregat tillhör redan den långvariga stationära utgången, behöver en buck-nätdel enligt 18 Amp stabil utgångsdesign.

1.3.2 Qualcomm-domänkontrollerad SA8295-switchmodusnätaggregats högströmsdynamik utmaningar 2:

SA8295-domänkontrollens stationära driftström ligger mellan 5-9 ampere, vilket kommer att orsaka switchmodusnätaggregatets induktans (induktansen och strömstorleken är omvänt proportionella mot valet av stationär driftström som överstiger skillnaden med mer än 300 % vad gäller volym, kostnad, frekvens, större motsättningar.

1.3.3 Qualcomm-domänkontrollerad SA8295-switchmodusnätaggregats mikroeffektutmaningar 3:

Vilospänning, kräver 13,5 V 3 mA effektförbrukning 70 %, vilket är en arkitektonisk utmaning för effektregulatorn, samt val av induktans i designen.

Denna design baseras på den mest utmanande SA8295 en-nivå Buck-spänningsförsörjningsdesignen, för att utforska kärnsvårigheterna i switchade spänningsförsörjningar och DC-DC tekniklösningar.

2 - Jämförelse av programval

2.1 Qualcomm SA8295 domänkontrollspänningsförsörjningstekniska krav

Som visas i tabell 2:

Tabell 2: Qualcomm SA8295 spänningsdesignspecifikationskrav

2.2 Programdesign och teknisk information

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 och LM25149-Q1 kan uppfylla designkraven. I denna design har LM25149-Q1 valts som första nivåns spänningsförsörjningsdesign för denna centralhjärnodomäncontroller.

2.2.1 LM25149-Q1 officiell webbadress:

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

Tabell 3: LM25149-Q1 Designreferenser

2.2.2 LM25149-Q1 Datablad:

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 strömförsörjningsdesignspecifikationer krav

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: Beräkningsformler för BUCK-strömförsörjningsdesign

3.4 Beräkning av minimal induktans

(För formler, se Tabell 5.)

Tabell 6: Beräknad graf över minimal induktans (∆I=0,3)

Tabell 7: Beräkning av minimal induktans

3.4.1 Sammanfattning av data för induktansberäkning:

① Om designen täcker området 6-20A (AI=0,3 beräkning), 16V ingång, 6A utgång, induktans ≥ 0,69μH.

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

③ Med tanke på den faktiska designvalet och induktansfelet ±20%, välj 0,82μH och 1,0μH som bästa design (induktansen ökar, volymen ökar, kostnaden ökar, SRF minskar).

3.5 Beräkningar av induktorström

(Formel: se tabell 1 och 2 i tabell 5)

Tabell 8: 0,82μH Induktorströmsberäkning

Tabell 9: 1,0μH Induktorströmsberäkning

3.5.1 Teoretiskt beräknad induktors mättnadsström ≥ 20,76A, avrundat till 21A:

Tabell 10: Induktansindikatorer

4- Välj induktor för switchande kraftförsörjning

Tabell 11: Induktorval

4.1 LM25149 Switchande kraftförsörjningsinduktorns strömsamlingsmotståndsberäkning

Tabell 12: Teoretisk beräkning av induktorns strömsamlingsmotstånd

Tabell 13: Induktiv samplingsmotståndsval

4.2 Synkron BUCK-switchande kraftförsörjningens utgångskapacitansberäkning

(Beräkning av utgångskapacitansen: se formeln i tabell 5)

Tabell 14: Synkron BUCK-switchande kraftförsörjningens utgångskapacitansberäkning

För design av synkron BUCK-switchande nätdel, finns det en motsättning mellan inspänning- och utspänningsfilterkondensatorernas prestanda, volym och kostnad. Kondensatorspecifikationens index-test är slutfört under specifika förhållanden. Skillnader i mätutrustning under testprocessen kan innebära att samma indikatorer kan uppvisa en skillnad på 10–50 %. Slutgiltiga designprestanda måste verifieras genom praktisk vetenskaplig testning under felsökningsprocessen (det finns ingen optimal lösning för design, endast val av lämplig scenariot) (Det finns ingen optimal designlösning, utan man väljer den som passar scenariot).

Switchkondensatorer måste uppfylla: kapacitet ≥ 320uF (Overshoot-krav), keramisk kondensator > 2,435uF (inte ett kärillkor, men bör uppfyllas om möjligt)

Tabell 15: Rekommenderad modellval för switchande nätdels utgångsfilterkondensatorer

Tabell 16: Design av switchande nätdels utgångsfilterkondensatorer

4.3 LM25149 Nätdel Ingångskapacitansberäkning

4.3.1 Beräkningar av ingångskapacitans

Tabell 17: Beräkningar av ingångsfilterkapacitans för switchande kraftförsörjning

Tabell 18: Val av utgångsfilter för switchande kraftförsörjning

4.4 LM25149 Mosfet-valberäkning

4.4.1 Mosfet-beräkningar

LM25149 datablad innehåller inte många beräkningar och valberäkningar, QG-beräkningar och val baserat på empiriska uppskattningar baklänges, vid beräkning väljs 4,5–5,0 V Vgs, ≤ 22 nC, beräkningsprocessen hänvisar till följande tabell, välj Miller-plattan till 2–3 V (det är också okej om det är nära 3 V), Rdson välj ≤ 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-designberäkningar

Utan att analysera för mycket, hänvisa till specifikationen.

5- Designsammanfattning

5.1 LM25149BUCK strömförsörjningsdesign urvalssammanfattning

Tabell 22: Design och Urval

5.2 Programsammanfattning

Prestanda och effektivitet för en synkron switchmatning påverkas av många faktorer, prestanda och indikatorer måste ta hänsyn till de faktiska faktorerna, detta kapitel används för teoretiska beräkningar, teoretisk vägledning för den faktiska designen, designens prestanda och indikatorer är nära kopplade till komponenternas prestanda, användningsvillkor, layout, etc., vilket kräver noggranna tester och verifiering.

Design av synkron buck-strömförsörjning för högpassdomänkontroll är ett svårt tekniskt område inom kontrollerteknologidesign, där man behöver balansera prestanda, volym och kostnad. Kodak Ka fokuserar på induktorns oberoende forskning och utveckling. CSEB0660-1R0M är lämplig för utveckling och applikation av högpassplattformen, har en hög kostnads-effektivitet samt stark motståndskraft mot mättnadscurrent, liten värmeutveckling och andra tekniska fördelar, med ett branschledande effekt-till-volym-förhållande; Kodak Ka fokuserar på teknologisk forskning och utveckling, teknologiska innovationer och utvecklar utmärkta produkter för induktorns industri, för att hjälpa till i utvecklingen och användningen av elektroniska produkter.