Yüksek Geçiren Bölge Kontrolcüsü Seviye 1 Güç Kaynağı Tasarımını Açıklamak: Güç Kaynağı Tasarımı ve Hesaplaması

Yeni enerji araç endüstrisinin hızlı gelişimi, her bir endüstri zincirinin patlama büyümesini sürdürüyor; otomotiv entelektüellemesi ve otonom sürüş, yeni enerji araçlarının yönü açısından en önemli rekabet avantajı haline gelmiştir. Bu durum, yüksek oranda entegre merkezi bilgisayar ve alan denetleyicisine yeni zorluklar ve fırsatlar getirmektedir. Özellikle DC-DC anahtarlamalı güç kaynaklarının güvenilirliği, yüksek güç yoğunluğu, anahtarlamalı güç kaynağı EMC'si, verimlilik ve maliyet etkinlik açısından yeni fırsatlar ve zorluklar doğmaktadır.

Otomatik kabin alanı kontrolörü tedarikçisi olarak Qualcomm, SA8155 ve SA8295 önemli bir konuma sahiptir. Merkezi alan kontrolü SOC seviyesi 1 güç kaynağı (bataryadan gelen giriş seviyesinden dönüştürülmüş güç kaynağı) geçici akımı, kararlı çalışma akımı, bekleme modu verimliliği, maliyet, anahtarlamalı güç kaynağı EMC tasarımı arasındaki çelişki BUCK güç kaynağı tasarımı için büyük bir zorluk haline gelmiştir. Bu çelişkileri nasıl çözüp dengeleyeceğiniz, anahtarlamalı güç kaynağı mimarisi, güç yongası, bobin, Mosfet, kondansatör teknik yönüdür.

Bu makale, büyük dinamik anahtarlama güç kaynağı akımı (100-300%) otomotiv merkezi bölge kontrol seviyesi 1 güç kaynağı tasarımıyla birlikte, DC-DC anahtarlamalı güç kaynağı tasarımını, güç kaynağı şemasını, bobin ve kapasitör seçimi gibi tasarım yöntemlerini incelemektedir; hacim, maliyet, verimlilik ve performans zorluklarını göz önünde bulundurarak uygulanabilir tasarım çözümlerini araştırmaktadır.

Bu makale, Qualcomm SA8295 alan kontrolörünü örnek alarak tek kademeli BUCK anahtarlamalı güç kaynağı tasarımının gerçek dünya tasarımını araştırır ve uygular.

Bu makale serisi üç seri içerir (gelecekte sürekli güncellenecektir):

01- Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolörü Seviye 1 Güç Tasarımı: Güç Kaynağı Tasarımı ve Hesaplaması (bu bölüm)

02- Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü Seviye 1 Güç Kaynağı Tasarımını Açıklamak: Şematik Tasarım ve PCB Tasarımı

03- Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü Seviye 1 Güç Kaynağı Tasarımını Çözmek: Performans Testi Ölçüm Analizi

1- Tasarım Amaçları ve Zorluklar

1.1 SA8295 Geçici Akım Gereksinimleri

Tablo 1: SA8295 Güç Kaynağı Tasarım 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 (kabini kontrol alanı kontrolcüsü) tüm araç genelinde akım bütçesi 7-10mA (13,5V), sadece 4G/5G modülü tüketimi 4-5mA, Qualcomm SA8295 akımı 13,5V 3mA (40mW) içinde.

1.3 Üç zorluk

1.3.1 Qualcomm Alan Kontrolü SA8295 Anahtarlamalı Güç Kaynağı Çıkış Akımı Zorluğu 1:

Büyük geçici akım, 3.3V, 18 Amper (0.1ms), DC-DC dönüştürücü güç kaynağı için zaten uzun süreli kararlı durum çıkışına ait olan, 18 Amper'lik kararlı çıkış tasarımına göre Buck güç kaynağına ihtiyaç vardır.

1.3.2 Qualcomm domain kontrol SA8295 anahtarlamalı güç kaynağı yüksek akım dinamik zorlukları 2:

SA8295 domain kontrol kararlı çalışma akımı 5-9 Amper aralığında olup, bu da anahtarlamalı güç kaynağı bobinine (bobin değeri ile akım büyüklüğü arasında ters orantı vardır) kararlı çalışma akımının %300'ünden fazla bir farkın seçimi sonucunda hacim, maliyet ve frekans açısından daha büyük çelişkilere neden olur.

1.3.3 Qualcomm domain kontrol SA8295 anahtarlamalı güç kaynağı mikro güç verimlilik zorlukları 3:

Bekleme modu güç tüketimi, 13.5V 3mA tüketim verimliliği %70 olması gerekmektedir; bu da güç kontrol mimarisi, bobin seçimi tasarımı açısından devasa bir zorluktur.

Bu tasarım, en zorlu SA8295 tek kademeli Buck güç kaynağı tasarımı temel alınarak yapılmıştır; bu sayede anahtarlamalı güç kaynağı ve DC-DC teknoloji çözümlerinin temel zorlukları araştırılmıştır.

2- Program seçimlerinin karşılaştırılması

2.1 Qualcomm SA8295 alan kontrolcüsü güç kaynağı teknik gereksinimleri

Tablo 2'de gösterildiği gibi:

Tablo 2: Qualcomm SA8295 güç kaynağı tasarımı belirtim gereksinimleri

2.2 Program tasarımı ve teknik bilgiler

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 ve LM25149-Q1 tasarım gereksinimlerini karşılayabilmektedir. Bu tasarımda, merkezi beyin alan kontrolcüsünün birinci kademe güç kaynağı tasarımı için LM25149-Q1 seçilmiştir.

2.2.1 LM25149-Q1 resmi adresi:

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

Tablo 3: LM25149-Q1 Tasarım Referansları

2.2.2 LM25149-Q1 Datasheet (Veri Sayfası):

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 kaynağı tasarımı 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 tasarımı hesaplama denklemi

3.4 Minimum İndüktans Hesabı

(Formüller için, Tablo 5'e bakınız.)

Tablo 6: Minimum indüktansın hesaplanan grafiği (∆I=0.3)

Tablo 7: Asgari endüktansa hesaplanması

3.4.1 Endüktansa hesaplama verilerinin özetini:

1 Eğer tasarım 6-20A aralığını kapsarsa (AI = 0,3 hesaplama), 16V giriş, 6A çıkış, induktansa ≥ 0,69μH.

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

3 Gerçek tasarım seçimi ve endüktansa hatası ± 20% göz önüne alındığında, en iyi tasarım olarak 0.82μH ve 1.0μH seçin (endüktansa değeri artışları, endüktansa hacmi artışları, maliyet artışları, SRF azalması).

3.5 Endüktör Akım Hesaplamaları

(Formula: Tablo 5'in 1 ve 2 tablolarına bakın)

Tablo 8: 0,82μH Endüktör Akım Hesaplaması

Tablo 9: 1,0μH indüktör akım hesaplaması

3.5.1 Teorik olarak hesaplanan indüktör doymak akımı ≥ 20.76A, 21A'ya yuvarlanmış:

Tablo 10: Endüktans Göstergeleri

4- Anahtarlamalı güç kaynağı endüktör seçimi

Tablo 11: Endüktör Seçimi

4.1 LM25149 Anahtarlamalı Güç Kaynağı Endüktör Akım Örnekleme Direnci Hesabı

Tablo 12: Endüktör akım örnekleme direncinin teorik hesabı

Tablo 13: Endüktif Örnekleme Direnci Seçimi

4.2 Senkron BUCK anahtarlamalı güç kaynağı çıkış kapasitans hesabı

(Çıkış kapasitansının hesabı: Tablo 5'teki formüle bakınız)

Tablo 14: Senkron BUCK anahtarlamalı güç kaynağı çıkış kapasitans hesabı

Senkron BUCK anahtarlamalı güç kaynağı tasarımı için giriş ve çıkış filtresi kapasitör performansı, hacim, maliyet arasında bir çelişki vardır. Kapasitans özellik göstergesi testi belirli koşullar altında tamamlanır. Test sürecinde kullanılan ölçü aletlerinin farklı olmasıyla aynı göstergelerde %10-50 fark olabilir. Son tasarımın performansı, bilimsel uygulama ve test sürecinde doğrulanmalıdır (tasarım için optimal çözüm yoktur, sadece uygun senaryo seçimine göre yapılır) (Tasarım için en iyi çözüm yoktur, yalnızca senaryoya uygun olan seçilir).

Anahtarlama kapasitörleri şu şartları sağlamalıdır: kapasite ≥ 320uF (Aşma gereksinimi), seramik kapasitör kapasitesi 2.435uF'ten büyük (çekirdek şart değil, mümkünse sağlanmalı)

Tablo 15: Anahtarlamalı Güç Kaynağı Çıkış Filtre Kapasitörü için Önerilen Model Seçimi

Tablo 16: Anahtarlamalı güç kaynağı çıkış filtresi kapasitör tasarımı

4.3 LM25149 Güç Kaynağı Giriş Kapasitans Hesabı

4.3.1 Giriş Kapasitans Hesaplamaları

Tablo 17: Anahtarlamalı Güç Kaynağı Giriş Filtresi Kapasitans Hesaplamaları

Tablo 18: Anahtarlamalı Güç Kaynağı Çıkış Filtresi Seçimi

4.4 LM25149 Mosfet Seçim Hesaplaması

4.4.1 Mosfet Hesaplamaları

LM25149 veri sayfasında çok fazla hesaplama ve seçim hesabı yer almamaktadır, QG hesaplamaları ve ampirik tahminlere göre geriye dönük seçim, hesaplama sonuçlarına göre 4.5-5.0V Vgs, ≤ 22nC seçilmiştir, hesaplama sürecine aşağıdaki tabloya bakınız, Miller plaformu için 2-3V (3V'a yakın olması da kabul edilebilir) seçildi, Rdson için ≤ 8mΩ değerinde olanlar tercih edilmiştir.

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 hesaplamaları

Fazla ayrıntıya girmeden, spesifikasyona bakınız.

5- Tasarım Özeti

5.1 LM25149BUCK güç kaynağı tasarımı seçim özeti

Tablo 22: Tasarım ve Seçim

5.2 Program Özeti

Senkron anahtarlamalı güç kaynağının performansı ve verimliliği birçok faktörden etkilenebilir; performans ve göstergeler için uygulamadaki gerçek faktörlerin göz önünde bulundurulması gerekir. Bu bölüm teorik hesaplamalar ve pratik tasarıma yönelik teorik rehberlik için kullanılır. Tasarımın performans ve göstergeleri, kullanılan bileşenlerin performansına, çalışma koşullarına, yerleşime (layout) vb. doğrudan bağlıdır; bu nedenle titiz test ve doğrulamalara ihtiyaç vardır.

Yüksek geçiren alan kontrolörü için senkron buck güç kaynağı tasarımı, kontrolör tasarım teknolojisinin zor bir teknik alanıdır; performans, hacim ve maliyet dengesinin sağlanması gerekir. Kodak Ka, bobin bağımsız araştırma ve geliştirme üzerine odaklanmaktadır. CSEB0660-1R0M, yüksek geçiren platformun geliştirilmesi ve uygulanmasında kullanım için uygundur; yüksek maliyet etkinliğe, güçlü doyma akımına karşı dirence, düşük ısıtma gibi teknik üstünlüklere sahiptir ve endüstride öncü olan güç/hacim oranıyla donatılmıştır. Kodak Ka, teknoloji araştırmaları ve geliştirmeye, inovasyona ve bobin sektörü için üstün ürünlerin geliştirilmesine odaklanarak elektronik ürünlerin geliştirilmesi ve uygulanmasına destek sağlamaktadır.