Розкриття секретів проектування джерела живлення першого рівня контролера домену високого проходу: проектування та розрахунок джерела живлення

Швидкий розвиток індустрії нових енергетичних транспортних засобів спричинив стрімке зростання кожного ланцюга індустрії, автомобільна інтелектуалізація, автономне керування стали найважливішими напрямами конкурентоспроможності нових енергетичних транспортних засобів, що створило нові виклики та можливості для надійності інтегрованих центральних мозків та контролерів доменів, особливо для надійності імпульсних джерел живлення постійного струму, високої потужності, електромагнітної сумісності імпульсних джерел живлення, високої ефективності, вигідного співвідношення ціни та якості, що веде до появи нових можливостей та викликів.

Qualcomm як постачальник контролера домену інтелектуальної панелі, SA8155 та SA8295 займає важливе становище, центральний доменний контроль SOC рівня 1 живлення (живлення, перетворене з батарейного входу рівня 1) перехідний струм, стабільний робочий струм, ефективність режиму очікування, вартість, суперечність між проектуванням EMC імпульсних джерел живлення стало величезним викликом для проектування BUCK-джерела живлення. Як вирішити та збалансувати ці суперечності — це технічний напрямок архітектури імпульсних джерел живлення, мікросхем живлення, дроселя, Mosfet, конденсаторів разом.

У цій статті поєднується проектування джерела живлення першого рівня автомобільного центрального доменного контролю з великим динамічним перемиканням струму (100-300%), щоб дослідити проектування імпульсного джерела живлення постійного струму, включаючи схему живлення, вибір індуктивності, конденсаторів та інші методи проектування; враховуючи об'єм, вартість, ефективність, проблеми продуктивності для дослідження та практичної реалізації проекту.

У цій роботі досліджено та реалізовано реальне проектування одноступеневого імпульсного джерела живлення BUCK на прикладі використання контролера автомобільної доменної системи Qualcomm SA8295.

Ця серія статей містить три серії (у майбутньому буде продовжуватися оновлення):

01- Розшифрування проектування джерела живлення рівня 1 контролера автомобільної доменної системи Qualcomm: проектування та розрахунок джерела живлення (цей розділ)

02- Розкриття секретів проектування джерела живлення рівня 1 для автомобільного доменного контролера Qualcomm: проектування схеми та друкованої плати

03- Аналіз проектування джерела живлення рівня 1 для автомобільного доменного контролера Qualcomm: вимірювання та аналіз характеристик

1- Мета та виклики проектування

1.1 Вимоги до перехідного струму SA8295

Таблиця 1: Вимоги до проектування джерела 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.

Загальний струм усього автомобіля для центрального мозку (контролера домена приладової панелі) — 7–10 мА (13,5 В), окремо модуль 4G/5G споживає 4–5 мА, струм Qualcomm SA8295 на напрузі 13,5 В — 3 мА (40 мВт) або менше.

1.3 Три виклики

1.3.1 Виклик 1 щодо вихідного струму імпульсного регулятора SA8295 в домені управління Qualcomm

Великий перехідний струм, 3,3 В, 18 Ампер (0,1 мс), 0,1 мс для джерела живлення постійного струму вже належить до тривалого режиму стабільного виведення, потрібно спроектувати понижувальне джерело живлення з урахуванням стабільного виведення 18 Ампер.

1.3.2 Високострумові динамічні виклики щодо джерела живлення Qualcomm domain-controlled SA8295 2:

Стабільний робочий струм контролю домену SA8295 становить 5-9 ампер, що призведе до збільшення індуктивності джерела живлення (індуктивність та сила струму обернено пропорційні вибору стабільного робочого струму, різниця більш ніж 300% вплине на об'єм, вартість, частоту, що створить більш значну суперечність).

1.3.3 Мікрофарбова ефективність джерела живлення Qualcomm domain-controlled SA8295 3:

Споживання в режимі очікування, необхідна ефективність споживання 13,5 В постійного струму 3 мА при 70%, що також є великим викликом для архітектури контролера живлення та проектування вибору індуктивності.

Цей дизайн базується на дизайні найбільш складного однорівневого джерела живлення SA8295, щоб дослідити основні труднощі імпульсних джерел живлення та рішення технології DC-DC.

2- Порівняння варіантів вибору

2.1 Вимоги до електроживлення доменного контролера Qualcomm SA8295

Як показано в таблиці 2:

Таблиця 2: Вимоги до проектування живлення Qualcomm SA8295

2.2 Проектні та технічні дані

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 та LM25149-Q1 відповідають вимогам проектування. У цьому проекті обрано LM25149-Q1 як схему джерела живлення першого рівня для цього центрального мозкового доменного контролера.

2.2.1 Офіційна адреса LM25149-Q1:

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

Таблиця 3: Посилання на проектування LM25149-Q1

2.2.2 Даталист 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: Вимоги до проектування джерела 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: Рівняння розрахунку проектування джерела живлення синхронного BUCK

3.4 Розрахунок мінімальної індуктивності

(Формули наведені в таблиці 5.)

Таблиця 6: Розрахункова графіка мінімальної індуктивності (∆I=0,3)

Таблиця 7: Розрахунок мінімальної індуктивності

3.4.1 Зведення даних розрахунку індуктивності:

① Якщо проект охоплює діапазон 6-20А (розрахунок AI=0,3), вхідна напруга 16В, вихідний струм 6А, індуктивність ≥ 0,69 мкГн.

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

③ Враховуючи фактичний вибір у проектуванні та похибку індуктивності ±20%, обрано 0,82 мкГн та 1,0 мкГн як найкращий варіант проектування (зі збільшенням значення індуктивності зростає її об'єм, вартість, а резонансна частота знижується).

3.5 Розрахунки струму котушки індуктивності

(Формула: див. таблиці 1 і 2 таблиці 5)

Таблиця 8: Розрахунок струму котушки індуктивності 0,82 мкГн

Таблиця 9: Розрахунок струму котушки індуктивності 1,0 мкГн

3.5.1 Теоретично розрахований струм насичення котушки індуктивності ≥ 20,76 А, округлено до 21 А:

Таблиця 10: Індикатори індуктивності

4- Вибір індуктивності імпульсного джерела живлення

Таблиця 11: Вибір індуктивності

4.1 Розрахунок опору вибірки струму індуктивності імпульсного джерела живлення LM25149

Таблиця 12: Теоретичний розрахунок опору вибірки струму індуктивності

Таблиця 13: Вибір резистора вибірки індуктивності

4.2 Розрахунок вихідної ємності синхронного понижувального імпульсного джерела живлення

(Розрахунок вихідної ємності: див. формулу у Таблиці 5)

Таблиця 14: Розрахунок вихідної ємності синхронного понижувального імпульсного джерела живлення

У проектуванні синхронного понижувального імпульсного джерела живлення, є суперечність між характеристиками вхідного та вихідного фільтрувальних конденсаторів, об'ємом, вартістю. Індекси специфікації ємності тестуються за певних умов, різниця в приладах під час тестування може призвести до відмінностей у тих же показниках на 10-50%. Остаточні характеристики проекту потребують перевірки на етапі наукової практики та тестування (немає оптимального рішення для проектування, лише вибір підходящого сценарію) (Оптимального рішення для проектування не існує, потрібно обрати найпідходящий варіант для конкретного сценарію).

Конденсатори перемикання повинні відповідати: ємність ≥ 320 мкФ (вимоги перенапруги), керамічний конденсатор ємністю більше 2,435 мкФ (не є ключовими умовами, але бажано виконати)

Таблиця 15: Рекомендовані моделі для вибору вихідних фільтрувальних конденсаторів імпульсних джерел живлення

Таблиця 16: Проектування вихідного фільтрувального конденсатора імпульсного джерела живлення

4.3 Розрахунок вхідної ємності джерела живлення LM25149

4.3.1 Розрахунки вхідної ємності

Таблиця 17: Розрахунки вхідного фільтру імпульсного джерела живлення

Таблиця 18: Вибір вихідного фільтру імпульсного джерела живлення

4.4 Розрахунок вибору транзисторів LM25149

4.4.1 Розрахунки транзисторів

У технічному описі LM25149 не наведено багато розрахунків і підрахунків для вибору, QG-розрахунки здійснюються на основі емпіричних оцінок у зворотному напрямку. За результатами розрахунків обирають Vgs 4,5–5,0 В, ≤ 22 нКл. Процес розрахунку див. у наступній таблиці. Оберіть плато Міллера на 2–3 В (прийнятним є значення близьке до 3 В). Rdson повинен бути ≤ 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 Розрахунки проектування LM25149 EMC

Не аналізуючи надмірно, зверніться до специфікації.

5- Короткий опис проекту

5.1 Короткий опис вибору джерела живлення LM25149BUCK

Таблиця 22: Проектування та Вибір

5.2 Зведена інформація про програму

Ефективність та показники синхронного імпульсного блоку живлення впливають на багато факторів, потрібно враховувати реальні умови. Цей розділ призначений для теоретичних розрахунків, теоретичного керівництва практичним проектуванням. Показники ефективності та характеристик проекту тісно пов’язані з параметрами компонентів, умовами експлуатації, розташуванням тощо, тому необхідні строгі випробування та перевірка.

Проектування синхронного понижувального джерела живлення для контролера домену високого рівня є складною технічною галуззю технології проектування контролерів, необхідно збалансувати продуктивність, обсяг, вартість. Kodak Ka спеціалізується на незалежних дослідженнях та розробці індуктивностей. Модель CSEB0660-1R0M підходить для розробки та застосування платформи високого рівня, має високе співвідношення ціни та якості, сильний опір струму насичення, мале виділення тепла та інші технічні переваги, забезпечуючи провідне у галузі співвідношення потужності до об'єму; Kodak Ka фокусується на наукових дослідженнях та розробках, технологічних інноваціях, створенні високоякісних продуктів для індуктивної промисловості, щоб сприяти розвиток та застосування електронних продуктів.