Розшифровка проектування першого етапу джерела живлення контролера домену Qualcomm Automotive: проектування та розрахунок джерела живлення

Швидкий розвиток індустрії транспортних засобів на нових джерелах енергії спричинив стрімке зростання в різних промислових ланцюгах. Інтелектуалізація транспортних засобів і автономне керування стали найважливішими напрямками конкурентоспроможності для електромобілів, що створює нові виклики та можливості для високопродуктивних центральних блоків та контролерів доменів, особливо з огляду на надійність, високу потужність, електромагнітну сумісність (EMC) імпульсних джерел живлення, високу ефективність та вартість за співвідношенням продуктивності у джерелах живлення постійного струму (DC-DC).

Qualcomm, як постачальник контролерів інтелектуальної кабіни, посідає значну позицію завдяки моделям SA8155 та SA8295. Протиріччя між перехідним струмом, стабільним робочим струмом, ефективністю живлення в режимі очікування, вартістю та проектуванням ЕМС імпульсних джерел живлення (SMPS) основного живлення центрального контролера домену (джерело живлення від акумулятора до первинного перетворення) стають головною перешкодою для проектування понижувальних джерел живлення (BUCK). Як усунути та збалансувати ці протиріччя — це технічний напрямок, у якому взаємодіють архітектура імпульсних джерел живлення, силові мікросхеми, котушки індуктивності, транзистори MOSFET та конденсатори.

У цій статті поєднано проектування основного джерела живлення центрального доменного контролера для автомобільних застосунків із великим динамічним струмом перемикання імпульсного джерела живлення (100–300 %), досліджено проектування імпульсних перетворювачів напруги постійного струму, включаючи рішення щодо джерел живлення, методи вибору індуктивності та конденсаторів. Розглянуто та реалізовано практичне проектування з урахуванням викликів, пов’язаних із габаритами, вартістю, ефективністю та продуктивністю.

У цій статті на прикладі доменного контролера Qualcomm SA8295 розглянуто та реалізовано практичне проектування основного імпульсного перетворювача BUCK.

Ця серія статей складається з трьох частин (буде постійно оновлюватися):

01- Розшифровка проектування первинного джерела живлення автомобільного доменного контролера Qualcomm: проектування та розрахунок джерела живлення (цей розділ)

02- Розшифровка проектування першого етапу джерела живлення контролера домену Qualcomm Automotive: схематичне проектування та проектування друкованої плати

03- Розшифровка проектування джерела живлення першого рівня автомобільного доменного контролера Qualcomm: аналіз вимірювань продуктивності

1- Мета та виклики проектування

1.1 Вимоги до перехідного струму для SA8295

Таблиця 1: Вимоги до проектування живлення SA8295

1.2 Вимоги до струму очікування SA8295

Споживання у режимі очікування 3,3 В SOC Qualcomm становить 4–7,5 мА (включаючи споживання пам’яті в режимі самorefрешу), підтримка прокидання з режиму очікування.

Центральний мозок (контролер домену салону) загальний бюджет струму автомобіля 7-10 мА (13,5 В), модуль 4G/5G споживає окремо 4-5 мА, Qualcomm SA8295 поточний 13,5 В 3 мА (40 мВт) або менше.

1.3 Три виклики

1.3.1 Виклик 1: Перемикання живлення контролера домену Qualcomm SA8295 вихідний струм

Великий перехідний струм, 3,3 В, 18 ампер (0,1 мс), 0,1 мс вже є довгим періодом сталий вихід для джерела постійного струму з перемиканням, що вимагає розробки понижувального джерела живлення для стабільного виходу 18 ампер.

1.3.2 Виклик 2: Динаміка високоякісного джерела живлення з перемиканням контролера домену SA8295

Струм сталого режиму роботи контролера домену SA8295 становить 5-9 ампер, що призводить до стабільної різниці робочого струму більш ніж на 300% у котушці індуктивності джерела живлення з перемиканням (індуктивність обернено пропорційна номінальному струму) за обсягом, вартістю та частотою, що призводить до значних конфліктів.

1.3.3 Виклик 3: Мікропотужна ефективність джерела живлення з перемиканням високоякісного контролера домену SA8295

Споживання електроенергії в режимі очікування з ефективністю 70% при 13,5 В та 3 мА створює великі труднощі для архітектури контролера живлення та проектування вибору індуктивності.

Цей дизайн розроблено на основі виклику щодо максимального первинного понижувального джерела живлення SA8295, досліджуються ключові складності рішень у галузі імпульсних джерел живлення та технології DC-DC.

2- Порівняння вибору рішень

2.1 Вимоги до електроживлення доменного контролера Qualcomm SA8295

Як показано в таблиці 2:

Таблиця 2: Технічні специфікації проектування живлення Qualcomm SA8295

2.2 Проектні схеми та технічна документація

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1 тощо можуть задовольняти вимоги проектування. У цьому проекті обрано LM25149-Q1 як основну схему джерела живлення для центрального контролера домену.

2.2.1 Офіційна адреса LM25149-Q1:

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

Таблиця 3: Довідкові матеріали проектування LM25149-Q1

2.2.2 Технічний паспорт LM25149-Q1:

LM25149-Q1 42-В автомобільний, синхронний, понижувальний, контролер постійного струму/постійного струму з наднизьким IQ і вбудованим активним фільтром ЕМІ (Rev. B)

2.2.3 Демонстраційна плата LM25149-Q1:

Керівництво користувача EVM для LM25149-Q1 (Rev. A) (ti.com.cn)

2.2.4 Стабільність та ефективність активного фільтра:

Як забезпечити стабільність і ефективність активних фільтрів ЕМІ (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 Інструменти проектування :

Розрахунковий інструмент LM5149-LM25149DESIGN-CALC | TI.com

3- Розрахунок і проектування синхронного понижувального джерела живлення

3.1 Основні технічні характеристики та параметри проектування LM25149

Таблиця 4: Технічні специфікації проектування живлення Qualcomm SA8295

Ефективність

Активні фільтри ЕМІ

Тестування ЕМІ

Схема проектного рішення

Друкована плата для оцінки проектного рішення

3.2 Розрахунок вибору синхронного дроселя LM25149 BUCK

3.2.1 Формула розрахунку імпульсного джерела живлення синхронного BUCK:

Таблиця 5: Формули розрахунку синхронного понижувального джерела живлення

3.3 Розрахунок мінімальної індуктивності

(Формула розрахунку, див. таблицю 5.)

Таблиця 6: Графік розрахунку мінімальної індуктивності (∆I=0,3)

Таблиця 7: Розрахунок мінімальної індуктивності

3.3.1 Узагальнення даних розрахунку індуктивності:

① Якщо проект охоплює діапазон 6-20 А (розрахунок AI=0,3), при вхідній напрузі 16 В і вихідному струмі 6 А, індуктивність має бути ≥0,69 мкГн.

② Теоретичний розрахунок індуктивності імпульсного блоку живлення Lmin: ≥ 0,69 мкГн (теоретично);

③ З урахуванням фактичного вибору проекту та допуску індуктивності ±20%, оптимальним вибором є 0,82 мкГн та 1,0 мкГн (збільшення значення індуктивності збільшує розмір індуктора, вартість та зменшує SRF).

3.4 Розрахунок струму індуктивності

(Формула: див. таблиці 5, пункти 1 та 2)

Таблиця 8: Розрахунок струму котушки індуктивності 0,82 мкГн

Таблиця 9: Розрахунок струму котушки індуктивності 1,0 мкГн

3.4.1 Теоретичний розрахунок струму насичення індуктивності ≥ 20,76 А, округлено до 21 А:

Таблиця 10: Специфікації індуктивності

4- Вибір індуктивності для імпульсного джерела живлення

Таблиця 11: Вибір індуктивності

4.1 Розрахунок резистора вимірювання струму для імпульсного джерела живлення LM25149

Таблиця 12: Теоретичний розрахунок резистора вимірювання струму

Таблиця 13: Вибір резистора вимірювання струму

4.2 Розрахунок вихідного конденсатора для синхронного імпульсного джерела живлення BUCK

(Розрахунок вихідного конденсатора: Див. рівняння у Таблиці 5)

Таблиця 14: Розрахунок вихідного конденсатора для синхронного імпульсного джерела живлення BUCK

Для проектування синхронних понижуючих імпульсних джерел живлення існує компроміс між продуктивністю, розміром і вартістю вхідних та вихідних фільтрувальних конденсаторів. Випробування специфікацій конденсаторів проводяться за певних умов, а варіації вимірювальних приладів під час тестування можуть призводити до розбіжностей на 10–50% для однакових специфікацій. Остаточна робота конструкції вимагає наукового підтвердження та перевірки шляхом процесу налагодження (не існує єдиного оптимального рішення; лише вибір схеми, яка підходить для конкретного застосування).

Перемикачні конденсатори повинні відповідати вимогам: ємність ≥ 320 мкФ (вимога щодо перерегулювання), керамічна ємність більше 2,435 мкФ (не є основною умовою, достатньо виконання вимоги).

Таблиця 15: Рекомендований вибір моделей вихідних фільтрувальних конденсаторів для імпульсних джерел живлення

Таблиця 16: Проектування вихідних фільтрувальних конденсаторів для імпульсних джерел живлення

4.3 Розрахунок вхідного конденсатора для джерела живлення LM25149

4.3.1 Розрахунки вхідної ємності

Таблиця 17: Розрахунок вхідного фільтрувального конденсатора для імпульсного джерела живлення

Таблиця 18: Вибір вихідних фільтрів для імпульсних джерел живлення

4.4 Розрахунок вибору транзисторів LM25149

4.4.1 Розрахунок MOSFET

Даний лист LM25149 не містить багатьох розрахунків та розрахунків вибору. Розрахунки QG та вибір ґрунтуються на емпіричних оцінках та зворотних висновках. Результати розрахунку вказують на значення 4,5-5,0 В Vgs та ≤22 нКл. Процес розрахунку наведено у таблиці нижче. Плато Міллера вибирається 2-3 В (допустимо також близьке до 3 В), а Rdson вибирається як ≤8 мОм.

Таблиця 19: Вибір і розрахунки транзисторів

4.5 Рекомендації щодо вибору транзисторів

Таблиця 20: Моделі транзисторів для вибору

4.6 Розрахунки FB та компенсації LM25149

Таблиця 21: Розрахунки FB та компенсації

4.7 Розрахунок конструкції LM25149 EMC

Не проводячи надмірного аналізу, дивіться технічні специфікації.

5- Короткий опис проекту

5.1 Узагальнення проектування та вибору джерела живлення LM25149 BUCK

Таблиця 22: Проектування та Вибір

5.2 Узагальнення рішення

Продуктивність і ефективність синхронних імпульсних джерел живлення залежать від багатьох факторів. При визначенні характеристик та специфікацій необхідно враховувати практичні аспекти. Цей розділ призначено для теоретичних розрахунків, щоб забезпечити теоретичне керівництво для практичного проектування. Характеристики та специфікації конструкції тісно пов’язані з продуктивністю компонентів, умовами експлуатації, розташуванням тощо, а також вимагають ретельного тестування та підтвердження.

Розробка синхронного понижуючого джерела живлення для контролерів домену Qualcomm — це складна галузь проектування контролерів, яка вимагає поєднання продуктивності, розміру та вартості. CODACA спеціалізується на незалежних НДР і проектуванні індуктивних котушок та диференційних дроселів. Модель CSEB0660-1R0M підходить для розробки та застосування платформи Qualcomm, пропонуючи високу економічну ефективність, високу стійкість до струму насичення, низьке виділення тепла та найкраще співвідношення потужності до об’єму в галузі. CODACA прагне до технологічних НДР та інновацій, створюючи відмінні продукти для індустрії індуктивних котушок і сприяючи розвитку та застосуванню електронних продуктів.