Qualcomm Automotive Domain Controller birinchi bosqichli quvvat manbai dizaynini o'rganish: Quvvat manbai dizayni va hisoblash

Yangi energiya transport vositalari sanoatining tez rivojlanishi turli sanoat zanjirlarida kuchli o'sishga olib keldi. Transport vositasining intellektualizatsiyasi va avtonom haydash yangi energiya transport vositalari uchun eng muhim raqobat afzalliklari yo'nalishiga aylandi, bu esa DC-DC kalitlanuvchi quvvat manbalarining ishonchliligi, yuqori quvvat zichligi, kalitlanuvchi quvvat manbai EMC, yuqori samaradorligi va yuqori narx-samaradorlik jihatlarida yuqori darajada integratsiyalangan markaziy protsessorlar va domen boshqaruv qurilmalari uchun yangi qiyinchiliklar va imkoniyatlarni keltirib chiqardi.

Samarali kokpit domen boshqaruvchilari yetkazib beruvchisi sifatida Qualcomm SA8155 va SA8295 bilan muhim o'rin egallaydi. Markaziy domen boshqaruvchisi SOC asosiy quvvati (batareyadan kirishdan birinchi konvertatsiyagacha bo'lgan quvvat) uchun o'tkaziladigan tok, barqaror ishlaydigan tok, kutish rejimida quvvat samaradorligi, narx hamda kalitlanadigan quvvat manbai (SMPS) EMC dizayni orasidagi ziddiyatlar BUCK quvvat manbai dizayni uchun katta qiyinchilik tug'diradi. Ushbu ziddiyatlarni qanday hal etish va ularni muvozanatlash — bu kalitlanadigan quvvat manbai arxitekturasi, quvvat mikrosxemalari, induktorlar, MOSFETlar va kondensatorlar birgalikda ishlaydigan texnik yo'nalishdir.

Ushbu maqola avtomobil sohasida katta dinamik kalitlanadigan quvvat manbai (100-300%) talab qilinadigan markaziy domen kontrolleri uchun boshlang'ich elektr ta'minotini loyihalashni birlashtiradi va o'z ichiga DC-DC kalitlanadigan quvvat manbailarini, quvvat manbai yechimlarini, induktorlar va kondensatorlarni tanlash usullarini loyihalashni o'z ichiga oladi. Hajm, narx, samaradorlik va ishlash kabi muammolarni hal etish bilan birga amaliy loyihalash muhokama qilinadi va amalga oshiriladi.

Ushbu maqola Qualcommning SA8295 domen kontrolleridan misol sifatida foydalanib, asosiy BUCK kalitlovchi quvvat manbaini amaliy jihatdan loyihalashni o'rganadi va amalga oshiradi.

Ushbu maqolalar seriyasi uchta qismdan iborat (kelajakda yangilanib boriladi):

01- Qualcomm avtomobil domen kontrollerining birinchi bosqichli quvvat ta'minoti dizaynini tushuntirish: Quvvat manbai dizayni va hisoblash (ushbu bob)

02- Qualcomm Automotive Domain Controller birinchi bosqichli quvvat manbai dizaynini o'rganish: Elektr sxemasi dizayni va PCB dizayni

03- Qualcomm avtomobil domen kontrollerining birinchi darajadagi quvvat ta'minoti dizaynini tahlil qilish: Ishlash sinovi o'lchov tahlili

1- Loyiha maqsadlari va qiyinchiliklar

1.1 SA8295 uchun o'tkazuvchan tok talablari

Jadval 1: SA8295 quvvat ta'minoti loyihasi talablari

1.2 SA8295 kutish tok talablari

Qualcomm SOC 3,3V quvvat manbaini 4-7,5 mA ichida (xotira o'z-o'zidan yangilash quvvati hisobiga) saqlash, kutish holatidan chiqishni qo'llab-quvvatlash.

Markaziy miya (Kabina domen kontrolleri) umumiy avtomobil tok konstruktiv rejalashtirilishi 7-10mA (13,5V), 4G/5G moduli yagona 4-5mA isteʼmol qiladi, Qualcomm SA8295 joriy 13,5V 3mA (40mW) yoki undan kam.

1.3 Uchta qiyinchilik

1.3.1 Muammo 1: Qualcomm Domen Kontrolleri SA8295 kalitlanuvchi quvvat manbaining tok chiqishi

Katta o'tishdagi tok, 3,3V, 18 amper (0,1ms), 0,1ms DC-DC kalitlanuvchi quvvat manbai uchun allaqachon uzoq muddatli barqaror holat chiqishi bo'lib, tushayotgan kuchlanish manbaini barqaror 18 amper chiqim uchun sozlashni talab qiladi.

1.3.2 Muammo 2: YUqori sifatli Domen Kontrolleri SA8295 kalitlanuvchi quvvat manbaining dinamikasi

SA8295 domen kontrollerining barqaror ish tok kuchi 5-9 amper, bu esa kalitlanuvchi quvvat manbaindagi induktivlikda (induktivlik nominal tok bilan teskari proporsional) hajm, narx va chastota jihatidan 300% dan ortiq barqaror ish tok farqini keltirib chiqaradi, ya'ni katta ziddiyatlar vujudga keladi.

1.3.3 Muammo 3: YUqori sifatli Domen Kontrolleri SA8295 kalitlanuvchi quvvat manbaini mikroquvvat samaradorligi

13,5V 3mA holatda 70% samaradorlik bilan o'tkazib yuboriladigan quvvat iste'moli quvvat manbai nazorati arxitekturasi va induktor tanlovi dizayniga katta qiyinchilik tug'diradi.

Ushbu loyiha maksimal SA8295 birinchi darajali buck quvvat manbai dizayni qiyinchiliklariga asoslangan bo'lib, kalitlanuvchi quvvat manbalari va DC-DC texnologik yechimlarning asosiy qiyinchiliklarini o'rganadi.

2- Yechim Tanlash Taqqoslamasi

2.1 Qualcomm SA8295 soha boshqaruvi uchun elektr ta'minoti texnik talablari

Jadval 2da ko'rsatilgandek:

Jadval 2: Qualcomm SA8295 Quvvat Dizayni Texnik Talablari

2.2 Loyiha Varianti va Texnik Hujjatlar

MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1 va boshqalari barchasi dizayn talablarini qondirishi mumkin. Ushbu loyiha sifatida joriy loyihada markaziy miya domeni nazoratchisining asosiy quvvat manbai sifatida LM25149-Q1 tanlab olingan.

2.2.1 Rasmiy LM25149-Q1 manzili:

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

Jadval 3: LM25149-Q1 uchun Dizayn Manbalari

2.2.2 LM25149-Q1 Texnik Xususiyatlari Qo'llanmasi:

LM25149-Q1 42-V Avtomobil, Sinxron, Buck, DC/DC nazoratchisi ultra-past IQ va faol EMI filtri bilan (Rev. B) ma'lumotnoma varag'i

2.2.3 LM25149-Q1 ishlab chiqish taxtasi:

LM25149-Q1 EVM Foydalanuvchi qo'llanmasi (Rev. A) (ti.com.cn)

2.2.4 Faol filtrlar barqarorligi va unumdorligi:

Faol EMI filtrlarining barqarorligini va unumdorligini ta'minlash usullari (ti.com.cn)

2.2.5 LM5149-LM25149 Dizayn vositalari :

LM5149-LM25149DESIGN-CALC Hisoblash vositasi | TI.com

3- Sinxron BUCK elektr ta'minoti loyihasi va hisobi

3.1 LM25149 asosiy xususiyatlari va loyihalash parametrlari

Jadval 4: Qualcomm SA8295 Quvvat Dizayni Texnik Xususiyatlari Talablari

Ish samaradorligi

Aktiv EMI filtrlari

EMI sinovlari

Manba dizayn sxemasi

Referent dizayn echimlarini baholash kengashi

3.2 LM25149 Sinxron BUCK induktor tanlash hisob-kitobi

3.2.1 BUCK sinxron almashtirish quvvat manbai hisob-kitob formulasi:

Jadval 5: Sinxron BUCK quvvat manbai dizayni hisoblash formulalari

3.3 Minimal inductivlikni hisoblash

(Hisoblash formulyasi, 5-jadvalga qarang.)

6-jadval: Minimal induktivlikni hisoblash egri chizig'i (∆I=0,3)

Jadval 7: Minimal induktivlik hisoblash

3.3.1 Inductivlikni hisoblash bo'yicha ma'lumotlar xulosasi:

① Agar dizayn 6-20A (AI=0,3 hisoblash) oralig'ini qamrab olsa, 16V kirish va 6A chiqish bilan ishlatsa, induktivlik ≥0,69μH bo'lishi kerak.

② Kalitlanuvchi quvvat manbaidagi induktivlik Lmin nazariy hisoblash: ≥ 0,69μH (nazariy);

③ Haqiqiy dizayn tanlovi va induktorning ±20% gacha bo'lgan noaniqlik sharoitini hisobga olsak, 0,82μH va 1,0μH ni optimal dizayn sifatida tanlash tavsiya etiladi (inductivlik qiymatini oshirish induktor hajmini, narxini oshiradi va SRF pasaytiradi).

3.4 Induktor tokini hisoblash

(Formula: 5-jadval, 1-va 2-bandlarga qarang)

Jadval 8: 0,82μH drossel oqimi hisoblashi

Jadval 9: 1,0μH drossel oqimi hisoblashi

3.4.1 Nazariy jihatdan induktivlikning to'yinish toki ≥ 20,76A, taxminan 21A:

10-jadval: Induktor xususiyatlari

4- Kalitlanuvchi quvvat manbai uchun induktor tanlovi

Jadval 11: Induktor tanlovi

4.1 LM25149 uchun Tokni namunalaovchi qarshilikni hisoblash

12-jadval: Tokni namunalash qarshiligi bo'yicha nazariy hisoblash

13-jadval: Tokni namunalash qarshiligini tanlash

4.2 Sinxron BUCK kalitlovchi quvvat manbai uchun chiqish kondensatorini hisoblash

(Chiqish kondensatori hisoblashi: 5-jadvaldagi tenglamaga murojaat qiling)

14-jadval: Sinxron BUCK kalitlovchi quvvat manbai uchun chiqish kondensatorini hisoblash

Sinxron buck kalitlanadigan o'zgartirgichli quvvat manbalarini loyihalashda kirish va chiqish filtri kondensatorlarining ishlash samaradorligi, hajmi va narxi o'rtasida muvozanat mavjud. Kondensatorlarning texnik xususiyatlari bo'yicha sinovlar maxsus sharoitlarda o'tkaziladi va sinov davomida asboblar farqi bir xil xususiyatga ega bo'lgan holda ham natijalarda 10–50% farq qoldirishi mumkin. Yakuniy loyihaning ishlash samaradorligi tajribaviy tekshiruv jarayonida ilmiy asoslangan tasdiqlashni talab etadi (bitta eng yaxshi yechim mavjud emas; faqat alohida dasturga mos keluvchi sxemani tanlash kerak).

Kalitlovchi kondensatorlar quyidagilarga javob berishi kerak: Sig'im ≥ 320uF (Overshoot talabi), keramik kondensator sig'imi 2,435uF dan katta bo'lishi kerak (asosiy shart emas, talablarni bajarish yetarli).

Jadval 15: Kalitlanadigan quvvat manbalarida chiquvchi filtrlar kondensatorlarining modelini tanlash bo'yicha tavsiyalar

Jadval 16: Kalitlanadigan quvvat manbalarida chiquvchi filtrlar kondensatorlarini loyihalash

4.3 LM25149 quvvat manbai uchun kirish kondensatorini hisoblash

4.3.1 Kirish sig'imi hisoblari

17-jadval: Kalitlanuvchi quvvat manbai uchun kirish filtri kondensatori hisobi

18-jadval: Kalitlanuvchi quvvat manbailari uchun chiqish filtrlarini tanlash

4.4 LM25149 Mosfet tanlash hisobi

4.4.1 MOSFET hisobi

LM25149 ma'lumotnoma varaqasida ko'plab hisoblashlar va tanlash hisoblari keltirilmagan. QG hisoblashlari va tanlovlari empirik taxminlar va teskari xulosalarga asoslanadi. Hisoblash natijalari 4,5-5,0V Vgs va ≤22nC qiymatini ko'rsatadi. Hisoblash jarayoni quyidagi jadvalda ko'rsatilgan. Miller platformasi 2-3V (3V ga yaqin ham qabul qilinadi) sifatida tanlanadi va Rdson ≤8mΩ sifatida tanlanadi.

Jadval 19: Mosfet tanlash va hisoblashlar

4.5 Mosfet tanlash bo'yicha tavsiyalar

Jadval 20: Mosfet tanlash modellari

4.6 LM25149 FB va kompensatsiya hisoblari

Jadval 21: FB va kompensatsiya hisoblashlari

4.7 LM25149 EMC dizayni hisobi

Juda chuqur tahlilga shug'ullanmasdan, spetsifikatsiyalarga murojaat qiling.

5- Dizayn xulosa

lM25149 BUCK quvvat manbai dizayni va tanlovining xulosi

Jadval 22: Dizayn va Tanlov

yechimning xulosi

Sinxron kalitlanuvchi quvvat manbalarining ishlashi va samaradorligi ko'plab omillar ta'sirida bo'ladi. Ishlash xususiyatlari va texnik xususiyatlar amaliy omillarni hisobga olishi kerak. Ushbu bob amaliy loyihalash uchun nazariy qo'llanma sifatida foydalanish uchun nazariy hisoblashlarga bag'ishlangan. Loyihaning ishlash xususiyatlari va texnik xususiyatlari komponentlarning ishlashiga, foydalanish sharoitlariga, joylashtirishga va boshqalarga bevosita bog'liq bo'lib, qattiq sinovdan o'tkazish va tekshirish talab etiladi.

Qualcomm domen kontrollerlari uchun sinxron buck quvvat manbai dizayni kontroller dizaynining qiyin sohasi bo'lib, ishlash, hajm va narx o'rtasida muvozanat talab qilinadi. CODACA kuchlanish induktorlari va umumiy rejimli cho'ntaklar (common mode chokes) dizayni hamda mustaqil I&I (tadqiqot va ishlab chiqarish) ustida e'tibor markazida. CSEB0660-1R0M Qualcomm platformasi uchun ishlab chiqish va dasturlar uchun mos keladi, yuqori xarajatlarga nisbatan samaradorlik, to'yinish tokiga chidamli, kam issiqlik ajratish va sanoatdagi yetakchi kuchlanish-hajm nisbati bilan ajralib turadi. CODACA texnologik I&I va innovatsiyalarga bag'ishlangan bo'lib, induktor sanoati uchun ajoyib mahsulotlar ishlab chiquvotiradi hamda elektron mahsulotlarning rivojlanishi va qo'llanilishiga hissa qo'shmoqda.