การถอดรหัสการออกแบบแหล่งจ่ายไฟขั้นที่หนึ่งของคอนโทรลเลอร์โดเมนสำหรับยานยนต์จาก Qualcomm: การวิเคราะห์การวัดทดสอบประสิทธิภาพ

การพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมยานยนต์พลังงานใหม่ได้ขับเคลื่อนการเติบโตแบบก้าวกระโดดในห่วงโซ่อุตสาหกรรมต่างๆ ความชาญฉลาดของยานพาหนะและการขับขี่อัตโนมัติได้กลายเป็นทิศทางสำคัญที่สุดสำหรับการแข่งขันของยานยนต์พลังงานใหม่ ซึ่งนำความท้าทายและโอกาสใหม่ๆ มาสู่สมองกลางแบบรวมระบบสูงและคอนโทรลเลอร์ตามโดเมน โดยเฉพาะในด้านความน่าเชื่อถือ ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าสูง แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ประสิทธิภาพสูง และต้นทุนต่ำของแหล่งจ่ายไฟ DC-DC

Qualcomm ในฐานะผู้จัดจำหน่ายตัวควบคุมโดเมนห้องโดยสารอัจฉริยะ มีตำแหน่งสำคัญด้วยชิป SA8155 และ SA8295 ความขัดแย้งระหว่างกระแสไฟฟ้าชั่วคราว กระแสไฟฟ้าทำงานคงที่ ประสิทธิภาพพลังงานขณะรอทำงาน ต้นทุน และการออกแบบ EMC ในแหล่งจ่ายไฟขั้นที่หนึ่งของ SoC ตัวควบคุมโดเมนกลาง (จากแบตเตอรี่เข้าสู่แหล่งจ่ายไฟแปลงขั้นที่หนึ่ง) เป็นความท้าทายหลักสำหรับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบ BUCK การจัดการและถ่วงดุลความขัดแย้งเหล่านี้อย่างไร คือ ทิศทางทางเทคนิคที่ผู้ผลิตสถาปัตยกรรมแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ ชิปจ่ายไฟ ขดลวดเหนี่ยวนำ MOSFET และตัวเก็บประจุต้องร่วมมือกันพัฒนา

1- ภาพรวมเนื้อหา

บทความนี้มุ่งเน้นการออกแบบแหล่งจ่ายไฟขั้นที่หนึ่งสำหรับตัวควบคุมโดเมนกลางในยานยนต์ที่มีกระแสไฟฟ้าสลับแบบไดนามิกขนาดใหญ่ (100-300%) โดยสำรวจการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบ DC-DC สวิตชิ่ง ซึ่งรวมถึงแนวทางการจ่ายพลังงาน การเลือกอินดักเตอร์และคาปาซิเตอร์ รวมถึงวิธีการออกแบบอื่นๆ พร้อมทั้งกล่าวถึงความท้าทายด้านปริมาตร ต้นทุน ประสิทธิภาพ และสมรรถนะ ตลอดจนการหารือเกี่ยวกับการออกแบบเชิงปฏิบัติ

บทนี้ใช้ตัวควบคุมโดเมน Qualcomm SA8295 เป็นตัวอย่าง เพื่อศึกษาและดำเนินการทดสอบและตรวจสอบแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง BUCK ขั้นที่หนึ่ง ในการแสดงผลว่าผลลัพธ์การทดสอบสอดคล้องกับการออกแบบที่คาดหวังไว้หรือไม่

ชุดบทความนี้ประกอบด้วยสามบท:

01- การถอดรหัสการออกแบบแหล่งจ่ายไฟขั้นที่หนึ่งของตัวควบคุมโดเมนกลางสำหรับยานยนต์ Qualcomm: การออกแบบและการคำนวณแหล่งจ่ายไฟ

02- การถอดรหัสการออกแบบแหล่งจ่ายไฟขั้นที่หนึ่งของตัวควบคุมโดเมนกลางสำหรับยานยนต์ Qualcomm: การออกแบบวงจรผังсхемและการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์

03 - การถอดรหัสการออกแบบแหล่งจ่ายไฟขั้นตอนแรกของคอนโทรลเลอร์โดเมนยานยนต์ Qualcomm: การวิเคราะห์การวัดการทดสอบประสิทธิภาพ (บทนี้)

2 - วัตถุประสงค์ในการตรวจสอบ

ความต้องการกระแสไฟชั่วคราวของ SA8295 มีดังนี้:

หมายเหตุ: การเปิดใช้งาน NPU ต้องใช้กระแสไฟเพิ่มเติม การออกแบบนี้ไม่รวมกระแสไฟสำหรับการออกแบบ NPU (3A+3A)

3 - สภาพแวดล้อมและเงื่อนไขการทดสอบ

3.1 เงื่อนไขการทดสอบ

อุณหภูมิโดยรอบ: 25°C (จริง 24-27°C คำนวณเป็น 25°C)

3.2 เครื่องมือทดสอบและวิธีการทดสอบ

3.3 แผนผังวงจรและบอร์ด PCB

แผนภาพโครงสร้าง

PCB

4 - การตรวจสอบผลการทดสอบ

ตรวจสอบประสิทธิภาพของสัญญาณรบกวน (ripple), ความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้า, ความเสถียร, การเพิ่มอุณหภูมิ และประสิทธิภาพที่แสดงโดยความสามารถในการรองรับโหลดแบบคงที่ภายใต้แรงดันไฟฟ้าต่างๆ (9-16V) เนื่องจากจำกัดด้วยพื้นที่ ให้เลือกตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักสำหรับการทดสอบและยืนยันผล

① สัญญาณรบกวน (Ripple): สัญญาณรบกวนภายใต้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าและกระแสไฟฟ้าโหลดที่แตกต่างกัน;

② ความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้า: ความแม่นยำของแรงดันไฟฟ้าขาออกภายใต้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าและกระแสไฟฟ้าโหลดที่แตกต่างกัน;

③ ความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าโหลด: การทดสอบเส้นโค้งแรงดันไฟฟ้าขาออก กระแสไฟฟ้า และประสิทธิภาพ;

④ ลักษณะการเพิ่มอุณหภูมิ: ตรวจสอบว่าเงื่อนไขการทำงานเป็นไปตามข้อกำหนดหรือไม่

4.1 ความสามารถรองรับโหลดแรงดันต่ำ (9.0V)

4.2 ความสามารถในการรับภาระแรงดันปกติ (13.5V)

4.3 ความสามารถในการรับภาระแรงดันสูง (16.0V)

4.4 การทดสอบกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง

5. สรุปการทดสอบ

5.1 ผลลัพธ์การทดสอบ

จุดที่น่าสนใจหลายประการ:

①เป้าหมายหลักของการออกแบบคือเพื่อให้สามารถรองรับความต้องการของกระแสไฟฟ้าชั่วขณะและกระแสไฟฟ้าในการทำงานอย่างมั่นคง หากออกแบบตามค่าสูงสุดทั้งหมด จะทำให้ต้นทุนและขนาดเพิ่มขึ้น (ความหนาแน่นของการออกแบบแผงวงจรพีซีบีลดลง) แต่ในความเป็นจริงแล้วไม่มีเงื่อนไขที่จะทำงานอย่างมั่นคงที่ 18A;

②ริปลเพิลสามารถทำได้ง่ายโดยใช้คาปาซิเตอร์เซรามิก ทั้งหมดต่ำกว่า 50mV;

③อินดักเตอร์จ่ายพลังงานมีคุณสมบัติดีเยี่ยมทั้งในด้าน DCR และการอิ่มตัวของกระแสแบบนุ่มนวล สามารถส่งออกกระแสจริงได้ถึง 21A;

④การออกแบบนี้สามารถทำงานที่มากกว่า 20 แอมแปร์ได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ โดยยังคงรักษาระดับประสิทธิภาพและความสูงของอุณหภูมิไว้ในระดับที่ดีที่ 8-12A

6- รายการวัสดุหลัก

7- การเลือกอินดักเตอร์

ในฐานะส่วนประกอบสำคัญของแหล่งจ่ายไฟขั้นที่หนึ่งในตัวควบคุมโดเมนสำหรับยานยนต์ สมรรถนะของอินดักเตอร์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ชิ่ง DC-DC ในแนวทางการออกแบบนี้ ได้เลือกใช้อินดักเตอร์กำลังแบบโมลด์ CODACA รุ่น VSEB0660-1R0M ซึ่งเป็นเกรดสำหรับยานยนต์ ซีรีส์ของอินดักเตอร์นี้มีคุณสมบัติ เช่น สูญเสียพลังงานต่ำ ประสิทธิภาพสูง ช่วงความถี่การใช้งานกว้าง ทนต่อกระแสอิ่มตัวได้ดี การผลิตความร้อนต่ำ และมีอัตราส่วนต้นทุนต่อประสิทธิภาพสูง โดยการออกแบบที่บางเฉียบมีความหนาแน่นของพลังงานในระดับแนวหน้าของอุตสาหกรรม ทำให้เหมาะสมอย่างยิ่งต่อการพัฒนาและการประยุกต์ใช้บนแพลตฟอร์ม Qualcomm