Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü İlk Aşama Güç Kaynağı Tasarımının Çözümlenmesi: Güç Kaynağı Tasarımı ve Hesaplaması

Yeni enerji taşıtları sektöründeki hızlı gelişim, çeşitli endüstriyel zincirlerde patlayıcı bir büyümeye neden oldu. Taşıt zekâsı ve otonom sürüş, yeni enerji taşıtları için en kritik rekabet avantajı alanları haline gelmiş olup, özellikle DC-DC anahtarlamalı güç kaynaklarının güvenilirliği, yüksek güç yoğunluğu, anahtarlama gücü EMC'si, yüksek verimliliği ve yüksek maliyet performansı açısından yüksek entegrasyonlu merkezi beyinler ve alan kontrolcüler için yeni zorluklar ve fırsatlar doğurmuştur.

Akıllı kabin alan kontrolörlerinin bir tedarikçisi olarak Qualcomm, SA8155 ve SA8295 ile önemli bir konuma sahiptir. Merkezi alan kontrolcüsü SOC birincil gücü (pil girişi ile birincil dönüşüm arasındaki güç) için geçici akım, kararlı çalışma akımı, bekleme gücü verimliliği, maliyet ve anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS) EMC tasarımı arasındaki çakışmalar, BUCK güç kaynağı tasarımı için büyük bir zorluk oluşturur. Bu çakışmaları çözme ve dengeleme yöntemi, anahtarlamalı güç kaynağı mimarisi, güç yongaları, bobinler, MOSFET'ler ve kapasitörlerin birlikte çalıştığı teknik yöndür.

Bu makale, büyük dinamik anahtarlamalı mod güç kaynağı akımına (100-300%) sahip otomotiv uygulamaları için merkezi alan kontrolcüsünün birincil gücü tasarımını birleştirerek DC-DC anahtarlamalı mod güç kaynaklarının tasarımını, güç kaynağı çözümlerini, bobin ve kapasitör seçim yöntemlerini incelemektedir. Hacim, maliyet, verimlilik ve performans açısından ortaya çıkan zorluklara değinilerek pratik tasarım tartışılır ve uygulanır.

Bu makale, Qualcomm'un SA8295 alan kontrolcüsüne örnek olarak alarak birincil BUCK anahtarlamalı mod gücünün pratik tasarımını araştırır ve uygular.

Bu makale dizisi üç bölümden oluşur (sürekli güncellenecektir):

01- Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü Birinci Kademe Güç Kaynağı Tasarımının Çözümlenmesi: Güç Kaynağı Tasarımı ve Hesaplaması (bu bölüm)

02- Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü İlk Aşama Güç Kaynağı Tasarımının Çözümlenmesi: Şematik Tasarım ve PCB Tasarımı

03- Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü Seviye 1 Güç Kaynağı Tasarımının Çözümlenmesi: Performans Test Ölçüm Analizi

1- Tasarım Amaçları ve Zorluklar

1.1 SA8295 için Geçici Akım Gereksinimleri

Tablo 1: SA8295 Güç Tasarımı Gereksinimleri

1.2 SA8295 Bekleme Akımı Gereksinimleri

Qualcomm SOC 3.3V güç kaynağı bekleme gücü tüketimi 4-7,5mA aralığında (bellek otomatik yenileme gücü dahil), bekleme modundan uyanmayı destekler.

Merkezi Beyin (Kabin Alan Kontrolcüsü) tüm araç için toplam akım bütçesi 7-10mA (13,5V), yalnızca 4G/5G modülü 4-5mA tüketir, Qualcomm SA8295 mevcut durumda 13,5V'te 3mA (40mW) veya daha düşük.

1.3 Üç zorluk

1.3.1 Zorluk 1: Qualcomm Alan Kontrolcüsü SA8295 anahtarlamalı güç kaynağı çıkış akımı

Büyük geçici akım, 3,3V, 18 amper (0,1ms), 0,1ms zaten DC-DC anahtarlamalı güç kaynağında uzun süreli kararlı durum çıkışıdır ve buck gücünün kararlı 18 amper çıkış için tasarlanması gerekir.

1.3.2 Zorluk 2: Yüksek Kaliteli Alan Kontrolcüsü SA8295 Anahtarlamalı Güç Kaynağı Dinamikleri

SA8295 alan kontrolcüsünün kararlı çalışma akımı 5-9 amperdir ve bu, anahtarlamalı güç kaynağı endüktansında (endüktans, anma akımının tersine orantılıdır) hacim, maliyet ve frekans açısından %300'ün üzerinde kararlı çalışma akımı farkına neden olur ve önemli çatışmalara yol açar.

1.3.3 Zorluk 3: Yüksek Kaliteli Alan Kontrolcüsü SA8295 Anahtarlamalı Güç Kaynağı Mikro Güç Verimliliği

13,5V 3mA'de %70 verim ile bekleme gücü tüketimi, güç kaynağı denetleyici mimarisi ve indüktör seçimi tasarımına büyük bir zorluk çıkarır.

Bu tasarım, maksimum SA8295 birincil buck güç kaynağı tasarımının getirdiği zorluklar doğrultusunda, anahtarlamalı güç kaynaklarının ve DC-DC teknoloji çözümlerinin temel zorluklarını incelemeyi amaçlamaktadır.

2- Çözüm Seçimi Karşılaştırması

2.1 Qualcomm SA8295 alan kontrolcüsü güç kaynağı teknik gereksinimleri

Tablo 2'de gösterildiği gibi:

Tablo 2: Qualcomm SA8295 Güç Tasarımı Teknik Şartnamesi Gereksinimleri

2.2 Tasarım Şeması ve Teknik Belgeler

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1 vb. tümü tasarım gereksinimlerini karşılayabilir. Bu tasarım, projenin merkezi beyin alanı denetleyicisi birincil güç kaynağı şeması olarak LM25149-Q1'i seçmiştir.

2.2.1 Resmi LM25149-Q1 adresi:

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

Tablo 3: LM25149-Q1 Tasarım Referans Materyalleri

2.2.2 LM25149-Q1 Ürün Özellik Belgesi:

LM25149-Q1 42-V Otomotiv, Senkron, Buck, DC/DC Kontrolcü, Ultra Düşük IQ ve Entegre Aktif EMI Filtresi veri sayfası (Rev. B)

2.2.3 LM25149-Q1 geliştirme kartı:

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

2.2.4 Aktif filtre stabilitesi ve performansı:

Aktif EMI Filtrelerinin Stabilitesini ve Performansını Nasıl Sağlarız? (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 Tasarım Araçları :

LM5149-LM25149DESIGN-CALC Hesaplama aracı | TI.com

3- Senkron BUCK güç kaynağı tasarımı ve hesaplaması

3.1 LM25149'un ana özellikleri ve tasarım parametreleri

Tablo 4: Qualcomm SA8295 Güç Tasarımı Teknik Özellikleri Gereksinimleri

Verimlilik

Aktif EMI Filtreler

EMI Testi

Referans Tasarım Şeması

Referans Tasarım Çözüm Değerlendirme Kartı

3.2 LM25149 Senkron BUCK İndüktör Seçimi Hesabı

3.2.1 Senkron BUCK anahtarlamalı güç kaynağı hesabı formülü:

Tablo 5: Senkron BUCK Güç Kaynağı Tasarım Hesaplama Formülleri

3.3 Minimum Endüktans Hesabı

(Hesaplama formülü, Tablo 5'e bakınız.)

Tablo 6: Minimum endüktans hesaplama eğrisi grafiği (∆I=0,3)

Tablo 7: Asgari endüktansa hesaplanması

3.3.1 Endüktans hesaplama verilerinin özeti:

① Tasarım 6-20A aralığını kapsıyorsa (AI=0,3 hesaplaması), 16V giriş ve 6A çıkış ile endüktans değeri ≥0,69μH olmalıdır.

2 Aktarma güç kaynağı endüktansiyasının teorik hesaplanması Lmin: ≥ 0,69μH (teorik);

③ Gerçek tasarım seçimi ve endüktöre ait ±%%20 tolerans dikkate alındığında, en uygun tasarım için 0,82μH ve 1,0μH değerleri tercih edilmelidir (endüktans değerini artırmak, endüktör boyutunu, maliyeti artırır ve SRF'yi düşürür).

3.4 Endüktör Akımı Hesaplamaları

(Formül: Tablo 5, madde 1 ve 2'ye bakınız)

Tablo 8: 0,82μH Endüktör Akım Hesaplaması

Tablo 9: 1,0μH indüktör akım hesaplaması

3.4.1 Teorik hesaplamaya göre endüktans doyuma erişme akımı ≥ 20,76A, yuvarlatılmış hali 21A:

Tablo 10: Endüktör özellikleri

4- Anahtarlamalı güç kaynağı için endüktör seçimi

Tablo 11: Endüktör Seçimi

4.1 LM25149 için Akım Örnekleme Direnci Hesaplaması

Tablo 12: Akım Örnekleme Direnci Teorik Hesaplaması

Tablo 13: Akım Örnekleme Direnci Seçimi

4.2 Senkron BUCK Anahtarlamalı Güç Kaynağı için Çıkış Kapasitörü Hesaplaması

(Çıkış Kapasitörü Hesaplaması: Tablo 5'teki Denkleme Bakın)

Tablo 14: Senkron BUCK Anahtarlamalı Güç Kaynağı için Çıkış Kapasitörü Hesaplaması

Senkron buck anahtarlamalı güç kaynağı tasarımları için giriş ve çıkış filtre kapasitörlerinin performansı, boyutu ve maliyeti arasında bir ödünleşme söz konusudur. Kapasitör özelliklerinin test edilmesi belirli koşullar altında yapılır ve test sırasında kullanılan cihazlarda meydana gelen farklılıklar, aynı özelliklere sahip ürünlerde %10–50'lik sapmalara neden olabilir. Nihai tasarım performansı, hata ayıklama süreci aracılığıyla bilimsel doğrulama ve test gerektirir (tek bir optimal çözüm yoktur; sadece belirli uygulamaya uygun bir şemanın seçilmesi gerekir).

Anahtarlama kapasitörleri şu koşulları karşılamalıdır: Kapasite ≥ 320uF (Aşım gereksinimi), seramik kapasitör kapasitesi 2.435uF'tan büyük olmalıdır (temel bir koşul değildir, gereksinimin karşılanması yeterlidir).

Tablo 15: Anahtarlamalı Güç Kaynakları için Çıkış Filtre Kapasitörü Modellerinin Önerilen Seçimi

Tablo 16: Anahtarlamalı Güç Kaynakları için Çıkış Filtre Kapasitörlerinin Tasarımı

4.3 LM25149 güç kaynağı için giriş kapasitörünün hesabı

4.3.1 Giriş Kapasitans Hesaplamaları

Tablo 17: Anahtarlamalı Güç Kaynağı için Giriş Filtresi Kondansatörünün Hesaplanması

Tablo 18: Anahtarlamalı Güç Kaynakları için Çıkış Filtrelerinin Seçimi

4.4 LM25149 Mosfet Seçim Hesaplaması

4.4.1 MOSFET Hesaplaması

LM25149 veri sayfası birçok hesaplama ve seçim hesabı içermemektedir. QG hesaplamaları ve seçimleri ampirik tahminlere ve ters çıkarımlara dayanmaktadır. Hesaplama sonuçları, 4,5-5,0 V Vgs ve ≤22 nC değerini göstermektedir. Hesaplama süreci aşağıdaki tabloda gösterilmiştir. Miller platformu 2-3 V olarak seçilmiştir (3 V'a yakın olması da kabul edilebilir) ve Rdson değeri ≤8 mΩ olarak seçilmiştir.

Tablo 19: Mosfet Seçimi ve Hesaplamaları

4.5 Mosfet Seçim Önerileri

Tablo 20: Mosfet Seçim Modelleri

4.6 LM25149 FB ve Kompanzasyon Hesaplamaları

Tablo 21: FB ve kompanzasyon hesaplamaları

4.7 LM25149 EMC Tasarım Hesaplaması

Çok fazla analize girmeden, teknik özelliklere bakınız.

5- Tasarım Özeti

5.1 LM25149 BUCK Güç Kaynağı Tasarımı ve Seçiminin Özeti

Tablo 22: Tasarım ve Seçim

5.2 Çözüm Özeti

Senkron anahtarlamalı güç kaynaklarının performansı ve verimliliği birçok faktörden etkilenir. Performans ve teknik özellikler pratik faktörleri dikkate almalıdır. Bu bölüm, pratik tasarıma teorik rehberlik sağlamak için teorik hesaplamalar için kullanılır. Tasarımın performansı ve özellikleri bileşen performansı, kullanım koşulları, yerleşim vb. ile yakından ilişkilidir ve titiz test ve doğrulama gerektirir.

Qualcomm alan denetleyicileri için senkron buck güç kaynağı tasarımı, performans, boyut ve maliyet arasında denge kurulmasını gerektiren zorlu bir denetleyici tasarım alanıdır. CODACA, güç endüktörleri ve ortak mod bobinlerinin bağımsız Ar-Ge'si ve tasarımı üzerine odaklanmaktadır. CSEB0660-1R0M modeli, Qualcomm platformunun geliştirilmesi ve uygulamaları için uygundur ve yüksek maliyet etkinliği, doyma akımına karşı güçlü direnç, düşük ısı üretimi ve sektör lideri hacme-oranlı güç sunar. CODACA, teknolojik Ar-Ge ve inovasyona adanmış olup, indüktör endüstrisi için üstün ürünler geliştirerek elektronik ürünlerin gelişimine ve uygulanmasına katkıda bulunmaktadır.