EN
Quick Links
Yeni enerji aracı endüstrisinin hızlı gelişimi, her bir endüstri zincirinin patlama büyümesini sürdürüyor; otomobil entelektüel düzeyi, otonom sürüş yeni enerji araçları yönünün en önemli rekabet gücü haline gelmiştir. Bu durum, yüksek oranda entegre merkezi beyin ve alan kontrolörüne yeni zorluklar ve fırsatlar getirmiştir. Özellikle DC-DC anahtarlamalı güç kaynaklarının güvenilirliği, yüksek güç yoğunluğu, anahtarlamalı güç kaynağı EMC'si, yüksek verimlilik ve maliyet etkinliği açısından yeni fırsatlar ve zorluklar doğmaktadır.
Akıllı kabin alan kontrolörü tedarikçisi olarak Qualcomm, SA8155 ve SA8295'in önemli bir yeri vardır. Merkezi alan kontrolü SOC seviyesi 1 güç kaynağı (bataryadan gelen girişten dönüştürülmüş güç kaynağı seviyesi 1) geçici akımı, kararlı çalışma akımı, bekleme modu verimliliği, maliyet ve anahtarlamalı güç kaynağı EMC tasarımı arasındaki çelişki, BUCK güç kaynağı tasarımı için büyük bir zorluk haline gelmiştir. Bu çelişkileri nasıl çözüp dengelemek, anahtarlamalı güç kaynağı mimarisi, güç yongaları, bobinler, Mosfet, kapasitör üreticilerinin teknoloji yönünde birlikte çalıştığı konular arasındadır.
Bu makalede, büyük dinamik anahtarlama güç kaynağı akımı (100-300%) için otomotiv merkezi alan kontrol seviyesi 1 güç kaynağı tasarımı, DC-DC anahtarlama güç kaynağı tasarımını incelemektedir; güç kaynağı şeması, bobin, kapasitör seçimi ve diğer tasarım yöntemlerini ele almaktadır. Hacim, maliyet, verimlilik ve performans açısından zorluklar göz önünde bulundurularak gerçek dünyada uygulanabilir tasarım araştırılmaktadır.
Qualcomm SA8295 domain kontrolör örneği alınarak, bu bölüm birincil BUCK anahtarlama güç kaynağı tasarımının tartışmasını ve gerçek dünyada uygulanabilir tasarımını sunmaktadır.
Bu bölümün dizinin ilk kısmını (BUCK anahtarlama güç kaynağı teorisi ve hesaplamalarını detaylı şekilde anlatan kısmı) derinlemesine anlamak ve ardından LM25149'a dayalı ayrıntılı bir BUCK güç kaynağı tasarımı yapmak üzere devam etmektedir.
Bu makale serisi üç bölümden oluşmaktadır (devam eden güncellemeler ile):
01-Aralık Qualcomm Otomotiv Domain Kontrolörü Seviye 1 Güç Kaynağı Tasarımını Çözmek: Güç Kaynağı Tasarımı ve Hesaplama (Yayınlandı)
02-Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü Seviye 1 Güç Kaynağı Tasarımının Şematik Tasarımı ve PCB Tasarımı ile Çözümlenmesi (bu bölüm )
03-Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü Seviye 1 Güç Kaynağı Tasarımının Çözümlenmesi: Performans Test Ölçüm Analizi (yakında)
1- Tasarım Hedefleri ve Zorluklar
1.1 SA8295 Geçici Akım Gereksinimleri
Tablo 1: SA8295 Güç Kaynağı Tasarım Gereksinimleri
Not: En son SA8295 tasarımı, 21A (1 NPU) ve 24A (2 NPU) gerektirir ve bu tasarım bunu kapsar (30A aşırı akım koruma)
1.2 Tasarım hedefleri
Bu tasarım şunu kullanmaktadır: Alan kontrolcüsü için birincil güç kaynağını tasarımlamak amacıyla LM25149 , 24A (100µs) süreyle geçici akımı destekleyebilir ve sürekli çalışma şartlarında 10A üzerinde akım çekebilir, boyut, maliyet ve performans arasında dengeli bir uzlaşma sağlar.
Not: Geçici akım, termal sorun oluşturmaz (Qualcomm SA8295 için geçici akım sadece 100µs sürer). Ancak büyük sürekli akım, sıcaklık artışına neden olabilir; bu yüzden termal performansın etkisi değerlendirilmelidir (tasarım çözümü, gerçek çevre koşullarına göre seçilmelidir).
2- Şematik ve PCB tasarımı
2.1 Temel komponent seçimi
Alan kontrolcüsü seviyesindeki anahtarlamalı güç kaynağı komponenti seçimi kriterleri: performans öncelikli olmak üzere maliyet dikkate alınarak, PCB alanı azaltılmaya çalışılır; BUCK anahtarlamalı güç kaynağı EMC sorunları ve akım halkası sorunlarını göz önünde bulundurarak genel BUCK anahtarlamalı güç kaynağı tasarım teorisi ve kuralları ile uyumlu olmalıdır, genel tasarım metodolojisine bakılabilir.
Ayrıntılar için 1. Bölümü inceleyin: Elektronik komponent seçimi ve hesaplamalar (Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü Seviye 1 Güç Kaynağı Tasarımını Açıklamak: Güç Kaynağı Tasarımı ve Hesaplamalar)
Bu tasarım, C1210 paketinde sekiz adet 47uF seramik kapasitör kullanarak 2. seçeneği seçmektedir. Tasarım bu seçimle sınırlı değildir; ürün tasarımı modelin gerçek durumuna göre ayarlanabilir ve gerçek test sonuçlarına dayalı olarak tasarım optimizasyonu yapılabilir.
Tablo 2: BUCK güç kaynağı - şema tasarımı
2.1.1 BUCK güç kaynağı - MOSFET seçimi
Tablo 3: BUCK güç kaynağı - MOSFET seçimi
2.1.2 BUCK güç kaynağı - bobin seçimi
Model numarası kullanılarak bobin seçimi: VSEB0660-1R0MV
Tablo 4: Bobin Seçimi
2.1.3 BUCK güç kaynağı - çıkış filtre kapasitörü seçimi
Tablo 5: BUCK güç kaynağı - çıkış filtre kapasitörü seçimi
2.1.4 BUCK güç kaynağı-giriş filtresi kondansatör seçimi
Tablo 6: BUCK güç kaynağı - giriş filtresi kondansatör seçimi
2.2 Şematik ve PCB tasarımı araçları tasarımı
2.2.1 Şematik ve PCB tasarımı: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)
Şekil 1 Caritron EDA'ya giriş
Jialitron EDA, önde gelen ücretsiz bir EDA geliştirme aracı olup güçlü ve verimli bir gelişmedir. Bu tasarım, şematik ve PCB tasarımında Jialitron EDA kullanmaktadır.
2.3 BUCK güç kaynağı-şematik tasarımı
2.3.1 BUCK güç kaynağı-şematik tasarımı
Şematik tasarımı LM25149-Q1 veri sayfasına ve resmi kalkan kartına dayanmaktadır. Tasarım, BUCK anahtarlamalı güç kaynağı temel teorisine ve yüksek geçişli alan kontrolörü için birinci seviye güç kaynağı tasarım gereksinimlerine uygundur.
Şekil 2 LM25149 Şematik
2.3.2 BUCK Güç Kaynağı - Şematik Tasarım Odaklı Teknoloji
Giriş portu EMC devresi:
Teknik Noktalar:
① L1'in ana görevi, giriş gücüne iletim yoluyla yayılan gürültüyü azaltmaktır; anahtarlama frekansı 2.2MHz olan güç kaynağının etkisini azaltmaktır. L1 ve C23 bir LC filtre devresi oluşturur (C16, 500KHz’in altındaki düşük frekanslarda kullanılan elektrolitik bir kapasitördür), 2.2MHz’de 60dB değerinde zayıflama sağlar.
② C21, anahtarlama gürültüsünü (güç transistörünün yükselen ve düşen kenarlarındaki titreşimi) azaltır ve özellikle 10-100MHz aralığındaki EMC gürültüsünü düşürür.
③ C21, C23 bir güç kaynağıysa (koruma öncesi), esnek terminalli kapasitör tipi seçilmelidir. Eğer korumalı ise otomotiv sınıfı kapasitörler seçilebilir. Ayrıca iki kapasitörü seri olarak dikdörtgen düzlemde yerleştirerek benzer bir koruma mekanizması da oluşturulabilir.
Güç MOSFET'leri ve LM25149 için giriş kapasitesi, bypass kapasitansı aynı gereksinimlere sahiptir; bu tasarım performans doğrulama amacıyla kullanılmamaktadır. Sadece bir adet seramik kapasitör kullanılacak olup ürün seviyesindeki tasarım, otomotiv sınıfı tasarım gereksinimlerini takip etmelidir.
Not: LM25419 aktif EMC bastırma ve çift rastgele spektrum yayılımı teknolojisi, yalnızca EMC genliğini belirli bir ölçüde azaltmakla kalmakta, fakat EMC'yi tamamen ortadan kaldıramamaktadır. 2.2MHz anahtarlama frekansına bağlı enerji, yüksek akım (≥10A) uygulamalarında standartların üzerinde risk yaratmakta olup, bu durumun gerçek ayarlamalara göre değerlendirilmesi gerekmektedir. C23 kondansatörü çıkartıldığında dahi iletim yoluyla radyasyon geçişinin mümkün olduğu uygulamalarda C23'in kullanımı maliyet açısından tasarruf sağlayabilir.
BUCK güç kaynağı giriş kapasitörleri:
① BUCK güç girişi kapasitansı için C2,C3, anahtarlamalı güç kaynağı EMC performansı açısından kritik öneme sahiptir, 10uF kapasite seçimi için 2MHz'de empedans ≤ 5mΩ, CGA4J1X8L1A106K125AC ve CGA6P1X7S1A476M250AC teknik özellikleri iyi olan referans modellerdir. Kapasite seçimi X7R, dayanma gerilimi 35V/50V, paket boyutları C1210 ve C1206 olabilir. Bu tasarım C1210 paketi tercih ederse daha fazla modelle performans doğrulanabilir.
② C4 yüksek frekanslı anahtarlama EMC kapasitörüdür, 50V X7R, C0402 paketi uygun olabilir.
C2, C3, C4, yerleşim (Layout) sırasında akım döngüsüne dikkat etmek gerekir (Yerleşim detaylarına bakınız), BUCK güç girişi kapasitör gereksinimleri ve tasarım teorisiyle uyumlu olmalıdır. BUCK anahtarlamalı güç kaynağı teorisini öğrenerek giriş kapasitörlerinin anlaşılabilirliği artırılabilir.
③ TP7,TP9,TP13 anahtar TG, BG ve SW sinyallerini test etmek için kullanılır, ölü zamanın makul olup olmadığını, titreşim performansını ve MOSFET yükselen kenar ile düşen kenar performanslarını test etmede önemli bir anahtarlamalı güç kaynağı elektriksel performans test göstergesidir.
GND'nin TP test noktası, osiloskop test GND döngüsünü azaltmak ve test doğruluğunu artırmak için kullanılır; buna göre LAYOUT, ilgili test sinyallerinin test noktasına mümkün olduğu kadar yakın yerleştirilmelidir.
MOSFET gate sürücü direnci:
① R1 ve R2 MOSFET gate sürücü dirençleridir ve güç MOSFET'lerinin yükselen ve düşen kenarları üzerinde önemli bir etkisi vardır.
② R1, R2 seçimi BUCK güç kontrol cihazı çıkış akımı tarafından kontrol edilir (kontrol cihazı (PULL ve PUSH dirençler), güç MOSFET kapı empedansı ve yükleme özellikleri (giriş kapasitesi CISS) başlangıç tasarım seçimini etkileyen çeşitli nedenler toplam direnç miktarının ≤ 10 ohm olması gerektiğine karar verilmiştir, ancak aynı zamanda yükleme özelliklerine bağlıdır, son olarak hassas ayar yapılması gerekir, uygun direnç değerinin seçilmesi.
③ R1 ve R2 aynı zamanda anahtarlama gürültüsü EMC'nin en kritik parametresidir, bu da ana devre anahtarlama kaybını etkileyen faktörleri etkiler, uygulamada verimlilik (MOSFET ısınması) ve EMC çelişkilerini dengelemek için dengelenmiş bir noktaya ulaşılması gerekir.
Not: anahtarlama özelliklerini ve ölü zamanı test etmek için 6 test noktası.
Çıkış gücü döngüsü:
① Endüktans seçimi: Endüktans seçimi iki temel hususa dayanmaktadır:
-Geçici çalışma akımı: geçici olarak 21 (24) A çıkışı verebilir (zaman: 100us)；
-Sürekli çalışma akımı: 10A, 10A akımda kararlı bir şekilde çalışabilir (85° çevre sıcaklığı koşullarını kapsar);
-Geçici çalışma akımı süresi ≤ 100 µs ve başlatma aşamasında meydana gelir, sadece indüktörün doymadığı koşulların gereksinimleri karşılaması gerekir (indüktans değerinin akımına uygunluk).
② Örnekleme direnci seçimi: örnekleme direnci seçimi R1206 paketi, termal güç disipasyonu ≥ 0.5W;
③ Kapasitör seçimi: referans: bölümün ilk kısmında yer alan çıkış filtresi kapasitans bölümü;
Geri Besleme Devresi:
LM25149'un sabit çıkış konfigürasyonu ve geri besleme çıkış konfigürasyonu vardır, detaylar için veri sayfasına bakınız;
① VDDA'ya bağlı R14l, 3.3V çıkışı
② R14=24.9K, 5.0V çıkışı
③ R14=49.9K, 12.0V çıkışı
Boş lehimleme R14, R9 ve R10 çıkış voltajını yapılandırır;
R19 ve ayrılmış TP3, TP4: test için, faz marjı, kesişim frekansı vb.
Not: TP3 ve TP4, test için, faz marjı, kesişim frekansı vb. amacıyla kullanılır.
Fonksiyon Ayarları:
① EN: Etkinleştirme sinyali, ≥1.0V güç açılır, hassas düşük voltaj koruması için kullanılabilir;
② Sync-PG: Senkron çıkış veya Güç iyi, bu tasarım Güç iyi (Power good) için kullanılır;
③ PFM/SYNC
-Varsayılan (NC) jumper: Diyot analog, düşük akım çıkışı, yüksek verimde çalışabilir;
-Kısa devre jumper'ı GND'ye, zorlanmış CCM modu;
④ Yonga çalışma modu ayarları: toplam beş çalışma modu (özelliklere bakınız)
2.4 BUCK gücü kaynağı-PCB tasarımı
2.4.1 BUCK güç kaynağı-PCB tasarımı
① -ÜST
② -GND
③ -Sinyal
④ -Alt
2.4.2 BUCK güç kaynağı-PCB tasarımı teknolojiye odaklanır
Giriş ve çıkış kapasitans döngüleri:
① BUCK güç kaynağı giriş kapasitansı ve çıkış kapasitansı minimum döngüyü korumak için önemlidir, EMC üzerinde önemli bir etkisi vardır;
② C4 ana olarak anahtarlama yükselen ve düşen kenar çınlama gürültüsünü emmek için kullanılır.
MOSFET'ler ve endüktif döngüler:
① İki-inde-bir MOSFET'lerin kullanılması, yerleşim alanını azaltır ve maliyeti düşürür; ancak dezavantajı, yerleşim SW minimum döngüyü koruyamaz;
② İki-inde-bir MOSFET'in SW noktası aynı katmanda PCB hizalamasını gerçekleştiremez; güç akımının sürekliliğini sağlamak için katman değiştirmek ve düzlemi genişletmek gerekir.
Akım örnekleme:
① Akım örnekleme, referans GND düzlemi ile diferansiyel hizalama gerektirir;
② Empedans kontrolü ve eşit uzunluk gerekli değildir; hizalama yerleşim minimum aralığını korur.
FB Geri Besleme:
Dirençler ve diğer devre elemanları, kontrol yongası pinlerine yakın olmalıdır.
Isı dağıtımı ve GND:
Isı üreten cihazlar: MOSFET'ler, bobinler ve örneklem dirençleri; ısıyı iletmek için düzlem alanını uygun şekilde artırabilirsiniz; GND deliklerini artırmak, tüm versiyonun ısı dağıtım koşullarını iyileştirmeye yardımcı olabilir.
3- Alan Kontrollü Seviye 1 BUCK Güç Kaynağı Tasarımı - Özet
3.1 3D Çizim
3D Şekil-1
3D Şekil-2
3.2 Tasarım Özeti
① Anahtarlamalı güç kaynağı tasarımı, 1.6mm kalınlığında ve 30X65mm boyutlarında olan 4 katmanlı bir tasarım benimsemiştir;
② Çıkış akımı, Qualcomm SA8295'in maksimum 24A geçici akımını karşılayabilir, sürekli olarak 10A veya üzeri çıkış kapasitesini destekler.
4- Hakkında Codaca Elektronik
Codaca vSEB0660-1R0M, Qualcomm platformunun geliştirilmesi ve uygulanması için uygundur. Yüksek maliyet performans oranı, yüksek doyma akımı direnci, düşük ısı üretimi ve endüstri öncüsü güç-hacim oranı gibi teknik avantajlara sahiptir. Bağımsız R&D, tasarım ve üretim konusunda odaklanan bobin üreticisidir. Codaca bobin endüstrisi için üstün ürünleri geliştirmeye yönelik teknolojik araştırmalar ve inovasyonlar üzerine odaklanmaktadır; elektronik ürünlerin geliştirilmesi ve uygulanmasına yardımcı olmaktadır.
5- Test ve Doğrulama
Daha sonraki test doğrulaması için lütfen şuraya başvurun: 03-Qualcomm'un Otomotiv Alan Kontrolcüsü Seviye 1 Güç Kaynağı Tasarımını Çözme: Performans Testi Ölçüm Analizi (yakında açıklanacak)
[Referans]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/tr/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E