EN
Hızlı Bağlantılar
Yeni enerji taşıtları sektöründeki hızlı gelişmeler, çeşitli endüstriyel zincirlerde patlamaya benzer bir büyüme sağlamıştır ve otomotivde zekâ ile otonom sürüş, yeni enerji taşıtlarının en önemli temel rekabet gücü yönü haline gelmiştir. Bu durum, yüksek entegrasyonlu merkezi işlem birimi ve alan kontrolcüler için özellikle DC-DC anahtarlamalı güç kaynaklarında güvenilirlik, yüksek güç yoğunluğu, EMC, yüksek verimlilik ve maliyet etkinliği açısından yeni zorluklar ve fırsatlar doğurmuştur.
Akıllı kabin alan kontrolörleri tedarikçisi olarak SA8155 ve SA8295 önemli bir yere sahiptir ve merkezi alan kontrolü SOC birincil gücü (pil girişi birincil seviyesinden dönüştürülen güç) için ani akım, kararlı çalışma akımı, bekleme verimliliği, maliyet ve anahtarlama gücü EMC tasarımı arasındaki çelişki BUCK güç kaynağı tasarımında büyük bir zorluk haline gelmiştir. Bu çelişkileri nasıl çözüleceği ve dengelenmesi konusu, anahtarlama gücü mimarisi, güç çipleri, indüktörler, MOSFET'ler ve kapasitör üreticilerinin birlikte çalıştığı teknik yöndür.
Bu makale, büyük dinamikli anahtarlama gücünün (yüzde 100-300) merkezi alan kontrolü birincil gücü tasarımı için DC-DC anahtarlama gücü kaynağının tasarımını ele alır ve boyut, maliyet, verimlilik ve performans zorlukları göz önünde bulundurularak güç şeması, indüktör, kapasitör seçimi ve diğer tasarım yöntemlerini içerir.
Bu bölüm, birinci seviye BUCK anahtarlamalı güç kaynağının pratik tasarımını tartışmak ve uygulamak için Qualcomm SA8295 alan kontrolcüsünü örnek alır.
Bu bölümün ilk seriyi (ayrıntılı BUCK anahtarlamalı güç kaynağı teorisi ve hesaplamaları) okuması gerekir ve LM25149 temel alınarak BUCK gücü kaynağını ayrıntılı olarak tasarlamalıdır.
Bu makale dizisi üç seriden oluşur (sürekli güncellenmektedir):
02-Kualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü Birinci Kademe Güç Kaynağı Tasarımının Çözümlenmesi: Şematik Tasarım ve PCB Tasarımı (bu bölüm)
1- Tasarım Hedefleri ve Zorluklar
1.1 SA8295 Geçici Akım Gereksinimleri
Tablo 1: SA8295 Güç Kaynağı Tasarım Gereksinimleri
Not: En yeni SA8295 tasarım gereksinimleri 21A (1 NPU) ve 24A (2 NPU)'dır ve bu tasarım (30A aşırı akım koruması) kapasitesine sahiptir.
1.2 Tasarım hedefleri
Bu tasarım bir LM25149 ile alan kontrolcü birinci kademe güç kaynağı tasarımı kullanır , bu da 24A geçici akım (100μs) gereksinimlerini karşılar ve 10A üzerindeki sürekli çalışma koşullarını karşılayarak hacim, maliyet ve performans arasında kapsamlı bir denge sağlar.
Not: Geçici akım, ısı üretimi sorununa neden olmaz (sadece Qualcomm SA8295 için 100uS geçici akım), kararlı durumda büyük akım sıcaklık artışına neden olur ve sıcaklık artışı etkisinin ölçülmesi gerekir (tasarım şeması gerçek çevre koşullarına göre seçilir).
2- Şematik ve PCB tasarımı
2.1 Temel komponent seçimi
Alan kontrolcü anahtarlama gücü kaynağı bileşenlerinin seçim kriterleri: öncelikle performans, maliyet dikkate alınarak ve PCB alanının azaltılması; BUCK anahtarlama güç kaynağındaki EMC problemi ve akım döngüsü problemi göz önünde bulundurularak, genel BUCK anahtarlama güç kaynağı tasarım teorisi ve kurallarına uygun olarak genel tasarım yöntemine başvurulabilir.
Elektronik bileşen seçimi ve hesaplamalarıyla ilgili ayrıntılar için Bölüm 1'e bakınız ( Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü İlk Aşama Güç Kaynağı Tasarımının Çözümlenmesi: Güç Kaynağı Tasarımı ve Hesaplaması )
Bu tasarım için Seçenek 2 (sekiz adet 47uF C1210 paketli seramik kapasitör kullanımı). Tasarım bu seçimle sınırlı değildir ve ürün tasarımı mevcut duruma göre ayarlanabilir, ayrıca tasarım optimizasyonu gerçek test sonuçlarına göre 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
Gösterge seçimi modeli: VSEB0660-1R0MV
Tablo 4: Bobin Seçimi
2.1.3 BUCK güç kaynağı için çıkış filtre kapasitörü seçimi
Tablo 5: BUCK güç kaynağı çıkış filtre kapasitörü seçimi
2.1.4 BUCK güç kaynağı - giriş filtre kapasitörleri seçimi
Tablo 6: BUCK güç kaynağı - giriş filtre kapasitörü seçimi
2.2 Şematik ve PCB tasarımı araçları tasarımı
2.2.1 Şematik ve PCB tasarımı: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)
Şekil 1 Caritron EDA'ya giriş
JLC Technology EDA, güçlü işlevlere sahip ve yüksek geliştirme verimliliğine sahip Çin'in önde gelen ücretsiz EDA geliştirme aracıdır. Bu tasarım, şematik diyagram ve PCB tasarımı için JLC Technology EDA'yı kullanmaktadır.
2.3 BUCK güç kaynağı-şematik tasarımı
2.3.1 BUCK güç kaynağı-şematik tasarımı
Temel tasarım, LM25149-Q1 spesifikasyonuna ve resmi geliştirme kartına atıfta bulunur ve tasarım, BUCK anahtarlamalı güç kaynağı temel teorisini ve yüksek geçiş alan kontrolörlerinin birincil güç kaynağı tasarımı gereksinimlerini karşılar.
Şekil 2 LM25149 şematik diyagramı
2.3.2 BUCK Güç Kaynağı - şematik tasarımın kilit teknolojisi
Giriş EMC devresi：
Teknik noktalar:
① L1'in ana işlevi, anahtarlamalı güç kaynağının giriş gücü üzerindeki iletilen radyasyon gürültüsünün etkisini azaltmaktır. Anahtarlamalı güç kaynağının anahtarlama frekansı 2,2 MHz'dir. L1 ve C23 bir LC filtre devresi oluşturur (C16 elektrolitik kapasitördür ve esas olarak 500 kHz'in altındaki düşük frekansları kapsar) ve 2,2 MHz'de 60 dB kadar azaltma sağlar.
② C21, anahtarlama gürültüsünü (güç transistörünün yükselme kenarı ve düşme kenarı titreşimleri) azaltır ve özellikle 10-100 MHz arası EMC gürültüsünü düşürür.
③ C21 ve C23 birinci sınıf güç kaynaklarında (korumadan önce) kullanılıyorsa, esnek uçlu kapasitör modeli seçmelisiniz ve korumalıysa otomotiv sınıfı kapasitörü seçebilirsiniz. Benzer bir koruma mekanizması, seri bağlantı düzeninde iki kapasitör kullanılarak da uygulanabilir.
Güç MOSFET'leri ve LM25149 giriş kapasitörleri için de aynı gereksinimler geçerlidir, bu tasarım performans doğrulama amacıyla kullanılmaz, tek bir seramik kullanılır ve ürün seviyesindeki tasarım otomotiv sınıfı tasarım gereksinimlerini takip eder.
Not: LM25419 aktif EMC iptal etme ve çift rastgele yayılım spektrumu teknolojisi, yalnızca belirli bir ölçüde EMC genliğini azaltır ve EMC'yi tamamen ortadan kaldırmaz. 2,2 MHz anahtarlama frekansına sahip ilgili enerji için yüksek akım (≥10A) uygulamalarında hâlâ standartların üzerine çıkma riski vardır. Gerçek durumda ayarlamaya göre karar verilmelidir. C23 kaldırıldığında iletilen radyasyon hâlâ geçiyorsa, C23'ün kullanımından vazgeçilerek maliyet azaltılabilir.
BUCK güç kaynağı giriş kapasitörleri:
① C2 ve C3, BUCK gücü giriş kapasitörleridir ve anahtarlamalı güç kaynağı EMC performansı için kritik öneme sahiptir. 10 µF kapasitör seçimi yaklaşık 2 MHz'de ≤5 mΩ empedans değerine sahip olmalıdır. CGA4J1X8L1A106K125AC ve CGA6P1X7S1A476M250AC iyi teknik göstergelere sahip referans modellerdir. Kapasitör seçimi X7R, 35V/50V dayanma gerilimli olabilir; C1210 ve C1206 paketleri kullanılabilir. Bu tasarım için C1210 paketi seçilmiştir çünkü bu, çeşitli model doğrulama performansına olanak tanır.
② C4, yüksek frekanslı bir anahtarlama EMC kapasitörüdür ve 50V X7R, C0402 paketi seçilmelidir.
C2, C3, C4 için yerleşimde akım döngüsüne dikkat edilmelidir (Yerleşim detaylarına bakınız), temel BUCK güç girişi kapasitansı gereksinimlerini ve tasarım teorisini karşılamalıdır. Giriş kapasitörüne dair anlamanızı derinleştirmek için BUCK anahtarlama gücü teorisini öğrenebilirsiniz.
③ TP7, TP9, TP13 anahtarın TG, BG ve SW sinyallerini test etmek için kullanılır ve ölü zamanın makul olup olmadığını, titreşim performansını ve MOSFET'in yükselen ve düşen kenar performansını test etmek amacıyla kullanılır. Bu, anahtarlama gücünün önemli bir elektriksel performans test göstergesidir.
GND'nin TP test noktası, osiloskop test GND döngüsünü azaltmak ve test doğruluğunu artırmak için kullanılır. LAYOUT, test noktasının ilgili test sinyaline mümkün olduğunca yakın yerleştirilmesini göz önünde bulundurmalıdır.
MOSFET gate sürücü direnci:
① R1 ve R2, MOSFET'in kapı sürme dirençleridir ve güç MOSFET'inin yükselen ve düşen kenarları üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.
② R1 ve R2 seçimini, kontrollü BUCK güç kontrolcüsünün çıkış akımı (kontrolcü (PULL ve PUSH direnci), güç MOSFET'inin kapı empedansı ve şarj karakteristikleri (giriş kapasitesi CISS)) ve toplam direnç değerinin başlangıç tasarımında ≤ 10 ohm seçilmesi gibi birleşik nedenler etkiler. Bu seçim ayrıca şarj karakteristiklerine de bağlıdır ve uygun direnç değerinin belirlenmesi için ince ayar yapılması gerekir.
③ R1 ve R2 aynı zamanda anahtarlama gürültüsü EMC'yi en çok etkileyen temel parametrelerdir ve anahtarlama kaybını etkileyen temel devre faktörleridir.
Not: anahtarlama karakteristiklerini ve ölü zamanı test etmek için 6 adet test noktası kullanılır.
Çıkış gücü döngüsü:
① Gösterge seçimi: Göstergenin seçimi esnasında iki temel faktör dikkate alınır:
- Geçici çalışma akımı: Geçici olarak 24A çıkış verebilme (zaman: 100 µs);
- Kararlı durum çalışma akımı: 10A, 10A akımda kararlı şekilde çalışabilir (85°C ortam sıcaklığı koşullarını kapsar);
-Geçici çalışma akımı süresi ≤ 100 µs olup, bu durum başlangıç aşamasında meydana gelir ve yalnızca endüktansın doymamış olması koşuluyla gereksinimler karşılanabilir (akımın endüktans değerini sağlaması gerekir).
② Örnek alma direnci seçimi: Örnek alma direnci R1206 pakette seçilmiştir ve ısı dağıtım gücü ≥ 0,5 W olmalıdır;
③ Kondansatör seçimi: Başvuru: Bölümün birinci kısmındaki çıkış filtresi kondansatörü bölümüne bakınız;
Geri Besleme Devresi:
LM25149 sabit çıkış konfigürasyonuna ve geri besleme çıkış konfigürasyonuna sahiptir ve detaylı içerik spesifikasyon kitapçığına referans alır;
① VDDA'ya bağlı R14l, 3.3V çıkışı
② R14=24.9K, 5.0V çıkışı
③ R14=49.9K, 12.0V çıkışı
Çıkış voltajı boş etiket üzerindeki R14, R9 ve R10 ile yapılandırılır;
R19 ve ayrılmış TP3, TP4: test, faz marjı, geçiş frekansı vb. için kullanılır.
Not: TP3 ve TP4 faz marjı, geçiş frekansı vb. testleri yapmak için kullanılır.
Fonksiyon Ayarları:
① EN: etkinleştirme sinyali, gücü ≥ 1,0 V'ta açar, hassas düşük voltaj korumasıyla sağlanabilir;
② Sync-PG: Senkron çıkış veya Güç iyi (Power good), bu tasarım Güç İyi (Power Good) içindir;
③ PFM/SYNC
-Varsayılan (NC) jumper: Diyot analog, küçük akım çıkışı, yüksek verimlilikte çalışabilir;
-GND'ye kısa devre jumper, zorlanmış CCM modu;
④ Yonga çalışma modu ayarı: Toplamda 5 çalışma modu vardır (belge kitabına 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 gücü kaynağı-PCB tasarımı için temel teknoloji
Giriş ve çıkış kapasitör döngüleri:
① BUCK güç kaynağının giriş ve çıkış kapasitörleri minimum döngüyü korumalıdır ve bu durum EMC üzerinde önemli bir etkiye sahiptir;
② C4, anahtarın yükselen ve düşen kenarlarındaki titreşim gürültüsünü emmek amacıyla öncelikle kullanılır.
MOSFET'ler ve Endüktör Döngüleri:
① İki-in-bir MOSFET kullanımı yerleşim alanını ve maliyeti azaltır; dezavantajı ise Yerleşim SW'nin minimum döngüyü koruyamamasıdır;
② 2-in-1 MOSFET'in SW noktası aynı katmanda PCB izlenebilirliğini sağlayamaz ve sürekli güç akımı elde etmek için katman yerleşimi değiştirilmelidir.
Akım örnekleme:
① Örnek alma akımı diferansiyel izler olmalıdır ve bir referans GND düzlemi bulunmalıdır;
② Empedans ve eşit uzunluk kontrolüne gerek yoktur ve izler yerleşimde minimum aralığı korur.
FB Geri Besleme:
Dirençler ve diğer devre elemanları, kontrol yongası pinlerine yakın olmalıdır.
Isı dağıtımı ve GND:
Isınan bileşenler: MOSFET'ler, bobinler ve örnek alma dirençleri, düzlem alanında ısı iletimini uygun şekilde artırabilir ve GND geçit deliklerinin artırılması, tüm kartın ısı dağılım koşullarını iyileştirmeye yardımcı olabilir.
3- Alan tabanlı birinci sınıf BUCK güç kaynağı tasarımı - özet
3.1 3D Çizim
3D Şekil-1
3D Şekil-2
3.2 Tasarım Özeti
① Anahtarlamalı güç kaynağı tasarımı, 4 katmanlı yapı kullanır, PCB kalınlığı 1,6 mm, boyutu 30X65 mm'dir;
② Çıkış akımı, Qualcomm SA8295'in maksimum geçici akımı olan 24A'yı karşılayabilir ve 10A'den fazla sürekli çıkış kapasitesini destekler.
4- Hakkında Codaca Elektronik
Codaca, indüktörlerin bağımsız AR-GE'sine, tasarımına ve üretimine odaklanmaktadır ve VSEB0660-1R0M, Qualcomm platformlarının geliştirilmesi ve uygulamaları için uygundur. Yüksek maliyet performansı, güçlü doygunluğa karşı akım direnci ve düşük ısı üretimi gibi teknik avantajlara sahiptir ve sektörde endüstride lider olan güç hacim oranına sahiptir. Codaca, teknoloji araştırmalarına ve geliştirmeye odaklanarak indüktör endüstrisi için üstün ürünler geliştirir ve elektronik ürünlerin gelişimine ve uygulamalarına katkı sağlar.
5- Test ve Doğrulama
Sonraki test ve doğrulama işlemleri için lütfen şu adresi inceleyin: 03- Qualcomm Otomotiv Alan Kontrolcüsü Birinci Kademe Güç Kaynağı Tasarımının Çözümlenmesi: Performans Test Ölçüm Analizi .
[Referans]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/tr/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E