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

Den snabba utvecklingen av ny energi fordonsindustrin har främjat en explosion i tillväxten av olika industriella kedjor, och fordonsintelligens samt autonom körning har blivit den viktigaste inriktningen för kärnkompetens inom elfordon, vilket skapar nya utmaningar och möjligheter för högt integrerade centrala hjärnor och domänkontrollanter, särskilt vad gäller tillförlitlighet, hög effekttäthet, EMC, hög verkningsgrad och kostnadseffektivitet för DC-DC-switchade strömförsörjningar.

Som leverantör av intelligenta cockpitdomänkontrollenheter intar SA8155 och SA8295 en viktig position, och motsättningen mellan transitoriell ström, stabil driftström, väntelägeffektivitet, kostnad och EMC-design för switchade nätaggregat i den centrala domänkontrollens SOC:s primärström (ström omvandlad från batteriets primära inmatning) har blivit en stor utmaning för BUCK-strömförsörjningsdesign. Hur man löser och balanserar dessa motsättningar är den tekniska riktning som switchade strömförsörjningsarkitektur, strömkretsar, induktorer, MOSFET:ar och kondensatortillverkare arbetar tillsammans mot.

Denna artikel diskuterar designen av DC-DC-switchande nätaggregat för primärströmförsörjning i central domänkontroll av stora dynamiska switchnätaggregat (100–300 %), inklusive strömförsörjningsschema, val av induktor och kondensator samt andra designtekniker, med beaktande av utmaningar gällande dimension, kostnad, verkningsgrad och prestanda.

Detta kapitel använder Qualcomm SA8295-domänkontrollenheten som exempel för att diskutera och implementera den praktiska designen av en första nivåns BUCK-switchnätaggregat.

Detta kapitel kräver att man läser den första serien (detaljerad teori och beräkning av BUCK-switchnätaggregat) och designar BUCK-nätaggregatet i detalj baserat på LM25149.

Denna artikelserie består av tre delar (med pågående uppdateringar):

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

02-Avkodning av Qualcomm Automotive Domain Controller första nivåns strömförsörjningsdesign: Schemadesign och PCB-design (detta kapitel)

03-Avkodning av Qualcomm Automotive Domain Controller första stegs strömförsörjningsdesign: Prestandatestmätanalys

1- Designmål och Utmaningar

1.1 SA8295 Transient Current Requirements

Tabell 1: SA8295 Strömförsörjningsdesign Krav

Observera: De senaste kraven för SA8295-utformningen är 21A (1 NPU) och 24A (2 NPUs), och denna design kan täcka (överströmskydd på 30A)

1.2 Designmål

Denna design använder en LM25149-design av domänstyrenhetens primära strömförsörjning , vilket kan uppfylla kraven på en transientspänning på 24A (100 μs) och uppfylla driftskraven för stationär drift över 10A, för att uppnå en omfattande balans mellan volym, kostnad och prestanda.

Observera: Transientspänning orsakar inte värmeutveckling (för Qualcomm SA8295 endast 100 μs transientspänning), stationär hög ström leder till ökad temperaturstegring, effekten av temperaturstegring måste mätas (designlösning väljs utifrån faktiska miljöförhållanden).

2 - Schematisk och PCB-design

2.1 Val av kärnkomponenter

Kriterierna för valet av primära switchaggregatkomponenter för domänstyrenheten: prestanda först, med hänsynstagande till kostnad och minskning av PCB-ytan; med tanke på EMC-problemet och strömslingsproblemet för BUCK-switchaggregat, överensstämmer det med den allmänna designteorin och reglerna för BUCK-switchaggregat, och den allmänna designmetoden kan användas som referens.

För detaljer om val och beräkning av elektroniska komponenter, se kapitel 1 ( Avkodning av Qualcomm Automotive Domain Controller första stegs strömförsörjningsdesign: Strömförsörjningsdesign och beräkning )

Alternativ 2 för denna design (användning av åtta keramiska kondensatorer med 47uF C1210-paket). Designen är inte begränsad till detta val, och produktdesignen kan justeras enligt de faktiska förhållandena, och designoptimering kan utföras 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

Val av induktor använder modell: VSEB0660-1R0MV

Tabell 4: Induktansval

2.1.3 Val av utgångsfilterkondensator för BUCK-strömadapter

Tabell 5: Val av utgångsfilterkondensator för BUCK-strömadapter

2.1.4 BUCK-strömförsörjning - val av ingångsfilterkondensatorer

Tabell 6: BUCK-strömförsörjning - val av ingångsfilterkondensator

2.2 Schematisk och PCB-designverktyg

2.2.1 Schematisk och PCB-design: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)

Figur 1 Introduktion till Caritron EDA

JLC Technology EDA är det ledande kostnadsfria EDA-utvecklingsverktyget i Kina, med kraftfulla funktioner och hög utvecklingseffektivitet. Denna design använder JLC Technology EDA för att skapa schematiskt diagram och PCB.

2.3 BUCK-strömförsörjning - schematisk design

2.3.1 BUCK-strömförsörjning - schematisk design

Principdesignen bygger på LM25149-Q1-specifikationen och den officiella utvecklingsplattan, och designen uppfyller grundläggande teori för BUCK-växelriktarströmförsörjning samt designkraven för primärströmförsörjning i högfrekventa domänkontrollenheter.

Figur 2 Schematiskt diagram för LM25149

2.3.2 BUCK-strömförsörjning - nyckelteknik i schematisk design

Ingångs-EMC-krets:

Tekniska punkter:

① Huvudfunktionen med L1 är att minska påverkan av ledande och utstrålad brus från switchade nätaggregat på ingångsströmmen. Switchfrekvensen för det switchade nätaggregatet är 2,2 MHz. L1 och C23 bildar en LC-filterkrets (C16 är elektrolytkondensatorn, främst för låga frekvenser under 500 kHz), och 2,2 MHz minskas med 60 dB.

② C21 minskar switchbrus (stigande och fallande kantresonans i effektrör), främst minskar EMC-brus från 10–100 MHz.

③ Om C21 och C23 används i nätaggregat av första klass (före skydd), måste du välja kondensatorer med flexibla anslutningar. Om det är skyddat kan du välja automobilklassade kondensatorer. Ett liknande skyddssystem kan också implementeras genom seriekoppling av två kondensatorer.

Samma krav gäller för kraft-MOSFET:ar och LM25149-ingångskondensatorer, avkopplingskondensatorer; denna design används inte för prestandaverifiering, utan använder en enda keramisk kondensator, och produkt-nivådesignen följer kraven för fordonstypdesign.

Observera: LM25419 aktiv EMC-kompensering och dual random spread spectrum-teknik minskar endast EMC-amplituden till viss del, och EMC kan inte elimineras helt. För switchfrekvensen 2,2 MHz med relaterad energi, vid hög ström (≥10 A) finns fortfarande en risk att överskrida standarden, och det är den faktiska felsökningen som gäller. Om borttagning av C23 ändå gör att genomleden strålning klaras, kan användningen av C23 sparas och kostnaden minskas.

Ingångskondensatorer för BUCK-kraft:

① C2, C3 är BUCK-ströminmatningskondensatorer, vilka är avgörande för switchade strömförsörjningars EMC-prestanda. För 10 µF-kondensatorer väljer man impedans vid cirka 2 MHz ≤5 mΩ. Modellerna CGA4J1X8L1A106K125AC och CGA6P1X7S1A476M250AC har goda tekniska indikatorer som kan användas som referens. Kondensatorval kan göras med keramisk typ X7R, 35 V/50 V spänningsbeständighet, och paket i C1210 och C1206 finns tillgängliga. I denna design har C1210-paketet valts, vilket möjliggör verifiering av en bred modellvariation.

② C4 är en högfrekvent EMC-kondensator för switchning, välj 50 V X7R, C0402-paket.

C2, C3, C4: Layout måste ta hänsyn till strömslingan (se detaljerna i Layout). Uppfyll de grundläggande kraven och designteorin för BUCK-ströminmatningskondensatorer. Du kan fördjupa din förståelse genom att lära dig teorin för BUCK-switchade strömförsörjningar.

③ TP7, TP9, TP13 används för att testa TG-, BG- och SW-signalerna hos brytaren och används för att testa rimligheten i dödtidsperioden, ringningsegenskaper samt stigande och fallande kantprestanda hos MOSFET, vilket är ett viktigt elektriskt prestandatest för switchade nätaggregat.

TP-testpunkten för GND används för att minska oscilloskopets GND-loop vid mätning och förbättra mätprecisionen, och LAYOUT måste ta hänsyn till att placera testpunkten så nära den relevanta testsignalen som möjligt.

MOSFET-grinddrivmotstånd:

① R1 och R2 är gränsdrivmotstånd för MOSFET, vilka har en viktig inverkan på stigande och fallande kanter hos kraft-MOSFET.

② Urvalet av R1 och R2 påverkas av kombinerade skäl relaterade till den styrsignalsbaserade BUCK-strömförstärkarens utgångsström (styrenhetens PULL- och PUSH-motstånd, grindimpedans och laddningsegenskaper hos kraft-MOSFET:en (ingångskapacitans CISS)), och det totala motståndet i hela kretsen väljs till ≤ 10 ohm vid initial design, vilket också beror på laddningsegenskaperna och som måste finjusteras för att välja lämpligt motståndsvärde.

③ R1 och R2 är också de viktigaste parametrarna som påverkar switchningsbrus-EMC mest, samt de kritiska kretsfaktorer som påverkar switchningsförlusterna.

Observera: 6 provpunkter används för att testa switch-karakteristik och dödtid.

Utseffektsläng:

① Induktansval: Induktansval överväger främst två faktorer:

- Transient arbetsström: Kapabel att hantera transient utgångsström på 24 A (tid: 100 μs);

- Stationär arbetsström: 10 A, vilket möjliggör stabilt arbete vid 10 A ström (inklusive omgivningstemperaturer upp till 85 °C);

-Varaktigheten för den tillfälliga driftströmmen är ≤ 100 μs, och den uppstår under startfasen, där endast villkoret att säkerställa att induktansen inte är mättad kan uppfylla kraven (uppfyllande av induktansvärdet för strömmen).

② Val av shuntmotstånd: Shuntmotståndet väljs i R1206-paket, och värmeavledningsförmågan ≥ 0,5 W;

③ Val av kondensatorer: Referens: Kapitlet om utgångsfilterkondensator i den första delen av kapitlet;

Återkopplingsslinga:

LM25149 har fast inställd utgångskonfiguration och återkopplingsutgångskonfiguration, och detaljerad information finns i specifikationsdokumentet;

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

Utgångsspänning konfigureras med R14, R9 och R10 på den tomma etiketten;

R19 och reserverade TP3, TP4: för testning, fasmarginal, traversfrekvens etc.

Observera: TP3 och TP4 används för att mäta fasmarginal, traversfrekvens etc.

Funktionsinställningar:

① EN: aktiveringssignal, sätt på strömförsörjningen ≥ 1,0 V, kan skyddas genom precisionsniederspänning;

② Sync-PG: Synkron utgång eller Power good, denna design avser Power Good;

③ PFM/SYNC

-Standard (NC) hoppkabel: Diodanalog, liten strömutgång, kan arbeta med hög verkningsgrad;

-Kortslutningshoppkabel till GND, tvingat CCM-läge;

④ Inställning av chipets arbetsläge: totalt 5 arbetslägen (se specifikationsboken).

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 – nyckelteknik för PCB-design

Ingångs- och utgångskondensatorloopar:

① Ingångs- och utgångskondensatorerna i BUCK-strömförsörjningen ska hålla en minimal loop, vilket har en viktig inverkan på EMC;

② C4 används främst för att absorbera ringningsbrus vid switchens flanker i stigande och fallande led;

MOSFET- och induktorloopar:

① Användandet av två-i-ett MOSFET-minskar layoutytan och kostnaderna, men nackdelen är att layoutens SW inte kan upprätthålla den minsta loopen;

② SW-punkten på den två-i-ett MOSFET:en kan inte realisera spårbarhet i samma lager av PCB, och det krävs att man byter lageryta för att uppnå kontinuerlig strömming.

Samplingsström:

① Sampelströmmen måste vara differentiella spår, och det krävs ett referens-GND-plan;

② Det behöver inte kontrolleras impedans eller lika längd, och spåren håller den minsta avståndsnivån i layouten.

FB-återkoppling:

Resistorer och andra komponenter ska vara nära styrelsets stift.

Kylning och GND:

Värmeelement: MOSFET:ar, induktorer och shuntmotstånd kan lämpligen öka värmeledningen i planområdet, och att öka antalet GND-vias kan förbättra värmekylningen för hela kretskortet.

3- Domänstyrd BUCK-strömförsörjningsdesign av första klass – sammanfattning

3.1 3D-ritning

3D-figur-1

3D-figur-2

3.2 Designsammanfattning

① Switchade strömförsörjningsdesignen använder en 4-lagers konstruktion, PCB-tjocklek 1,6 mm, storlek 30x65 mm;

② Utströmmen kan klara Qualcomm SA8295:s maximala transienta ström på 24 A och stödjer en statisk utströmskapacitet på mer än 10 A.

4- Om Codaca Elektronik

Codaca fokuserar på självständig forskning och utveckling, design och tillverkning av induktorer, och VSEB0660-1R0M är lämplig för utveckling och användning av Qualcomm-plattformar. Den har tekniska fördelar såsom hög kostnadsnytta, stark motståndskraft mot mättnadström och låg värmeproduktion samt ett branschledande effekt-till-volym-förhållande. Codaca fokuserar på teknologisk forskning och utveckling, teknologisk innovation, utvecklar utmärkta produkter för induktorindustrin och bidrar till utveckling och tillämpning av elektroniska produkter.

5- Test och Verifiering

För efterföljande testning och verifiering, vänligen hänvisa till: 03- Avkodning av Qualcomm Automotive Domain Controller första stegs strömförsörjningsdesign: Prestandatestmätanalys .

[Referens]

1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1

2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E