การถอดรหัสการออกแบบแหล่งจ่ายไฟขั้นตอนแรกของคอนโทรลเลอร์โดเมนยานยนต์ Qualcomm: การออกแบบและคำนวณแหล่งจ่ายไฟ

การพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมยานพาหนะพลังงานใหม่ ได้ผลักดันให้เกิดการเติบโตแบบก้าวกระโดดในห่วงโซ่อุตสาหกรรมต่างๆ ความชาญฉลาดของรถยนต์และการขับขี่อัตโนมัติได้กลายเป็นทิศทางด้านความสามารถในการแข่งขันที่สำคัญที่สุดสำหรับยานยนต์พลังงานใหม่ ซึ่งนำความท้าทายและโอกาสใหม่ๆ มาสู่สมองกลางแบบรวมระดับสูงและคอนโทรลเลอร์โดเมน โดยเฉพาะในด้านความน่าเชื่อถือ ความหนาแน่นของกำลังไฟสูง EMC ของแหล่งจ่ายไฟสวิตช์ประสิทธิภาพสูง และต้นทุนที่คุ้มค่าของแหล่งจ่ายไฟแบบ DC-DC สวิตช์

Qualcomm ในฐานะผู้จัดจำหน่ายตัวควบคุมโดเมนสำหรับห้องโดยสารอัจฉริยะ มีตำแหน่งสำคัญด้วยชิป SA8155 และ SA8295 ความขัดแย้งระหว่างกระแสไฟฟ้าชั่วคราว กระแสไฟฟ้าคงที่ขณะทำงาน ประสิทธิภาพพลังงานในโหมดสแตนด์บาย ต้นทุน และการออกแบบ EMC ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS) สำหรับแหล่งจ่ายไฟหลักของ SoC ตัวควบคุมโดเมนกลาง (พลังงานจากแบตเตอรี่เข้าสู่การแปลงขั้นแรก) กลายเป็นความท้าทายหลักในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบ BUCK การแก้ไขและถ่วงดุลความขัดแย้งเหล่านี้จึงเป็นทิศทางทางเทคนิคที่สถาปัตยกรรมแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด ชิปจ่ายไฟ ขดลวดเหนี่ยวนำ MOSFET และตัวเก็บประจุ ต้องทำงานร่วมกัน

บทความนี้รวมการออกแบบแหล่งจ่ายไฟหลักของตัวควบคุมโดเมนกลางสำหรับการใช้งานยานยนต์ที่มีกระแสไฟฟ้าแบบสวิตช์โหมดพลังงานสูงแบบไดนามิกขนาดใหญ่ (100-300%) โดยสำรวจการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด DC-DC ซึ่งรวมถึงแนวทางการเลือกโซลูชันแหล่งจ่ายไฟ ขดลวดเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุ พร้อมทั้งอภิปรายและดำเนินการตามการออกแบบเชิงปฏิบัติ ขณะเดียวกันก็แก้ไขปัญหาที่เกี่ยวข้องกับขนาด ต้นทุน ประสิทธิภาพ และสมรรถนะ

บทความนี้ใช้ตัวควบคุมโดเมน SA8295 ของ Qualcomm เป็นตัวอย่าง เพื่อศึกษาและดำเนินการตามการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบ BUCK สวิตช์โหมดขั้นต้นอย่างเป็นรูปธรรม

ชุดบทความนี้ประกอบด้วยสามส่วน (จะมีการอัปเดตอย่างต่อเนื่อง):

01- ถอดรหัสการออกแบบแหล่งจ่ายไฟขั้นต้นของตัวควบคุมโดเมนยานยนต์ Qualcomm：การออกแบบและการคำนวณแหล่งจ่ายไฟ (บทนี้)

02- การถอดรหัสการออกแบบแหล่งจ่ายไฟขั้นตอนแรกของคอนโทรลเลอร์โดเมนยานยนต์ Qualcomm: การออกแบบวงจรผังและออกแบบแผงวงจรพิมพ์

03- ถอดรหัสการออกแบบแหล่งจ่ายไฟระดับ 1 ของตัวควบคุมโดเมนยานยนต์ Qualcomm: การวิเคราะห์การวัดทดสอบสมรรถนะ

1- วัตถุประสงค์และอุปสรรคในการออกแบบ

1.1 ข้อกำหนดกระแสไฟฟ้าชั่วคราวสำหรับ SA8295

ตารางที่ 1: ข้อกำหนดการออกแบบแหล่งจ่ายไฟสำหรับ SA8295

1.2 ข้อกำหนดกระแสไฟฟ้าขณะอยู่ในโหมดสแตนด์บายของ SA8295

การใช้พลังงานของแหล่งจ่ายไฟ 3.3V ของ Qualcomm SOC ในโหมดสแตนด์บายอยู่ระหว่าง 4-7.5mA (รวมถึงการใช้พลังงานสำหรับหน่วยความจำแบบ self-refresh) และรองรับการปลุกระบบจากโหมดสแตนด์บายได้

สมองกลกลาง (ตัวควบคุมโดเมนห้องโดยสาร) ใช้กระแสไฟฟ้ารวมทั้งคันอยู่ที่ 7-10mA (13.5V) โดยโมดูล 4G/5G ใช้กระแสเพียงลำพัง 4-5mA ในขณะที่ Qualcomm SA8295 ใช้กระแสที่ 13.5V ประมาณ 3mA (40mW) หรือน้อยกว่า

1.3 สามอุปสรรคหลัก

1.3.1 ความท้าทายข้อที่ 1: การจ่ายกระแสไฟขาออกของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจากตัวควบคุมโดเมน Qualcomm SA8295

กระแสไฟชั่วขณะสูงมาก 3.3V, 18 แอมแปร์ (0.1ms) โดยระยะเวลา 0.1ms ถือวานานพอให้อยู่ในสภาวะคงที่สำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบ DC-DC สวิตชิ่ง ซึ่งต้องออกแบบแหล่งจ่ายแบบบักเก็ต (buck power supply) ให้สามารถจ่ายกระแสคงที่ได้ถึง 18 แอมแปร์

1.3.2 ความท้าทายข้อที่ 2: ประสิทธิภาพแบบไดนามิกของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งสำหรับตัวควบคุมโดเมนคุณภาพสูง SA8295

กระแสไฟทำงานปกติของตัวควบคุมโดเมน SA8295 อยู่ที่ 5-9 แอมแปร์ ซึ่งจะทำให้เกิดความแตกต่างของกระแสไฟทำงานคงที่มากกว่า 300% ในขดลวดเหนี่ยวนำของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง (ค่าความเหนี่ยวนำมีอัตราผกผันกับกระแสไฟที่กำหนด) ส่งผลให้เกิดความขัดแย้งอย่างมากในด้านขนาด ต้นทุน และความถี่

1.3.3 ความท้าทายข้อที่ 3: ประสิทธิภาพไมโครเพาเวอร์ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งสำหรับตัวควบคุมโดเมนคุณภาพสูง SA8295

การบริโภคพลังงานในโหมดสแตนด์บาย โดยมีประสิทธิภาพ 70% ที่ 13.5V 3mA สร้างความท้าทายอย่างมากต่อสถาปัตยกรรมของตัวควบคุมแหล่งจ่ายไฟและการออกแบบการเลือกอินดักเตอร์

การออกแบบนี้เกิดขึ้นจากความท้าทายของการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบบักก์หลักสูงสุดสำหรับ SA8295 โดยสำรวจปัญหาหลักของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งและแนวทางแก้ไขทางเทคโนโลยี DC-DC

2- การเปรียบเทียบการเลือกแนวทางแก้ไข

2.1 ข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับแหล่งจ่ายไฟของ Qualcomm SA8295 domain control

ดังแสดงในตารางที่ 2:

ตารางที่ 2: ข้อกำหนดทางเทคนิคการออกแบบพลังงาน Qualcomm SA8295

2.2 แผนการออกแบบและเอกสารทางเทคนิค

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1 เป็นต้น สามารถตอบสนองข้อกำหนดการออกแบบได้ทั้งหมด การออกแบบนี้เลือกใช้ LM25149-Q1 เป็นแนวทางการออกแบบแหล่งจ่ายไฟหลักสำหรับคอนโทรลเลอร์โดเมนกลางในโครงการนี้

2.2.1 ที่อยู่เว็บไซต์ทางการของ LM25149-Q1:

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

ตารางที่ 3: เอกสารอ้างอิงการออกแบบ LM25149-Q1

2.2.2 แผ่นข้อมูลจำเพาะของ LM25149-Q1:

LM25149-Q1 42-V อุตสาหกรรมยานยนต์ คอนโทรลเลอร์แบบ Synchronous Buck และ DC/DC พร้อม Ultra-Low IQ และตัวกรอง EMI แบบแอคทีฟในตัว (ข้อมูลจำแนก Revision B)

2.2.3 บอร์ดพัฒนา LM25149-Q1:

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

2.2.4 ความเสถียรและความสามารถในการทำงานของตัวกรองแอคทีฟ:

วิธีการตรวจสอบความเสถียรและความสามารถในการทำงานของตัวกรอง EMI แบบแอคทีฟ (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 เครื่องมือออกแบบ :

เครื่องมือคำนวณ LM5149-LM25149DESIGN-CALC | TI.com

3- การออกแบบและคำนวณแหล่งจ่ายไฟแบบ Synchronous BUCK

3.1 ข้อมูลจำเพาะหลักและพารามิเตอร์การออกแบบของ LM25149

ตารางที่ 4: ข้อกำหนดทางเทคนิคการออกแบบพลังงาน Qualcomm SA8295

ประสิทธิภาพ

ตัวกรอง EMI แบบแอคทีฟ

การทดสอบ EMI

แผนผังแบบอ้างอิง (Reference Design)

บอร์ดประเมินผลการออกแบบแบบอ้างอิง

3.2 การคำนวณการเลือกตัวเหนี่ยวนำสำหรับวงจร Synchronous BUCK LM25149

3.2.1 สูตรคำนวณแหล่งจ่ายไฟแบบ Synchronous BUCK

ตารางที่ 5: สูตรการคำนวณการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบ BUCK ซิงโครนัส

3.3 การคำนวณค่าอินดักเตอร์ต่ำสุด

(สูตรการคำนวณ ดูได้ในตารางที่ 5)

ตารางที่ 6: แผนภูมิเส้นโค้งการคำนวณค่าอินดักเตอร์ต่ำสุด (∆I=0.3)

ตารางที่ 7: การคำนวณค่าความเหนี่ยวนำขั้นต่ำ

3.3.1 สรุปข้อมูลการคำนวณค่าอินดักเตอร์:

① หากการออกแบบครอบคลุมช่วง 6-20A (การคำนวณ AI=0.3) โดยมีแรงดันขาเข้า 16V และกระแสขาออก 6A ค่าอินดักเตอร์ควรจะมากกว่าหรือเท่ากับ 0.69μH

② การคำนวณเชิงทฤษฎีของความเหนี่ยวนำแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง Lmin: ≥ 0.69μH (เชิงทฤษฎี)

③ พิจารณาจากการเลือกออกแบบจริงและค่าความคลาดเคลื่อนของอินดักเตอร์ ±20% จึงควรเลือกค่า 0.82μH และ 1.0μH เป็นค่าที่เหมาะสมที่สุด (การเพิ่มค่าอินดักเตอร์จะทำให้ขนาดของอินดักเตอร์ใหญ่ขึ้น ต้นทุนสูงขึ้น และลด SRF)

3.4 การคำนวณกระแสไฟฟ้าของอินดักเตอร์

(สูตร: อ้างอิงจากตารางที่ 5 รายการที่ 1 และ 2)

ตารางที่ 8: การคำนวณกระแสไฟฟ้าของอินดักเตอร์ 0.82μH

ตารางที่ 9: การคำนวณกระแสไฟฟ้าของอินดักเตอร์ 1.0μH

3.4.1 ค่ากระแสอิ่มตัวของอินดักเตอร์จากการคำนวณทางทฤษฎี ≥ 20.76A ปัดเป็น 21A

ตารางที่ 10: ข้อกำหนดของอินดักเตอร์

4- การเลือกอินดักเตอร์สำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

ตารางที่ 11: การเลือกตัวเก็บประจุ

4.1 การคำนวณค่าความต้านทานตัวอย่างกระแสไฟฟ้าสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง LM25149

ตารางที่ 12: การคำนวณเชิงทฤษฎีของความต้านทานตัวอย่างกระแสไฟฟ้า

ตารางที่ 13: การเลือกความต้านทานตัวอย่างกระแสไฟฟ้า

4.2 การคำนวณค่าตัวเก็บประจุขาออกสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง BUCK แบบซิงโครนัส

(การคำนวณตัวเก็บประจุขาออก: ดูตามสมการในตารางที่ 5)

ตารางที่ 14: การคำนวณค่าตัวเก็บประจุขาออกสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง BUCK แบบซิงโครนัส

สำหรับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดบัคแบบซิงโครนัส จะมีการแลกเปลี่ยนระหว่างสมรรถนะ ขนาด และต้นทุนของตัวเก็บประจุกรองกระแสขาเข้าและขาออก การทดสอบข้อมูลจำเพาะของตัวเก็บประจุจะดำเนินการภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ และความแตกต่างของเครื่องมือวัดในระหว่างการทดสอบอาจทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนได้ 10–50% แม้จะใช้ข้อมูลจำเพาะเดียวกัน ประสิทธิภาพของการออกแบบขั้นสุดท้ายจำเป็นต้องได้รับการพิสูจน์และทดสอบอย่างเป็นระบบผ่านกระบวนการดีบัก (ไม่มีทางแก้ปัญหาที่ดีที่สุดเพียงหนึ่งเดียว แต่เป็นการเลือกแนวทางที่เหมาะสมกับการใช้งานเฉพาะนั้น)

ตัวเก็บประจุสวิตช์จำเป็นต้องตรงตาม: ความจุ ≥ 320uF (ข้อกำหนดแรงดันกระชาก), ความจุของตัวเก็บประจุเซรามิกมากกว่า 2.435uF (ไม่ใช่เงื่อนไขหลัก เพียงแค่ตรงตามข้อกำหนดก็เพียงพอ)

ตารางที่ 15: การเลือกแนะนำรุ่นตัวเก็บประจุกรองกระแสขาออกสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด

ตารางที่ 16: การออกแบบตัวเก็บประจุกรองกระแสขาออกสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด

4.3 การคำนวณตัวเก็บประจุขาเข้าสำหรับแหล่งจ่ายไฟ LM25149

4.3.1 การคำนวณค่าความจุไฟฟ้าขาเข้า

ตารางที่ 17: การคำนวณค่าตัวเก็บประจุกรองรับสัญญาณขาเข้าสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ชิ่ง

ตารางที่ 18: การเลือกตัวกรองสัญญาณขาออกสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ชิ่ง

4.4 การคำนวณการเลือก Mosfet LM25149

4.4.1 การคำนวณ MOSFET

เอกสารข้อมูลจำเพาะของ LM25149 ไม่ได้รวมการคำนวณและการเลือกค่าต่างๆ ไว้มากนัก การคำนวณและคัดเลือก QG จึงอิงจากประมาณการเชิงประจักษ์และการอนุมานย้อนกลับ ผลลัพธ์การคำนวณบ่งชี้ค่า Vgs ที่ 4.5-5.0V และ ≤22nC ขั้นตอนการคำนวณแสดงไว้ในตารางด้านล่าง โดยเลือกค่ามิลเลอร์แพลตฟอร์มที่ 2-3V (ยอมรับค่าที่ใกล้เคียง 3V ได้) และเลือกค่า Rdson ที่ ≤8mΩ

ตารางที่ 19: การเลือกและคำนวณ Mosfet

4.5 คำแนะนำในการเลือก Mosfet

ตารางที่ 20: รุ่น Mosfet ที่แนะนำสำหรับการเลือก

4.6 การคำนวณ FB และการปรับแต่งค่าของ LM25149

ตารางที่ 21: การคำนวณ FB และการชดเชย

4.7 การออกแบบและการคำนวณ EMC สำหรับ LM25149

โดยไม่ต้องวิเคราะห์ลึกเกินไป โปรดดูตามข้อกำหนด

5- สรุปการออกแบบ

5.1 สรุปการออกแบบและคัดเลือกแหล่งจ่ายไฟแบบ BUCK สำหรับ LM25149

ตารางที่ 22: การออกแบบและการเลือก

5.2 สรุปแนวทางแก้ปัญหา

ประสิทธิภาพและการทำงานของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ซิงโครนัสได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย สมรรถนะและข้อกำหนดจำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยเชิงปฏิบัติ บทนี้ใช้สำหรับการคำนวณทางทฤษฎี เพื่อให้คำแนะนำเชิงทฤษฎีสำหรับการออกแบบในทางปฏิบัติ สมรรถนะและข้อกำหนดของงานออกแบบมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับสมรรถนะขององค์ประกอบ เงื่อนไขการใช้งาน การจัดวางวงจร ฯลฯ และต้องได้รับการทดสอบและยืนยันอย่างเข้มงวด

การออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบซิงโครนัสบัคสำหรับคอนโทรลเลอร์ของ Qualcomm เป็นเรื่องที่ท้าทายในด้านการออกแบบคอนโทรลเลอร์ ซึ่งต้องมีการถ่วงดุลระหว่างสมรรถนะ ขนาด และต้นทุน CODACA มุ่งเน้นการวิจัยและพัฒนาอิสระด้านขดลวดเหนี่ยวนำไฟฟ้าและช็อกไร้สนามรบกวนร่วม (common mode chokes) ผลิตภัณฑ์ CSEB0660-1R0M เหมาะสำหรับการพัฒนาและประยุกต์ใช้งานบนแพลตฟอร์มของ Qualcomm โดยให้ประสิทธิภาพด้านต้นทุนสูง ทนทานต่อกระแสความอิ่มตัวได้ดี การสูญเสียพลังงานในรูปความร้อนต่ำ และมีอัตราส่วนประสิทธิภาพพลังงานต่อปริมาตรอยู่ในระดับแนวหน้าของอุตสาหกรรม CODACA อุทิศตนเพื่อการวิจัย พัฒนา และนวัตกรรมทางเทคโนโลยี เพื่อสร้างสรรค์ผลิตภัณฑ์ที่ยอดเยี่ยมสำหรับอุตสาหกรรมขดลวดเหนี่ยวนำ และมีส่วนร่วมในการพัฒนาและการประยุกต์ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์