EN
Liên kết nhanh
Sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp phương tiện giao thông năng lượng mới đã thúc đẩy tăng trưởng bùng nổ trên khắp các chuỗi công nghiệp khác nhau. Tính năng thông minh hóa xe và lái xe tự động đã trở thành những định hướng cạnh tranh then chốt nhất đối với các phương tiện năng lượng mới, mang lại những thách thức và cơ hội mới cho các bộ não trung tâm và bộ điều khiển miền tích hợp cao, đặc biệt là về độ tin cậy, mật độ công suất cao, EMC nguồn chuyển mạch DC-DC, hiệu suất cao và hiệu quả chi phí cao.
Qualcomm, với tư cách là nhà cung cấp bộ điều khiển miền khoang lái thông minh, đang nắm giữ vị trí quan trọng với các dòng SA8155 và SA8295. Những mâu thuẫn giữa dòng điện quá độ, dòng điện hoạt động ổn định, hiệu suất tiêu thụ điện ở chế độ chờ, chi phí và thiết kế EMC nguồn chuyển mạch (SMPS) của nguồn chính SOC bộ điều khiển miền trung tâm (nguồn từ đầu vào pin đến chuyển đổi sơ cấp) đã trở thành thách thức lớn trong thiết kế nguồn BUCK. Việc giải quyết và cân bằng những mâu thuẫn này chính là định hướng kỹ thuật mà kiến trúc nguồn chuyển mạch, các chip nguồn, cuộn cảm, MOSFET và tụ điện phối hợp cùng nhau thực hiện.
Bài viết này kết hợp thiết kế nguồn điện chính của bộ điều khiển miền trung tâm dành cho ứng dụng ô tô với dòng điện cung cấp chuyển mạch DC-DC có động thái lớn (100-300%), khám phá thiết kế các bộ nguồn chuyển mạch DC-DC, bao gồm các giải pháp nguồn, phương pháp chọn cuộn cảm và tụ điện. Bài viết thảo luận và triển khai thiết kế thực tế đồng thời giải quyết các thách thức về kích thước, chi phí, hiệu suất và hiệu quả.
Bài viết này lấy bộ điều khiển miền SA8295 của Qualcomm làm ví dụ để tìm hiểu và triển khai thiết kế thực tế của bộ nguồn chuyển mạch BUCK chính.
Loạt bài viết này gồm ba phần (sẽ được cập nhật liên tục):
01- Giải mã Thiết kế Nguồn Cấp Một cho Bộ Điều Khiển Miền Ô tô Qualcomm: Thiết kế và Tính toán Nguồn điện (chương này)
1- Mục tiêu và thách thức trong thiết kế
1.1 Yêu cầu Dòng điện Truyền đạt cho SA8295
Bảng 1: Các Yêu cầu Thiết kế Nguồn cho SA8295
1.2 Yêu cầu dòng điện chờ (Standby Current) SA8295
Tiêu thụ điện áp 3.3V ở chế độ chờ của Qualcomm SOC trong khoảng 4-7.5mA (bao gồm cả tiêu thụ điện để tự làm tươi bộ nhớ), hỗ trợ đánh thức từ chế độ chờ.
Bộ não trung tâm (Bộ điều khiển miền Cabin) ngân sách dòng điện toàn xe khoảng 7-10mA (13,5V), riêng mô-đun 4G/5G tiêu thụ 4-5mA, dòng điện của Qualcomm SA8295 ở mức 13,5V là 3mA (40mW) hoặc thấp hơn.
1.3 Ba thách thức
1.3.1 Thách thức 1: Dòng điện đầu ra nguồn cấp chuyển mạch của Bộ điều khiển miền Qualcomm SA8295
Dòng điện quá độ lớn, 3,3V, 18 ampe (0,1ms), thời gian 0,1ms đã là khoảng thời gian dài ở trạng thái ổn định đối với nguồn cấp chuyển mạch DC-DC, yêu cầu bộ nguồn buck phải được thiết kế để xuất ra ổn định 18 ampe.
1.3.2 Thách thức 2: Chuyển đổi nguồn động lực chất lượng cao của Bộ điều khiển miền SA8295
Dòng điện làm việc ổn định của bộ điều khiển miền SA8295 là 5-9 ampe, sẽ gây ra sự chênh lệch dòng điện làm việc ổn định trên 300% ở cuộn cảm của nguồn cấp chuyển mạch (độ cảm ứng tỷ lệ nghịch với dòng điện định mức), dẫn đến xung đột đáng kể về thể tích, chi phí và tần số.
1.3.3 Thách thức 3: Hiệu suất vi công suất nguồn cấp chuyển mạch chất lượng cao của Bộ điều khiển miền SA8295
Mức tiêu thụ điện ở chế độ chờ, với hiệu suất 70% tại 13,5V 3mA, đặt ra thách thức lớn đối với kiến trúc bộ điều khiển nguồn và thiết kế lựa chọn cuộn cảm.
Thiết kế này xuất phát từ thách thức của thiết kế nguồn buck chính tối đa SA8295, tìm hiểu các khó khăn cốt lõi của bộ nguồn chuyển mạch và các giải pháp công nghệ DC-DC.
2- So sánh lựa chọn giải pháp
2.1 Yêu cầu kỹ thuật nguồn cấp cho bộ điều khiển miền Qualcomm SA8295
Như thể hiện trong bảng 2:
Bảng 2: Yêu cầu thông số kỹ thuật thiết kế nguồn Qualcomm SA8295
2.2 Phương án thiết kế và tài liệu kỹ thuật
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803, LM25149-Q1, v.v., đều có thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Thiết kế này chọn LM25149-Q1 làm phương án thiết kế nguồn chính cho bộ điều khiển miền trung tâm trong dự án này.
2.2.1 Địa chỉ chính thức của LM25149-Q1:
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
Bảng 3: Tài liệu tham khảo thiết kế LM25149-Q1
2.2.2 Bảng đặc tả kỹ thuật LM25149-Q1:
2.2.3 Bảng phát triển LM25149-Q1:
Hướng dẫn sử dụng EVM LM25149-Q1 (Rev. A) (ti.com.cn)
2.2.4 Độ ổn định và hiệu suất của bộ lọc chủ động:
Cách đảm bảo độ ổn định và hiệu suất của Bộ lọc EMI chủ động (ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 Công cụ thiết kế :
Công cụ tính toán LM5149-LM25149DESIGN-CALC | TI.com
3- Thiết kế và tính toán nguồn cấp điện BUCK đồng bộ
3.1 Thông số kỹ thuật chính và các tham số thiết kế của LM25149
Bảng 4: Yêu cầu thông số kỹ thuật thiết kế nguồn Qualcomm SA8295
Hiệu quả
Bộ Lọc EMI Chủ Động
Kiểm Tra EMI
Sơ Đồ Thiết Kế Tham Khảo
Bảng Đánh Giá Giải Pháp Thiết Kế Tham Khảo
3.2 Tính Toán Chọn Cuộn Cảm LM25149 BUCK Đồng Bộ
3.2.1 Công thức tính nguồn xung BUCK đồng bộ:
Bảng 5: Công thức tính toán thiết kế nguồn BUCK đồng bộ
3.3 Tính toán cuộn cảm tối thiểu
(Công thức tính toán, xem Bảng 5.)
Bảng 6: Biểu đồ đường cong tính toán độ tự cảm tối thiểu (∆I=0,3)
Bảng 7: Tính toán độ tự cảm tối thiểu
3.3.1 Tổng hợp dữ liệu tính toán độ tự cảm:
① Nếu thiết kế bao gồm dải dòng 6-20A (tính theo AI=0,3), với điện áp đầu vào 16V và dòng đầu ra 6A, độ tự cảm cần ≥0,69μH.
② Tính toán lý thuyết độ tự cảm của bộ nguồn chuyển mạch Lmin: ≥ 0,69μH (lý thuyết);
③ Xem xét lựa chọn thiết kế thực tế và dung sai cuộn cảm ±20%, nên chọn 0,82μH và 1,0μH làm thiết kế tối ưu (tăng giá trị độ tự cảm sẽ làm tăng kích thước, chi phí cuộn cảm và giảm SRF).
3.4 Tính toán dòng điện cuộn cảm
(Công thức: tham khảo bảng 5, mục 1 và 2)
Bảng 8: Tính toán dòng điện cuộn cảm 0,82μH
Bảng 9: Tính toán dòng điện cuộn cảm 1,0μH
3.4.1 Dòng bão hòa lý thuyết của cuộn cảm ≥ 20,76A, làm tròn thành 21A:
Bảng 10: Thông số kỹ thuật của cuộn cảm
4- Lựa chọn cuộn cảm cho nguồn xung
Bảng 11: Lựa chọn cuộn cảm
4.1 Tính toán điện trở lấy mẫu dòng điện cho nguồn xung LM25149
Bảng 12: Tính toán lý thuyết điện trở lấy mẫu dòng điện
Bảng 13: Lựa chọn điện trở lấy mẫu dòng điện
4.2 Tính toán tụ điện đầu ra cho nguồn xung BUCK đồng bộ
(Tính toán tụ điện đầu ra: Tham khảo phương trình trong Bảng 5)
Bảng 14: Tính toán tụ điện đầu ra cho nguồn xung BUCK đồng bộ
Đối với các thiết kế nguồn cấp điện chuyển mạch buck đồng bộ, tồn tại sự đánh đổi giữa hiệu suất, kích thước và chi phí của các tụ lọc đầu vào và đầu ra. Việc kiểm tra thông số kỹ thuật tụ điện được thực hiện trong các điều kiện cụ thể, và sự thay đổi trong thiết bị đo lường trong quá trình thử nghiệm có thể dẫn đến sai lệch từ 10–50% đối với các thông số giống hệt nhau. Hiệu suất thiết kế cuối cùng đòi hỏi phải được xác nhận và kiểm chứng một cách khoa học thông qua quá trình gỡ lỗi (không tồn tại một giải pháp tối ưu duy nhất; chỉ có việc lựa chọn phương án phù hợp với ứng dụng cụ thể).
Các tụ chuyển mạch cần đáp ứng: Điện dung ≥ 320uF (yêu cầu về độ vọt lố), điện dung tụ gốm lớn hơn 2,435uF (không phải điều kiện cốt lõi, chỉ cần đáp ứng yêu cầu là đủ).
Bảng 15: Gợi ý lựa chọn các model tụ lọc đầu ra cho nguồn chuyển mạch
Bảng 16: Thiết kế tụ lọc đầu ra cho các nguồn cung cấp điện chuyển mạch
4.3 Tính toán tụ đầu vào cho bộ cấp nguồn LM25149
4.3.1 Tính Toán Điện Dung Đầu Vào
Bảng 17: Tính toán tụ điện lọc đầu vào cho nguồn chuyển mạch
Bảng 18: Lựa chọn bộ lọc đầu ra cho nguồn chuyển mạch
4.4 Tính Toán Lựa Chọn Mosfet LM25149
4.4.1 Tính toán MOSFET
Bảng dữ liệu LM25149 không bao gồm nhiều phép tính và các phép lựa chọn tính toán. Các phép tính và lựa chọn QG dựa trên ước tính thực nghiệm và suy luận ngược. Kết quả tính toán cho thấy giá trị Vgs là 4,5-5,0V và ≤22nC. Quá trình tính toán được thể hiện trong bảng dưới đây. Sân Miller được chọn ở mức 2-3V (gần 3V cũng có thể chấp nhận được), và Rdson được chọn là ≤8mΩ.
Bảng 19: Lựa Chọn Và Tính Toán Mosfet
4.5 Gợi Ý Lựa Chọn Mosfet
Bảng 20: Các Mô Hình Mosfet Được Lựa Chọn
4.6 Tính Toán FB và Bù Trừ của LM25149
Bảng 21: Tính toán FB và bù trừ
4.7 Tính toán thiết kế EMC LM25149
Mà không cần đi sâu vào phân tích quá nhiều, hãy tham khảo thông số kỹ thuật.
5- Tóm tắt Thiết kế
5.1 Tổng kết thiết kế và lựa chọn nguồn BUCK LM25149
Bảng 22: Thiết kế và Lựa chọn
5.2 Tổng kết giải pháp
Hiệu suất và hiệu quả của các bộ nguồn chuyển mạch đồng bộ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Hiệu suất và thông số kỹ thuật cần tính đến các yếu tố thực tế. Chương này được sử dụng để thực hiện các phép tính lý thuyết nhằm cung cấp hướng dẫn lý thuyết cho thiết kế thực tiễn. Hiệu suất và thông số kỹ thuật của thiết kế có liên quan mật thiết đến hiệu suất linh kiện, điều kiện sử dụng, bố trí mạch, v.v., và đòi hỏi phải kiểm tra và xác minh một cách nghiêm ngặt.
Thiết kế nguồn buck đồng bộ cho các bộ điều khiển miền của Qualcomm là một lĩnh vực đầy thách thức trong thiết kế bộ điều khiển, đòi hỏi sự cân bằng giữa hiệu suất, kích thước và chi phí. CODACA tập trung vào nghiên cứu và phát triển độc lập các cuộn cảm nguồn và cuộn chặn chế độ chung. CSEB0660-1R0M phù hợp với việc phát triển và ứng dụng nền tảng Qualcomm, mang lại hiệu quả chi phí cao, khả năng chống dòng bão hòa mạnh, sinh nhiệt thấp và tỷ lệ công suất trên thể tích dẫn đầu ngành. CODACA cam kết với nghiên cứu, phát triển công nghệ và đổi mới sáng tạo, phát triển các sản phẩm xuất sắc cho ngành công nghiệp cuộn cảm và đóng góp vào sự phát triển và ứng dụng các sản phẩm điện tử.