Розкриття дизайну живлення рівня 1 контролера автомобільного домену Qualcomm: проектування схеми та PCB

Швидкий розвиток індустрії нових енергетичних транспортних засобів стимулював вибухове зростання кожного ланцюга постачання. Автомобільна інтелектуалізація та автономне керування стали найважливішими напрямками конкурентоспроможності нових енергетичних транспортних засобів, що створює нові виклики та можливості для надійності імпульсних джерел живлення постійного струму, високої потужності, завадостійкості (EMC) імпульсних джерел живлення, високої ефективності та оптимальної вартості.

Qualcomm як постачальник контролера домену інтелектуальної панелі, SA8155 та SA8295 займають важливе становище, центральний доменний контроль SOC рівень 1 джерела живлення (джерело живлення перетворене від батареї вхідного рівня 1) перехідний струм, стабільний робочий струм, ефективність режиму очікування, вартість, а також суперечність між проектуванням EMC для імпульсних джерел живлення стало величезним викликом для проектування BUCK джерел живлення. Як вирішити та збалансувати ці суперечності — це напрямок спільної роботи виробників архітектури імпульсних джерел живлення, мікросхем живлення, котушок індуктивності, транзисторів Mosfet, конденсаторів.

У цій статті досліджується проектування джерела живлення рівня 1 для великих автомобільних центральних доменних контролерів із великим динамічним комутаційним струмом (100–300%), включаючи схему джерела живлення, вибір індуктивності, конденсаторів та інші методи проектування, враховуючи об'єм, вартість, ефективність, продуктивність, проблеми та реалізацію на практиці.

На прикладі квалкомівського доменного контролера SA8295 у цьому розділі обговорюється та реалізується практичний дизайн первинного ключового джерела живлення BUCK.

Для цього розділу потрібно глибоке розуміння першої частини серії (детальної розробки теорії та розрахунків ключового джерела живлення BUCK), а також детальне проектування джерела живлення BUCK на основі LM25149.

Ця серія статей містить три серії (наступні безперервні оновлення):

01-Грудня. Розкриття проектування джерела живлення рівня 1 автомобільного доменного контролера Qualcomm: проектування та розрахунок джерела живлення (опубліковано)

02-Розшифровка рівня 1 контролера живлення доменного контролера Qualcomm Automotive: проектування схеми та проектування PCB (цей розділ )

03-Розшифровка рівня 1 контролера живлення доменного контролера Qualcomm Automotive: аналіз вимірювань випробувань продуктивності (у зв’язку з цим буде оголошено)

1. Мета проектування та виклики

1.1 Вимоги до перехідного струму SA8295

Таблиця 1: Вимоги до проектування джерела живлення SA8295

Примітка: Найновіша версія SA8295 потребує 21 А (1 NPU) і 24 А (2 NPU), що цей дизайн може забезпечити (захист від перевищення струму 30 А)

1.2 Цілі проектування

Цей дизайн використовує LM25149 для проектування основного джерела живлення доменного контролера , здатний витримувати перехідний струм 24А (100мкс) і забезпечуючи усталену робочу вимогу понад 10А, досягаючи збалансованого компромісу між розміром, вартістю та продуктивністю.

Примітка: Перехідний струм не створює теплових проблем (для Qualcomm SA8295 тривалість перехідного струму становить лише 100мкс). Однак великий усталений струм може призводити до підвищення температури, тому необхідно оцінити вплив теплової продуктивності (вибір проектного рішення має ґрунтуватися на реальних умовах навколишнього середовища).

2- Схема та проектування друкованої плати

2.1 Вибір ключових компонентів

Критерії вибору компонентів для джерел живлення рівня доменного контролера: пріоритет продуктивності, враховуючи вартість, а також зменшення площі друкованої плати; враховувати проблеми електромагнітної сумісності (EMC) та контурів струму для понижувальних перетворювачів, відповідно до загальної теорії та правил проектування понижувальних перетворювачів, можна скористатися загальними методиками проектування.

Див. розділ 1 для отримання докладної інформації щодо вибору та розрахунку електронних компонентів (Demystifying Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Power Supply Design and Calculations)

У цьому проекті обрано варіант 2 (використання восьми керамічних конденсаторів 47 мкФ у корпусі C1210). Цей вибір не є обмежувальним, остаточний вибір може бути змінено відповідно до реальних потреб моделі, а також на підставі результатів тестування та оптимізації проекту.

Таблиця 2: Схема живлення BUCK - проектування

2.1.1 Джерело живлення BUCK - вибір MOSFET-транзистора

Таблиця 3: Джерело живлення BUCK - вибір MOSFET-транзистора

2.1.2 Джерело живлення BUCK - вибір індуктивності

Вибір індуктивності за допомогою моделі: VSEB0660-1R0MV

Таблиця 4: Вибір індуктивності

2.1.3 Джерело живлення BUCK - вибір вихідного фільтрувального конденсатора

Таблиця 5: Джерело живлення BUCK - вибір вихідного фільтрувального конденсатора

2.1.4 Вибір вхідного фільтруючого конденсатора для джерела живлення BUCK

Таблиця 6: Джерело живлення BUCK - вибір вхідного фільтруючого конденсатора

2.2 Проектування схеми та друкованої плати за допомогою інструментів для проектування

2.2.1 Створення схеми та друкованої плати: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)

Рисунок 1 Ознайомлення з Caritron EDA

Jialitron EDA — це провідний безкоштовний інструмент розробки EDA, потужний і ефективний. Цей дизайн використовує Jialitron EDA для створення принципової схеми та друкованої плати.

2.3 Джерело живлення BUCK – проектування схеми

2.3.1 Джерело живлення BUCK – проектування схеми

Проектування схеми здійснювалося на основі технічного опису LM25149-Q1 та офіційної розвивної плати, а також відповідає базовим теоретичним положенням щодо джерел живлення типу BUCK і вимогам проектування первинних джерел живлення для контролера високої області.

Рисунок 2 Схема LM25149

2.3.2 Джерело живлення BUCK - Технологія проектування схем

Вхідний порт EMC ланцюг:

Технічні моменти:

① Головна роль L1 полягає в зменшенні впливу шуму перемикаючого джерела живлення на вхідне живлення, частота перемикання джерела живлення становить 2,2 МГц, L1 та C23 утворюють LC-фільтр (C16 є електролітичним конденсатором для низькочастотних сигналів нижче 500 кГц), щоб знизити рівень на 60 дБ на частоті 2,2 МГц.

② C21 зменшує шум перемикання (дренаж і фронтовий дзвоник потужного транзистора) і переважно зменшує EMC-шум в діапазоні 10-100 МГц.

③ Якщо C21, C23 — це джерело живлення (до захисту), необхідно обрати гнучкий конденсатор типу термінал, якщо воно захищене, можна обрати автомобільний специфікаційний конденсатор. Також можна використовувати два конденсатори, з'єднані послідовно, у перпендикулярному розташуванні для досягнення аналогічного механізму захисту.

Для потужних MOSFET-транзисторів і вхідної ємності LM25149 процес відокремлення ємності має однакові вимоги, цей дизайн не використовується для перевірки продуктивності, використання одного керамічного конденсатора, на рівні продукту слід дотримуватися вимог автомобільного дизайну.

Примітка: Активне придушення електромагнітних перешкод (EMC) та подвійна технологія випадкового розширення спектру в моделі LM25419 зменшують амплітуду перешкод лише до певної межі, але не можуть повністю усунути EMC. Для частоти перемикання 2,2 МГц, яка пов’язана з енергією, у застосуваннях з високим струмом (≥10 А) існує ризик перевищення стандарту. Необхідно орієнтуватися на фактичні результати тестування: якщо після видалення конденсатора С23 випромінювання все одно проходить через провідник, то можна обійтися без використання С23 у застосуванні, щоб скоротити витрати.

Вхідні конденсатори живлення BUCK:

① C2,C3 для вхідної ємності живлення BUCK, для ефективності комутаційного джерела живлення EMC критично важливі, вибір ємності 10 мкФ на частоті 2 МГц близький до імпедансу ≤ 5 мОм, CGA4J1X8L1A106K125AC та CGA6P1X7S1A476M250AC мають хороші технічні характеристики для довідки, вибір ємності можна вибрати X7R, напруга 35 В/50 В, корпус C1210 та C1206 допустимий. У цьому проекті обрано корпус C1210, щоб мати більше моделей для перевірки продуктивності.

② C4 для конденсаторів EMC високочастотного перемикання, виберіть 50 В X7R, корпус C0402 підходить.

C2, C3, C4, при розташуванні необхідно звернути увагу на контур струму (див. деталі розташування), відповідати основним вимогам та теорії проектування вхідної ємності живлення BUCK, можна вивчити теорію імпульсних джерел живлення BUCK, щоб глибше зрозуміти вхідну ємність.

③ TP7, TP9, TP13 використовуються для тестування перемикача TG, BG і SW сигнали, використовується для перевірки обґрунтованості мертвого часу, якості зменшення зворотного перехідного процесу (ringing) та характеристик наростання і спаду MOSFET, є важливими показниками електричних випробувань імпульсних джерел живлення.

Тестова точка GND призначена для зменшення контуру заземлення осцилографа та підвищення точності вимірювань. Під час проектування необхідно розташовувати її якомога ближче до тестової точки відповідного тестового сигналу.

Резистор привода затвора MOSFET:

① R1 і R2 — це резистори привода затвора MOSFET, які суттєво впливають на фронти наростання і спаду потужного MOSFET.

② Вибір R1, R2 визначається вихідним струмом контролера живлення BUCK (контролер (резистори PULL та PUSH), імпеданс затвора потужного MOSFET та характеристики заряду (вхідна ємність CISS) комплексні причини, що впливають на початковий вибір проектування загальної суми резисторів ≤ 10 Ом, але також залежить від характеристик заряду, потребують остаточного точного налаштування, вибору відповідного опору.

③ R1 та R2 також є найбільш критичними параметрами для комутаційного шуму EMC, одночасно впливаючи на втрати перемикання основного контуру, у практичних застосуваннях необхідно збалансувати ефективність (нагрівання MOSFET) та протиріччя EMC, щоб досягти точки балансу.

Примітка: 6 контрольних точок для перевірки характеристик перемикання та мертвого часу.

Контур вихідної потужності:

① Вибір індуктивності: Вибір індуктивності базується на двох основних факторах:

- Перехідний робочий струм: може вихідний перехідний струм 21 (24) А (час: 100 мкс);

-Номінальний робочий струм: 10А, здатний стабільно працювати при струмі 10А (в умовах температури навколишнього середовища до 85°);

-Тривалість імпульсного робочого струму ≤ 100 мкс, виникає на етапі запуску, достатньо забезпечити умови, за яких індуктивність не насичується, щоб відповідати вимогам (відповідність значенню індуктивності струму).

② Вибір резистора для вимірювання: вибір резистора R1206, теплове розсіювання ≥ 0,5 Вт;

③ Вибір конденсаторів: див. першу частину розділу про вихідну фільтрувальну ємність;

Зворотний зв'язок:

Мікросхема LM25149 має фіксовану вихідну конфігурацію та конфігурацію зворотного зв’язку, деталі див. у технічному описі;

① R14l підключено до VDDA, вихід 3,3 В

② R14=24,9 К, вихід 5,0 В

③ R14=49,9 К, вихід 12,0 В

Не встановлювати R14, вихідна напруга налаштовується резисторами R9 та R10;

R19 і зарезервовані TP3, TP4: для тестування, запасу фази, частоти перетину тощо.

Примітка: TP3 і TP4 використовуються для тестування, запасу фази, частоти перетину тощо.

Налаштування функції:

① EN: сигнал увімкнення, ≥1,0 В вмикає живлення, може використовуватися для точного захисту від заниження напруги;

② Sync-PG: синхронний вихід або Power good (справне живлення), цей дизайн використовується для Power good;

③ PFM/SYNC

-Стандартний перемичок (NC): діодний аналог, вихід малим струмом, може працювати з високою ефективністю;

-Замкнути перемичок на GND, примусовий режим CCM;

④ Налаштування режиму роботи мікросхеми: всього п’ять режимів роботи (див. специфікацію);

2.4 Джерело живлення BUCK – проектування друкованої плати

2.4.1 ДЖЕРЕЛО ЖИВЛЕННЯ BUCK - проектування друкованої плати

① -ВЕРХНІЙ

② -ЗЕМЛЯ

③ -Сигнал

④ -Нижній

2.4.2 ДЖЕРЕЛО ЖИВЛЕННЯ BUCK - акцент на технології проектування друкованої плати

Контури вхідної та вихідної ємностей:

① Вхідна та вихідна ємності джерела живлення BUCK мають забезпечувати мінімальний контур, що має важливе значення для електромагнітної сумісності;

② C4 в основному використовується для поглинання шуму перемикаючих фронтів.

Контури МОП-транзисторів і індуктивності:

① Використання складених MOSFET-транзисторів зменшує площу розміщення та знижує вартість, але недоліком є те, що трасування SW не може забезпечити мінімальний контур;

② Точка SW складеного MOSFET-транзистора не може бути вирівняною на тому самому шарі плати PCB, і потрібно змінити шар для прокладання площини, щоб забезпечити безперервність струму живлення.

Вимірювання струму:

① Для вимірювання струму потрібне диференційне вирівнювання разом із площиною опорного GND;

② Контроль імпедансу та однакова довжина не є обов’язковими, вирівнювання забезпечує мінімальну відстань трасування.

Зворотний зв’язок FB:

Резистори та інші компоненти мають бути розташовані якнайближче до виводів керуючої мікросхеми.

Відвід тепла та GND:

Елементи, що виділяють тепло: MOSFET-транзистори, котушки індуктивності та вимірювальні резистори. Можна відповідно збільшити площу площини для відводу тепла, а також збільшити кількість перехідних отворів GND, щоб поліпшити загальні умови охолодження.

3- Домен Контрольований Рівень 1 BUCK Джерело Живлення - Підсумок

3.1 3D-малюнок

3D Малюнок-1

3D Малюнок-2

3.2 Короткий опис проекту

① Дизайн імпульсного джерела живлення передбачає чотиришарове виконання з товщиною PCB 1,6 мм і розміром 30X65 мм;

② Вихідний струм може забезпечити максимальний короткочасний струм Qualcomm SA8295 до 24 А, підтримувати постійний вихідний струм 10 А або більше.

4- Про Codaca Електроніка

Codaca зосереджений на незалежних дослідженнях, проектуванні та виробництві індуктивності, VSEB0660-1R0M підходить для розробки та застосування на платформі Qualcomm. Він має технічні переваги у вигляді високої вартості, високої стійкості до насичення струму, низького тепловиділення та провідного співвідношення потужності до об'єму в галузі. Codaca зосереджений на науково-технічних дослідженнях, технологічних інноваціях, розробці високоякісних продуктів для індустрії котушок індуктивності, щоб допомогти у розвитку та застосуванні електронних продуктів.

5- Тестування та верифікація

Для перевірки повторного тестування, будь ласка, зверніться до: 03-Deciphering Qualcomm's Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Performance Test Measurement Analysis (буде опубліковано окремо)

[Посилання]

1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1

2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E