การพัฒนาอุตสาหกรรมยานยนต์พลังงานใหม่อย่างรวดเร็ว ได้ส่งผลให้เกิดการเติบโตแบบก้าวกระโดดในแต่ละส่วนของห่วงโซ่อุตสาหกรรม โดยความชาญฉลาดและการขับขี่อัตโนมัติของรถยนต์กลายเป็นแนวโน้มหลักที่สำคัญที่สุดสำหรับยานยนต์พลังงานใหม่ ซึ่งนำพาความท้าทายและโอกาสใหม่ๆ มาสู่ระบบควบคุมกลางแบบผสานรวมสูง (Central Brain) และคอนโทรลเลอร์โดเมน โดยเฉพาะในแง่ของความน่าเชื่อถือของแหล่งจ่ายไฟแบบ DC-DC switching, ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าสูง, EMC ของแหล่งจ่ายไฟแบบ switching, ประสิทธิภาพสูง และความคุ้มค่า
Qualcomm ในฐานะผู้จัดหารตัวควบคุมโดเมน Cockpit อัจฉริยะ SA8155 และ SA8295 มีบทบาทสำคัญอย่างมาก สำหรับระดับหนึ่งของแหล่งจ่ายไฟระบบควบคุมโดเมนกลาง (แหล่งจ่ายไฟที่แปลงจากอินพุตแบตเตอรี่ในระดับหนึ่ง) การออกแบบกระแสไฟฟ้าแบบชั่วขณะ กระแสไฟฟ้าในการทำงานคงที่ ประสิทธิภาพการใช้งานไฟฟ้าในโหมดสแตนด์บาย ต้นทุน และความขัดแย้งในการออกแบบ EMC ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง กลายเป็นความท้าทายที่ใหญ่หลวงสำหรับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบ BUCK การแก้ไขและสร้างสมดุลให้กับความขัดแย้งเหล่านี้ คือทิศทางเทคโนโลยีร่วมกันของสถาปัตยกรรมแหล่งจ่ายไฟ ชิปจ่ายไฟ อินดักเตอร์ Mosfet และตัวเก็บประจุ
บทความนี้นำเสนอการออกแบบแหล่งจ่ายไฟระดับที่ 1 ของยานยนต์แบบคอนโทรลเลอร์โดเมนกลาง โดยรวมถึงการออกแบบแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่งแบบ DC-DC ซึ่งครอบคลุมถึงแผนการจัดหาไฟฟ้า การเลือกอินดักเตอร์และคาปาซิเตอร์ ตลอดจนวิธีการออกแบบอื่น ๆ โดยคำนึงถึงปัจจัยต่าง ๆ เช่น ขนาด ต้นทุน ประสิทธิภาพ และความท้าทายด้านสมรรถนะ เพื่อค้นหาแนวทางการออกแบบที่สามารถนำไปใช้ได้จริง
บทความนี้ได้มีการศึกษาและดำเนินการจริงในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบ BUCK สวิตชิ่งแบบหนึ่งสเตจ โดยใช้ตัวควบคุมโดเมน Qualcomm SA8295 เป็นตัวอย่าง
ซีรีส์บทความนี้ประกอบด้วยสามตอน (จะมีการอัปเดตเพิ่มเติมในอนาคต):
01- เจาะลึกการออกแบบแหล่งจ่ายไฟระดับหนึ่งของ Qualcomm Automotive Domain Controller: การออกแบบและการคำนวณแหล่งจ่ายไฟ (บทนี้)
02- การทำความเข้าใจการออกแบบแหล่งจ่ายไฟระดับ 1 ของ Qualcomm Automotive Domain Controller: การออกแบบวงจรไฟฟ้า (Schematic Design) และการออกแบบแผงวงจร (PCB Design)
03- การวิเคราะห์การออกแบบแหล่งจ่ายไฟระดับ 1 ของ Qualcomm Automotive Domain Controller: การวัดและวิเคราะห์ผลการทดสอบประสิทธิภาพ
1- วัตถุประสงค์และอุปสรรคในการออกแบบ
1.1 ข้อกำหนดกระแสชั่วคราวของ SA8295
ตารางที่ 1: ข้อกำหนดการออกแบบแหล่งจ่ายไฟ SA8295
1.2 ข้อกำหนดกระแสไฟฟ้าขณะอยู่ในโหมดสแตนด์บายของ SA8295
การใช้พลังงานของแหล่งจ่ายไฟ 3.3V ของ Qualcomm SOC ในโหมดสแตนด์บายอยู่ระหว่าง 4-7.5mA (รวมถึงการใช้พลังงานสำหรับหน่วยความจำแบบ self-refresh) และรองรับการปลุกระบบจากโหมดสแตนด์บายได้
สมองกลกลาง (Cockpit Domain Controller) มีค่ากระแสไฟฟ้าโดยรวมของรถยนต์ทั้งคันอยู่ระหว่าง 7-10mA (13.5V) โดยเฉพาะโมดูล 4G/5G ใช้กระแสไฟฟ้าประมาณ 4-5mA และ SA8295 ของ Qualcomm ใช้กระแสไฟฟ้า 3mA (40mW) ที่แรงดัน 13.5V
1.3 สามอุปสรรคหลัก
1.3.1 อุปสรรคที่ 1: กระแสไฟฟ้าขาออกของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งของ SA8295 ใน Qualcomm Domain Control
กระแสไฟฟ้าชั่วขณะขนาดใหญ่ 3.3V, 18 แอมป์ (0.1ms), 0.1ms สำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบ DC-DC switching ถือว่าเป็นช่วงเวลาที่ส่งออกอยู่ในสภาวะคงที่ยาวนานแล้ว จำเป็นต้องออกแบบ Buck power supply ตามการส่งออกที่มีเสถียรภาพ 18 แอมป์
1.3.2 ความท้าทายด้านกระแสสูงแบบไดนามิกของแหล่งจ่ายไฟ switching บนชิป SA8295 ควบคุมโดเมน Qualcomm กรณีที่ 2:
กระแสไฟฟ้าในการทำงานปกติของชิป SA8295 ควบคุมโดเมนอยู่ระหว่าง 5-9 แอมป์ ซึ่งจะทำให้ขดเหนี่ยวนำของแหล่งจ่ายไฟ switching มีขนาดแตกต่างกันมากกว่า 300% โดยมีความสัมพันธ์ผกผันกับขนาดของกระแสไฟฟ้าที่เลือกใช้ในการทำงานปกติ ส่งผลให้เกิดความขัดแย้งที่สำคัญในเรื่องของปริมาณ ต้นทุน และความถี่
1.3.3 ความท้าทายด้านประสิทธิภาพ micropower ของแหล่งจ่ายไฟ switching บนชิป SA8295 ควบคุมโดเมน Qualcomm กรณีที่ 3:
การบริโภคพลังงานขณะอยู่ในโหมดสแตนด์บาย ต้องการประสิทธิภาพการใช้พลังงาน 70% ที่แรงดัน 13.5V และกระแส 3mA ซึ่งเป็นความท้าทายที่สำคัญมากในสถาปัตยกรรมของตัวควบคุมพลังงาน การออกแบบและเลือกใช้ขดเหนี่ยวนำ
การออกแบบนี้มีพื้นฐานจากการออกแบบของแหล่งจ่ายไฟแบบ Buck ระดับเดียวที่ท้าทายที่สุดคือ SA8295 เพื่อสำรวจปัญหาหลักของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งและเทคโนโลยีแก้ไขปัญหา DC-DC
2- เปรียบเทียบการเลือกโปรแกรม
2.1 ข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับแหล่งจ่ายไฟของ Qualcomm SA8295 domain control
ดังแสดงในตารางที่ 2:
ตารางที่ 2: ข้อกำหนดการออกแบบแหล่งจ่ายไฟของ Qualcomm SA8295
2.2 การออกแบบโปรแกรมและข้อมูลทางเทคนิค
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 และ LM25149-Q1 สามารถตอบสนองความต้องการในการออกแบบได้ ในแบบแปลนนี้ LM25149-Q1 ถูกเลือกเป็นแบบแปลนการออกแบบแหล่งจ่ายไฟระดับแรกสำหรับคอนโทรลเลอร์โดเมนควบคุมกลาง
2.2.1 ที่อยู่เว็บไซต์ทางการของ LM25149-Q1:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
ตารางที่ 3: อ้างอิงการออกแบบ LM25149-Q1
2.2.2 ข้อมูลจำเพาะ (Datasheet) ของ LM25149-Q1:
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: ข้อกำหนดการออกแบบแหล่งจ่ายไฟ 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: สมการคำนวณออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบ Synchronous BUCK
3.4 การคำนวณค่าความเหนี่ยวนำขั้นต่ำ
(สำหรับสูตรคำนวณ ดูตารางที่ 5)
ตารางที่ 6: กราฟค่าความเหนี่ยวนำขั้นต่ำที่คำนวณได้ (∆I=0.3)
ตารางที่ 7: การคำนวณค่าความเหนี่ยวนำขั้นต่ำ
3.4.1 สรุปข้อมูลการคำนวณค่าความเหนี่ยวนำ:
① หากการออกแบบครอบคลุมช่วง 6-20A (AI=0.3 การคำนวณ) แรงดันขาเข้า 16V กระแสไฟฟ้าขาออก 6A ความเหนี่ยวนำ ≥ 0.69μH
② การคำนวณเชิงทฤษฎีของความเหนี่ยวนำแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง Lmin: ≥ 0.69μH (เชิงทฤษฎี)
③ พิจารณาการออกแบบเลือกใช้งานจริงและความผิดพลาดของความเหนี่ยวนำ ±20% เลือกใช้ 0.82μH และ 1.0μH เป็นการออกแบบที่เหมาะสมที่สุด (ค่าความเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้น ปริมาณความเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้น ต้นทุนเพิ่มขึ้น SRF ลดลง)
3.5 การคำนวณกระแสไฟฟ้าของอินดักเตอร์
(สูตร: อ้างอิงตารางที่ 1 และ 2 ของตารางที่ 5)
ตารางที่ 8: การคำนวณกระแสไฟฟ้าของอินดักเตอร์ 0.82μH
ตารางที่ 9: การคำนวณกระแสไฟฟ้าของอินดักเตอร์ 1.0μH
3.5.1 กระแสอิ่มตัวของอินดักเตอร์ที่คำนวณตามทฤษฎี ≥ 20.76A โดยประมาณเป็น 21A
ตารางที่ 10: เครื่องบ่งชี้ค่าความเหนี่ยวนำ
4- การเลือกตัวเก็บประจุสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
ตารางที่ 11: การเลือกตัวเก็บประจุ
4.1 LM25149 การคำนวณค่าความต้านทานในการสุ่มตัวอย่างกระแสของตัวเก็บประจุแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
ตารางที่ 12: การคำนวณเชิงทฤษฎีของค่าความต้านทานในการสุ่มตัวอย่างกระแสของตัวเก็บประจุ
ตารางที่ 13: การเลือกตัวต้านทานสำหรับการสุ่มตัวอย่างแบบเหนี่ยวนำ
4.2 การคำนวณค่าความจุของตัวเก็บประจุเอาต์พุตสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง BUCK แบบซิงโครนัส
(การคำนวณค่าความจุของเอาต์พุต: ดูสูตรในตารางที่ 5)
ตารางที่ 14: การคำนวณค่าความจุของตัวเก็บประจุเอาต์พุตสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง BUCK แบบซิงโครนัส
สำหรับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบ BUCK แบบซิงโครนัส มีความขัดแย้งกันระหว่างสมรรถนะของตัวเก็บประจุกรองทางอินพุตและเอาต์พุต ขนาด และต้นทุน โดยค่ามาตรฐานของตัวเก็บประจุจะทดสอบจนเสร็จสิ้นภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ กระบวนการทดสอบและการใช้อุปกรณ์วัดที่แตกต่างกัน แม้จะเป็นมาตรฐานเดียวกัน อาจมีความแตกต่างกันได้ถึง 10-50% ดังนั้นสมรรถนะของการออกแบบขั้นสุดท้ายจำเป็นต้องตรวจสอบผ่านการทดลองจริงและการทดสอบอย่างเป็นระบบ (ไม่มีคำตอบที่ดีที่สุดสำหรับการออกแบบ เพียงแต่เลือกแนวทางที่เหมาะสมกับสถานการณ์เท่านั้น) (There is no optimal solution for design, only choose the one suitable for the scenario)
ตัวเก็บประจุสวิตช์ต้องตรงตาม: ความจุ ≥ 320uF (ตรงตามข้อกำหนดแรงกระชาก), ตัวเก็บประจุเซรามิกมีความจุมากกว่า 2.435uF (ไม่ใช่เงื่อนไขหลัก แต่ควรปฏิบัติตามให้ได้)
ตารางที่ 15: รุ่นที่แนะนำสำหรับการเลือกตัวเก็บประจุกรองเอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟสวิตช์
ตารางที่ 16: การออกแบบตัวเก็บประจุกรองเอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟสวิตช์
4.3 การคำนวณความจุของตัวเก็บประจุอินพุตแหล่งจ่ายไฟ LM25149
4.3.1 การคำนวณค่าความจุไฟฟ้าขาเข้า
ตารางที่ 17: การคำนวณค่าความจุของตัวกรองขาเข้าแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
ตารางที่ 18: การเลือกตัวกรองขาออกแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
4.4 การคำนวณการเลือก Mosfet LM25149
4.4.1 การคำนวณ Mosfet
ข้อมูลจำเพาะ (datasheet) ของ LM25149 ไม่มีการคำนวณและการคำนวณสำหรับการเลือกไว้มากนัก การคำนวณ QG และการเลือกจะพิจารณาจากการประมาณค่าเชิงประจักษ์ย้อนกลับ โดยผลลัพธ์การคำนวณเลือก Vgs ที่ 4.5-5.0V, ≤ 22nC และในกระบวนการคำนวณให้ดูอ้างอิงจากตารางด้านล่าง เลือก Miller plateau ที่ 2-3V (ยอมรับได้หากใกล้เคียง 3V) และ Rdson เลือกที่ ≤ 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 การคำนวณการออกแบบ EMC LM25149
โดยไม่ต้องวิเคราะห์มากเกินไป โปรดอ้างอิงตามข้อกำหนด
5- สรุปการออกแบบ
5.1 สรุปการเลือกการออกแบบแหล่งจ่ายไฟ LM25149BUCK
ตารางที่ 22: การออกแบบและการเลือก
5.2 สรุปโปรแกรม
ประสิทธิภาพและความมีประสิทธิผลของแหล่งจ่ายไฟแบบ synchronous switching ได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย จำเป็นต้องพิจารณาประสิทธิภาพและตัวชี้วัดตามปัจจัยจริง บทนี้ใช้สำหรับการคำนวณเชิงทฤษฎี ให้คำแนะนำเชิงทฤษฎีสำหรับการออกแบบจริง โดยประสิทธิภาพและตัวชี้วัดของการออกแบบมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับคุณสมบัติขององค์ประกอบ เงื่อนไขการใช้งาน การวางตำแหน่ง ฯลฯ ซึ่งจำเป็นต้องมีการทดสอบและตรวจสอบอย่างละเอียดรอบคอบ
การออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบ synchronous buck สำหรับคอนโทรลเลอร์โดเมน high-pass เป็นสาขาเทคโนโลยีการออกแบบคอนโทรลเลอร์ที่มีความยาก จำเป็นต้องสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ขนาด ต้นทุน Kodak Ka มุ่งเน้นการวิจัยและพัฒนาอินดักเตอร์อย่างอิสระและการออกแบบ โดย CSEB0660-1R0M เหมาะสำหรับการพัฒนาและการประยุกต์ใช้บนแพลตฟอร์ม high-pass มีข้อได้เปรียบทางด้านต้นทุนสูง ทนทานต่อกระแสแซทูเรชัน (saturation current) ได้ดี มีการกระจายความร้อนต่ำ และมีอัตราส่วนของพลังงานต่อปริมาตรที่อยู่ในระดับแนวหน้าของอุตสาหกรรม Kodak Ka มุ่งมั่นในการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยี เพื่อนวัตกรรมทางเทคโนโลยี พัฒนาผลิตภัณฑ์คุณภาพเยี่ยมสำหรับอุตสาหกรรมอินดักเตอร์ เพื่อสนับสนุนการพัฒนาและการประยุกต์ใช้งานผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์
EN