EN
Quick Links
Den snabba utvecklingen inom nyenergiinfrastrukturindustrin har drevit en explosiv tillväxt i varje kedja, bilintelligens, självständigt körande har blivit den viktigaste kärnkompetensen för riktningen hos nya energieffektiva fordon. Detta har skapat både nya utmaningar och möjligheter för tillförlitlighet hos DC-DC switchade strömförsörjningar, hög effekttäthet, EMC i switchade strömförsörjningar, 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 omvandlad till nivå 1) transient ström, stabil driftström, växelströmsverkningsgrad, kostnad samt konflikten mellan switchade nätaggregats EMC-design har blivit en stor utmaning för BUCK-strömförsörjningsdesign. Hur man löser och balanserar dessa motsättningar är inom switchade nätaggregats arkitektur, strömkretsar, induktorer, Mosfet, kondensatorer där tillverkarna arbetar tillsammans i teknologins riktning.
I denna artikel behandlas den stora dynamiska switchande strömförsörjningsströmmen (100–300 %) för nivå 1-strömförsörjning i automotiva centrala domänkontroll, där vi undersöker designen av en DC-DC-switchande strömförsörjning, inklusive strömförsörjningslösning, val av induktorer och kondensatorer samt andra designmetoder. Vidare beaktas utmaningar med avseende på volym, kostnad, effektivitet och prestanda hos verkliga implementeringar.
Med Qualcomm SA8295-domänkontrollern som exempel diskuteras och implementeras en praktisk design av en primär BUCK-switchande strömförsörjning i detta kapitel.
Detta kapitel kräver en grundlig förståelse av den första delen i serien (som detaljerar teori och beräkningar för BUCK-switchande strömförsörjning), och fortsätter sedan med att designa en detaljerad BUCK-strömförsörjning baserad på LM25149.
Denna artikelserie innehåller tre delar (uppdateras kontinuerligt i efterföljande delar):
01-dekodning av Qualcomms automotiva domänkontrollernivå 1-strömförsörjningsdesign: Strömförsörjningsdesign och beräkning (publicerad)
02-Deciphering Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Schematisk Design och PCB-design (detta kapitel )
03-Deciphering Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Prestandatestmätanalys (kommer att släppas)
1- Designmål och Utmaningar
1.1 SA8295 Transient Current Requirements
Tabell 1: SA8295 Strömförsörjningsdesign Krav
Notering: Den senaste SA8295-designen kräver 21A (1 NPU) och 24A (2 NPUs), vilket denna design kan täcka (30A överströmsskydd)
1.2 Designmål
Denna design använder LM25149 för att designa primärströmförsörjningen för domänkontrollern , kapabel att stödja en transitoriell ström på 24A (100µs) och uppfylla kravet för stationär drift på över 10A, vilket uppnår en balanserad avvägning mellan storlek, kostnad och prestanda.
Notering: Transitoriell ström medför inga termiska problem (för Qualcomm SA8295 varar den transitoriella strömmen endast 100µs). Däremot kan en hög stationär ström leda till ökad temperaturhöjning, så effekterna av termisk prestanda måste utvärderas (designlösningen bör väljas utifrån de faktiska miljöförhållandena).
2 - Schematisk och PCB-design
2.1 Val av kärnkomponenter
Valkriterier för komponenter i domänkontrollernivåns switchade spänningsförsörjning: prioritet till prestanda, med hänsyn tagen till kostnaden samt minskad yta på PCB; ta hänsyn till EMC-problem och strömsløyfproblem i BUCK-switchad spänningsförsörjning, i enlighet med allmän teori och regler för BUCK-switchad spänningsförsörjning, hänvisa till generella designmetoder.
Se kapitel 1 för detaljer om val och beräkningar av elektroniska komponenter (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculations)
Denna design väljer alternativ 2 (användning av åtta 47uF keramiska kondensatorer i C1210-paket). Designen är inte begränsad till detta val, produktdesignen kan justeras enligt modellens faktiska förhållanden, och optimering av designen kan göras utifrån faktiska testresultat.
Tabell 2: BUCK-strömförsörjning – schemadesign
2.1.1 BUCK-strömförsörjning – MOSFET-val
Tabell 3: BUCK-strömförsörjning – MOSFET-val
2.1.2 BUCK-strömförsörjning – induktansval
Induktansval med modellnummer: VSEB0660-1R0MV
Tabell 4: Induktansval
2.1.3 BUCK-strömförsörjning – val av utgångsfilterkondensator
Tabell 5: BUCK-strömförsörjning – val av utgångsfilterkondensator
2.1.4 BUCK-strömförsörjning - val av ingångsfilterkondensator
Tabell 6: BUCK-strömförsörjning - val av ingångsfilterkondensator
2.2 Schematisk och PCB-designverktyg
2.2.1 Schematisk och PCB-design: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
Figur 1 Introduktion till Caritron EDA
Jialitron EDA är ett ledande gratis EDA-utvecklingsverktyg, kraftfullt och effektivt i utveckling. Denna design använder Jialitron EDA för att skapa schematisk och PCB-design.
2.3 BUCK-strömförsörjning - schematisk design
2.3.1 BUCK-strömförsörjning - schematisk design
Den schematiska designen refererar till LM25149-Q1 databladet och den officiella utvecklingsplattan, och designen följer den grundläggande teorin för BUCK-switchade strömförsörjningar samt kraven för högfrekvent kontrollerdesign på första nivån.
Figur 2 LM25149 Schematisk design
2.3.2 BUCK Strömförsörjning - Schemadesign Fokuserad Teknologi
Ingångsport EMC-krets:
Tekniska punkter:
① L1:s huvudsakliga roll är att minska påverkan av ledningsburen brus från switchade nätaggregat på ingångsspänningen, switchfrekvensen för det switchade nätaggregatet är 2,2 MHz, L1 och C23 bildar en LC-filterkrets (C16 är en elektrolytkondensator för låg frekvens under 500 kHz), 2,2 MHz minskas med 60 dB.
② C21 minskar switchbruset (stigande och fallande flankringning i effekttransistorn) och främst EMC-bruset mellan 10-100 MHz.
③ Vid val av kondensatorer C21, C23, om strömförsörjningen är outförsäkrad bör man välja flexibla klemtyper, om den är försäkrad kan man använda bilspecifikationskondensatorer. Man kan också använda två kondensatorer i serie med ortogonalt layout för att uppnå en liknande skyddsmekanism.
För kraft-MOSFET:ar och LM25149 gäller samma krav på ingångskapacitans och avkopplingskapacitans, denna design används inte för prestandoverifiering, användning av en enskild keramisk kondensator följer kraven för automotivgrad i produktdesign.
Notering: LM25419 aktiv EMC-eliminering och dubbel slumpmässig frekvensspridningsteknik minskar endast EMC-amplituden till en viss grad, men kan inte eliminera EMC helt. För switchfrekvensen på 2,2 MHz som är relaterad till energi, finns det en risk att överskrida standarden vid högström (≥ 10 A) i applikationer. Detta måste baseras på faktisk felsökning. Om C23 kan tas bort och ändå klara strålning genom ledning kan kostnaden minskas genom att inte använda C23.
Ingångskondensatorer för BUCK-kraft:
① C2, C3 för BUCK kraftförsörjnings ingångskapacitans, för switchkraftförsörjning EMC-prestanda är kritiskt, 10uF kapacitansval 2 MHz nära impedansen ≤ 5 mΩ, CGA4J1X8L1A106K125AC och CGA6P1X7S1A476M250AC har god tekniska specifikationer som referens, kapacitansval kan väljas X7R, 35 V/50 V hållspänning, kapsel C1210 och C1206 kan användas. Denna designval C1210-kapsel, du kan ha fler modeller att verifiera prestandan.
② C4 för högfrekvent switch EMC-kondensatorer, välj 50 V X7R, C0402-kapsel kan användas.
C2, C3, C4, Layout måste uppmärksamma strömkretsen (se Layoutdetaljer), i enlighet med de grundläggande kraven och designteorin för BUCK kraftförsörjnings ingångskapacitans, du kan lära dig BUCK switchkraftförsörjningsteori för att fördjupa din förståelse av ingångskapacitansen.
③ TP7,TP9,TP13 används för att testa switcharnas TG-, BG- och SW-signaler, används för att testa dödtidsrationalitet, ringningsprestanda och MOSFET:s prestanda vid stigande och fallande flankar, är en viktig elektrisk prestandatestindikator för switchade nätaggregat.
TP-testpunkten för GND används för att minska oscilloskopets GND-loop vid testning och förbättra mätprecisionen, och LAYOUT måste placeras så nära som möjligt till testpunkterna för de relevanta testsignalerna.
MOSFET-grinddrivmotstånd:
① R1 och R2 är MOSFET-grinddrivmotstånd, vilket har en viktig effekt på den stigande och fallande flanken hos kraft-MOSFET.
② R1, R2-valet styrs av BUCK-strömkontrollerns utströmsström (kontroller (PULL- och PUSH-motstånd), MOSFET:s portimpedans och laddningskarakteristik (ingångskapacitans CISS) samt andra omständigheter som påverkar valet av motståndssumma i den ursprungliga konstruktionen ≤ 10 ohm, men beror också på laddningskarakteristiken, vilket kräver slutlig finjustering för att välja lämplig resistans.
③ R1 och R2 är också de mest kritiska parametrarna för EMC vad gäller switchningsbrus, samtidigt som det påverkar kärnans effektförluster. I praktisk användning behöver man balansera effektivitet (uppvärmning av MOSFET) och EMC-motsättningar för att uppnå en jämviktspunkt.
Notering: 6 testpunkter för att testa switchningskarakteristik och dödtid.
Utseffektsläng:
① Val av induktans: Valet av induktans baseras på två huvudöverväganden:
-Transient ström: kan tillfälligt leverera 21 (24) A (tid: 100 μs);
-Kontinuerlig driftström: 10 A, kan arbeta stabilt vid 10 A ström (vid omgivningstemperatur upp till 85°);
-Transient driftström varaktighet ≤ 100 µs och sker i startfasen, behöver bara säkerställa att induktorn inte mättas ut för att uppfylla kraven (för att uppnå erforderlig induktans).
② Val av samplingsmotstånd: val av motstånd R1206-paket, termisk effektdissipation ≥ 0,5 W;
③ Val av kondensatorer: referens: kapitlet om utgångsfilterkapacitans i den första delen av kapitlet;
Återkopplingsslinga:
LM25149 har en fast konfiguration för utgångsspänning samt en återkopplad utgångskonfiguration, se databladet för detaljer;
① R14l ansluten till VDDA, ger ut 3,3 V
② R14=24,9 K, ger ut 5,0 V
③ R14=49,9 K, ger ut 12,0 V
Lämna R14 obevuxen, R9 och R10 konfigurerar utgångsspänningen;
R19 och reserverad TP3, TP4: för testning, fasmarginal, korsningsfrekvens etc.
Notering: TP3 och TP4 används för testning, fasmarginal, korsningsfrekvens etc.
Funktionsinställning:
① EN: Aktivera signal, ≥1,0V slår på strömmen, kan användas för exakt undertillgänglig spänningsskydd;
② Sync-PG: Synkron utgång eller Ström OK, denna design används för Ström OK;
③ PFM/SYNC
-Standard (NC) jumper: Diodanaloga, liten strömutgång, kan arbeta med hög effektivitet;
-Kortslut jumper till GND, tvingar CCM-läge;
④ Chip-arbetslägesinställningar: totalt fem arbetslägen (se specifikationen)
2.4 BUCK matningsspänning - PCB-design
2.4.1 BUCK-strömförsörjning-PCB-design
① -TOP
② -GND
③ -Signal
④ -Bottom
2.4.2 BUCK-strömförsörjning-PCB-design fokuserar på teknik
Ingångs- och utgångskapacitansloopar:
① BUCK-strömförsörjningens ingångs- och utgångskapacitans för att upprätthålla en minimal loop har en viktig påverkan på EMC;
② C4 används huvudsakligen för att absorbera switchningens stigande och fallande flankringningsbrus.
MOSFET:ar och induktiva loopar:
① Användningen av två-i-en MOSFET minskar layoutytan och sänker kostnaden, men nackdelen är att Layout SW inte kan upprätthålla den minsta slingan;
② SW-punkten för två-i-en MOSFET kan inte realisera samma lager av PCB-alignment, och det behöver byta lager för att kunna utföra planen i ordning att uppnå kontinuitet i strömmen.
Samplingsström:
① Samplingsström kräver en differentialalignment med ett referens GND-plan;
② Impedanskontroll och lika längd krävs inte, och alignmenten upprätthåller Layoutens minsta avstånd.
FB-återkoppling:
Resistorer och andra komponenter ska vara nära styrelsets stift.
Kylning och GND:
Komponenter som genererar värme: MOSFET, induktorer och shuntresistorer, man kan anpassa öka planytan för att leda bort värmen, och öka GND-genomföring kan hjälpa till att förbättra kylningsegenskaperna hos hela versionen.
3- Domänstyrd Nivå 1 BUCK-nätdel - Sammanfattning
3.1 3D-ritning
3D-figur-1
3D-figur-2
3.2 Designsammanfattning
① Konstruktionen av switchade nätaggregat har en 4-lagersdesign med en PCB-tjocklek på 1,6 mm och en storlek på 30x65 mm;
② Utströmmande ström kan möta Qualcomm SA8295 maximal 24A transient ström, stöd steady state 10A eller mer utgångsprestanda.
4- Om Codaca Elektronik
Codaca fokuserar på induktorns oberoende forskning och utveckling, design och tillverkning, VSEB0660-1R0M är lämplig för Qualcomm-plattformsutveckling och applikation. Den har tekniska fördelar såsom hög kostnads-effektivitet, hög motståndskraft mot mätström, låg värmeproduktion och ledande branschstorleksförhållande. Codaca fokuserar på teknologisk forskning och utveckling, teknologisk innovation, forskning och utveckling av utmärkta produkter för induktorindustrin, för att hjälpa utveckling och applikation av elektroniska produkter.
5- Test och Verifiering
För uppföljande testverifiering, vänligen hänvisa till: 03-Deciphering Qualcomms Automotive Domain Controller Nivå 1 Strömförsörjningsdesign: Prestandatestmätanalys (kommer att släppas)
[Referens]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E