EN
Швидкі посилання
Швидкий розвиток індустрії транспортних засобів із новими джерелами енергії сприяв вибуховому зростанню різних промислових ланцюгів, а інтелектуалізація автомобілів і автономне керування стали найважливішим стратегічним напрямком конкурентоспроможності електромобілів, що створює нові виклики та можливості для високоефективних центральних блоків та контролерів доменів, особливо щодо надійності, високої потужності, ЕМС, високої ефективності та вартості DC-DC імпульсних джерел живлення.
Як постачальник контролерів інтелектуального кокпіту, SA8155 та SA8295 займають важливе положення, а протиріччя між перехідним струмом, стабільним робочим струмом, ефективністю у режимі очікування, вартістю та проектуванням ЕМС імпульсного джерела живлення основного джерела живлення центрального доменного контролера (джерело живлення, перетворене з первинного рівня вхідного сигналу акумулятора) стало величезним викликом для проектування BUCK-джерела живлення. Як вирішити та збалансувати ці протиріччя — це технічний напрямок, над яким спільно працюють архітектура імпульсних джерел живлення, чіпи живлення, індуктивності, транзистори MOSFET і виробники конденсаторів.
У цій статті обговорюється проектування імпульсного джерела живлення постійного струму для первинного джерела живлення центрального доменного контролера з великим динамічним діапазоном перемикання (100–300%), включаючи схему живлення, вибір індуктивності, конденсаторів та інші методи проектування, враховуючи виклики, пов’язані з габаритами, вартістю, ефективністю та продуктивністю.
У цьому розділі на прикладі контролера домену Qualcomm SA8295 обговорюється та реалізується практичний дизайн джерела живлення першого рівня BUCK.
Для цього розділу потрібно ознайомитися з першою серією (детальна теорія та розрахунок імпульсного джерела живлення BUCK) та детально спроектувати джерело живлення BUCK на основі LM25149.
Ця серія статей складається з трьох частин (оновлення продовжуються):
02-Розшифровка проектування джерела живлення першого етапу для автомобільного контролера домену Qualcomm: схемотехнічне проектування та проектування PCB (цей розділ)
1. Мета проектування та виклики
1.1 Вимоги до перехідного струму SA8295
Таблиця 1: Вимоги до проектування джерела живлення SA8295
Примітка: Найновіші вимоги до проектування SA8295 — 21 А (1 NPU) та 24 А (2 NPU), і цей дизайн може забезпечити (захист від перевантаження за струмом 30 А)
1.2 Цілі проектування
Цей дизайн використовує LM25149, проектування джерела живлення першого рівня для контролера домену , який може задовольняти вимоги до перехідного струму 24 А (100 мкс) і відповідати умовам стабільної роботи понад 10 А, забезпечуючи комплексний баланс між об’ємом, вартістю та продуктивністю.
Примітка: Перехідний струм не викликає проблеми з генерацією тепла (для Qualcomm SA8295 лише перехідний струм 100 мкс), сталий великий струм призведе до підвищення температури, вплив підвищення температури потрібно виміряти (вибір схеми проектування залежить від реальних умов навколишнього середовища).
2- Схема та проектування друкованої плати
2.1 Вибір ключових компонентів
Критерії вибору основних компонентів джерела живлення доменного контролера: насамперед продуктивність, з урахуванням вартості та зменшення площі друкованої плати; Враховуючи проблему ЕМС та проблему контуру струму імпульсного джерела живлення BUCK, це відповідає загальній теорії та правилам проектування імпульсних джерел живлення BUCK, можна користуватися загальними методами проектування.
Щодо деталей вибору та розрахунку електронних компонентів, див. розділ 1 ( Розшифровка проектування першого етапу джерела живлення контролера домену Qualcomm Automotive: проектування та розрахунок джерела живлення )
Варіант 2 для цього дизайну (використання восьми керамічних конденсаторів 47мкФ у корпусі С1210). Дизайн не обмежується саме цим вибором, конструкцію можна адаптувати залежно від реальних умов, а також оптимізувати на підставі фактичних результатів тестування.
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
Для вибору індуктивності використовується модель: VSEB0660-1R0MV
Таблиця 4: Вибір індуктивності
2.1.3 Вибір вихідного фільтрувального конденсатора для джерела живлення BUCK
Таблиця 5: Вибір вихідного фільтрувального конденсатора для джерела живлення BUCK
2.1.4 Джерело живлення BUCK — вибір вхідних фільтрувальних конденсаторів
Таблиця 6: Джерело живлення BUCK — вибір вхідних фільтрувальних конденсаторів
2.2 Проектування схеми та друкованої плати за допомогою інструментів для проектування
2.2.1 Принципова схема та проектування PCB: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)
Рисунок 1 Ознайомлення з Caritron EDA
JLC Technology EDA — це провідний безкоштовний інструмент розробки EDA в Китаї, який має потужні функції та високу ефективність розробки; у цьому проекті використовується JLC Technology EDA для створення принципової схеми та розробки PCB.
2.3 Джерело живлення BUCK – проектування схеми
2.3.1 Джерело живлення BUCK – проектування схеми
Принципова схема розроблена відповідно до специфікації LM25149-Q1 та офіційної плати розробки, і ця конструкція відповідає основним теоретичним засадам импульсного перетворювача BUCK та вимогам до проектування первинного джерела живлення контролерів високочастотних доменів.
Малюнок 2 Схематична діаграма LM25149
2.3.2 Джерело живлення BUCK - ключова технологія у проектуванні схем
Вхідне EMC-коло：
Технічні аспекти:
① Основна функція L1 полягає в зменшенні впливу кондуктивних шумів, що випромінюються, від імпульсного джерела живлення на вхідне джерело живлення. Частота перемикання імпульсного джерела становить 2,2 МГц. L1 та C23 утворюють LC-фільтр (C16 — електролітичний конденсатор, призначений переважно для низьких частот нижче 500 кГц), який забезпечує послаблення на 60 дБ на частоті 2,2 МГц.
② C21 зменшує шуми перемикання (зв’язані з фронтами увімкнення та вимкнення силового транзистора), головним чином знижуючи EMC-шуми у діапазоні 10–100 МГц.
③ Якщо C21 і C23 використовуються в джерелах живлення першого ступеня (до захисту), потрібно обрати модель конденсатора з гнучкими виводами, а якщо є захист, можна обрати конденсатор автомобільного класу. Аналогічний механізм захисту також може бути реалізований за допомогою двох послідовно з'єднаних конденсаторів.
Ті ж самі вимоги стосуються потужних MOSFET-транзисторів і вхідних розгортальних конденсаторів LM25149; цей дизайн не використовується для перевірки продуктивності, використовується один керамічний конденсатор, а проектування на рівні продукту відповідає вимогам проектування автомобільного класу.
Примітка: Активне компенсування ЕМС та технологія подвійного випадкового розсіювання спектру LM25419 лише частково зменшують амплітуду ЕМС, повне усунення ЕМС неможливе. Для енергії, пов’язаної з частотою перемикання 2,2 МГц, при застосуванні з великим струмом (≥10 А) існує ризик перевищення нормативних значень. Остаточні параметри мають бути підтверджені під час реального налагодження. Якщо після вилучення C23 провідна емісія все ще проходить, можна відмовитися від використання C23, щоб знизити вартість.
Вхідні конденсатори живлення BUCK:
① C2, C3 — це вхідні конденсатори живлення BUCK, які мають вирішальне значення для ефективності електромагнітної сумісності імпульсного джерела живлення. Для конденсаторів 10 мкФ слід обирати опір навколо 2 МГц ≤5 мОм. Конденсатори CGA4J1X8L1A106K125AC та CGA6P1X7S1A476M250AC мають гарні технічні показники, що можуть бути рекомендовані для використання. При виборі можна використовувати кераміку типу X7R, напруга пробою 35 В/50 В, корпуси C1210 та C1206 є доступними. У даному проекті обрано корпус C1210, що дозволяє забезпечити широкий діапазон моделей і підтверджену продуктивність.
② C4 — це високочастотний перемикальний EMC-конденсатор, виберіть 50 В X7R, корпус C0402.
Щодо C2, C3, C4: при трасуванні необхідно звернути увагу на контур струму (див. деталі трасування), щоб відповідати базовим вимогам та теорії проектування вхідної ємності живлення BUCK. Можна вивчити теорію імпульсного джерела живлення BUCK, щоб глибше зрозуміти призначення вхідного конденсатора.
③ Точки TP7, TP9, TP13 використовуються для перевірки сигналів TG, BG та SW перемикача, а також для тестування обґрунтованості часу мертвих зон, наявності дзвону та параметрів фронтів включення/виключення MOSFET, що є важливим електричним показником роботи імпульсного джерела живлення.
Точка тестування TP для GND використовується для зменшення контуру заземлення під час вимірювань осцилографом і підвищення точності вимірювань; при трасуванні необхідно передбачити розташування контрольної точки якомога ближче до відповідних тестових сигналів.
Резистор привода затвора MOSFET:
① R1 та R2 — це резистори керування затвором MOSFET, які суттєво впливають на фронти включення та виключення силового MOSFET.
② Вибір R1 та R2 залежить від поєднаних причин керованого струму на виході контролера живлення BUCK (контролер (опір PULL та PUSH), імпеданс затвору та характеристики заряду потужного польового МОП-транзистора (вхідна ємність CISS), і загальний опір усього резистора обирається ≤ 10 Ом на етапі початкового проектування, що також залежить від характеристик заряду, і потребує точного налаштування для вибору відповідного значення опору.
③ R1 та R2 також є ключовими параметрами, які найбільше впливають на комутаційні шуми EMC та основні чинники схеми, що впливають на втрати при перемиканні.
Примітка: для перевірки характеристик перемикача та мертвого часу використовується 6 контрольних точок.
Контур вихідної потужності:
① Вибір індуктивності: при виборі індуктивності головним чином враховуються два фактори:
- Тимчасовий робочий струм: здатний тимчасово виробляти 24 А (час: 100 мкс);
- Стабільний робочий струм: 10 А, може стабільно працювати при струмі 10 А (включаючи умови навколишньої температури 85 ℃);
- Тривалість перехідного робочого струму становить ≤ 100 мкс, він виникає під час фази запуску, і лише за умови, що індуктивність не насичена, можуть бути виконані вимоги (відповідність значенню індуктивності струму).
② Вибір резистора для вимірювання: резистор для вимірювання обирається в корпусі R1206, потужність розсіювання тепла ≥ 0,5 Вт;
③ Вибір конденсаторів: див. розділ про вихідний фільтруючий конденсатор у першій частині розділу;
Зворотний зв'язок:
LM25149 має фіксовану конфігурацію вихідної напруги та конфігурацію зворотного зв'язку, детальну інформацію наведено в 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
Вихідна напруга налаштовується за допомогою R14, R9 та R10 на порожній наклейці;
R19 та резервні TP3, TP4: для тестування, запасу за фазою, частоти зрізу тощо.
Примітка: TP3 та TP4 використовуються для вимірювання запасу за фазою, частоти зрізу тощо.
Налаштування функцій:
① EN: сигнал дозволу, ввімкнення живлення ≥ 1,0 В, може бути захищено за допомогою точного контролю нижче межі напруги;
② Sync-PG: синхронний вихід або сигнал нормальної роботи (Power good), у цьому проекті передбачено сигнал нормальної роботи
③ PFM/SYNC
-За замовчуванням (NC) джампер: аналоговий діод, вихід малим струмом, може працювати з високою ефективністю;
-Замикання джампера на GND, примусовий режим CCM;
④ Налаштування режиму роботи мікросхеми: всього 5 режимів роботи (див. технічний посібник).
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 — ключова технологія проектування PCB
Контури вхідного та вихідного конденсаторів:
① Вхідні та вихідні конденсатори джерела живлення BUCK повинні утворювати мінімальний контур, що має важливе значення для ЕМС;
② C4 використовується переважно для поглинання дзвону шуму на фронтах і спадах перемикання.
Контури МОП-транзисторів та індуктивності:
① Використання комбінованих МОП-транзисторів зменшує площу розташування та витрати, але має недолік — трасування SW не може утворювати мінімальний контур;
② Точка SW комбінованого МОП-транзистора не може бути реалізована на тому самому шарі PCB, необхідно змінити шар трасування для забезпечення неперервного струму живлення.
Вимірювання струму:
① Струм вибірки повинен бути диференційним, а також необхідна опорна площина GND;
② Немає необхідності контролювати імпеданс і рівну довжину, сліди мають дотримуватися мінімального проміжку розташування.
Зворотний зв’язок FB:
Резистори та інші компоненти мають бути розташовані якнайближче до виводів керуючої мікросхеми.
Відвід тепла та GND:
Пристрої, що нагріваються: МОП-транзистори, котушки індуктивності та шунтові резистори можуть прийнятно збільшити теплопровідність у площині, а збільшення черезходів GND допоможе покращити умови охолодження всієї плати.
проект живлення BUCK першого рівня з керуванням за доменами — підсумок
3.1 3D-малюнок
3D Малюнок-1
3D Малюнок-2
3.2 Короткий опис проекту
① Конструкція імпульсного джерела живлення передбачає чотиришарову конструкцію, товщина друкованої плати 1,6 мм, розмір 30x65 мм;
② Вихідний струм може задовольняти максимальний перехідний струм Qualcomm SA8295 на рівні 24 А і підтримує постійну вихідну здатність понад 10 А.
4- Про Codaca Електроніка
Codaca спеціалізується на незалежних НДР, проектуванні та виробництві індуктивних елементів, а модель VSEB0660-1R0M підходить для розробки та застосування платформ Qualcomm. Вона має технічні переваги, такі як висока вартість продуктивності, сильна стійкість до насичення струмом, низьке виділення тепла, а також є провідною в галузі за співвідношенням потужності до об’єму. Codaca робить акцент на дослідженнях і розробках, технологічних інноваціях, створює виняткові продукти для індустрії індуктивних елементів і сприяє розвитку та застосуванню електронних продуктів.
5- Тестування та верифікація
Для подальшого тестування та перевірки, будь ласка, зверніться до: 03- Розшифровка проектування джерела першого етапу живлення контролера домену Qualcomm Automotive: аналіз вимірювань випробувань продуктивності .
[Посилання]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E