EN
Quick Links
Sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp xe năng lượng mới đã thúc đẩy tăng trưởng bùng nổ trong từng mắt xích chuỗi ngành, trí tuệ hóa và lái tự động ô tô đã trở thành yếu tố cạnh tranh cốt lõi quan trọng nhất theo định hướng của xe năng lượng mới, mang lại những thách thức và cơ hội mới cho bộ não trung tâm tích hợp cao và bộ điều khiển miền, đặc biệt đối với độ tin cậy của nguồn chuyển mạch DC-DC, mật độ công suất cao, EMC của nguồn chuyển mạch, hiệu suất cao, tính kinh tế và hiệu quả chi phí.
Qualcomm với vai trò là nhà cung cấp bộ điều khiển miền buồng lái thông minh, các sản phẩm SA8155 và SA8295 chiếm vị trí quan trọng, nguồn cấp điện mức 1 cho vi mạch điều khiển trung tâm (nguồn điện được chuyển đổi từ mức đầu vào pin mức 1) dòng điện quá độ, dòng điện ổn định khi vận hành, hiệu suất vận hành ở chế độ chờ, chi phí, mâu thuẫn giữa thiết kế EMC của nguồn cấp điện chuyển mạch đã trở thành một thách thức lớn đối với thiết kế nguồn BUCK. Làm thế nào để giải quyết và cân bằng những mâu thuẫn này chính là định hướng kỹ thuật về kiến trúc nguồn chuyển mạch, chip nguồn, cuộn cảm, Mosfet, tụ điện.
Bài viết này kết hợp thiết kế nguồn cấp 1 cho bộ điều khiển trung tâm ô tô có dòng điện động lớn (100-300%) để khám phá thiết kế nguồn chuyển mạch DC-DC, bao gồm phương án nguồn, lựa chọn cuộn cảm, tụ điện và các phương pháp thiết kế khác; đồng thời xem xét các thách thức về kích thước, chi phí, hiệu suất và hiệu năng nhằm tìm ra giải pháp thực tế.
Bài viết này nghiên cứu và triển khai thiết kế thực tế của một bộ nguồn chuyển mạch BUCK một cấp sử dụng bộ điều khiển miền Qualcomm SA8295 làm ví dụ.
Loạt bài viết này gồm có ba phần (sẽ tiếp tục cập nhật trong tương lai):
01- Giải mã thiết kế nguồn cấp điện mức 1 của Qualcomm Automotive Domain Controller: Thiết kế và tính toán nguồn điện (chương này)
02- Giải mã thiết kế nguồn cấp điện cấp 1 cho bộ điều khiển miền trên ô tô của Qualcomm: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và thiết kế PCB
03- Phân tích thiết kế nguồn cấp điện cấp 1 cho bộ điều khiển miền trên ô tô của Qualcomm: Đo lường và phân tích hiệu năng
1- Mục tiêu và thách thức trong thiết kế
1.1 Yêu cầu dòng điện động thái SA8295
Bảng 1: Yêu cầu thiết kế nguồn cấp điện 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.
Dòng điện tổng thể toàn xe của "bộ não trung tâm" (bộ điều khiển miền bảng điều khiển trung tâm) là 7-10mA (13.5V), riêng mô-đun 4G/5G tiêu thụ 4-5mA, dòng điện SA8295 của Qualcomm là 3mA (40mW) tại 13.5V.
1.3 Ba thách thức
1.3.1 Thách thức 1: Dòng điện đầu ra của bộ chuyển đổi nguồn (Switching Power Supply) SA8295 trong bộ điều khiển miền Qualcomm
Dòng điện quá độ lớn, 3.3V, 18 Amp (0.1ms), 0.1ms đối với nguồn chuyển mạch DC-DC đã thuộc về trạng thái ổn định dài hạn, cần thiết kế nguồn Buck theo đầu ra ổn định 18 Amp.
1.3.2 Các thách thức dòng cao động của bộ chuyển đổi nguồn SA8295 điều khiển miền Qualcomm 2:
Dòng điện hoạt động ổn định của bộ điều khiển miền SA8295 trong khoảng 5-9 amps, sẽ khiến cảm kháng của nguồn chuyển mạch (cảm kháng và mức dòng điện tỷ lệ nghịch với lựa chọn kích thước) có sự chênh lệch hơn 300% về thể tích, chi phí và tần số, tạo ra mâu thuẫn lớn.
1.3.3 Các thách thức về hiệu suất vi mô của bộ chuyển đổi nguồn SA8295 điều khiển miền Qualcomm 3:
Tiêu thụ điện ở chế độ chờ, yêu cầu hiệu suất tiêu thụ 3mA ở mức 13.5V đạt 70%, đây cũng là một thách thức lớn đối với kiến trúc bộ điều khiển nguồn và thiết kế lựa chọn cảm kháng.
Thiết kế này dựa trên thiết kế của nguồn cấp điện Buck một tầng SA8295 thách thức nhất, nhằm khám phá những khó khăn cốt lõi của công nghệ nguồn chuyển mạch và các giải pháp công nghệ DC-DC.
2- So sánh lựa chọn phương án
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 thiết kế nguồn của Qualcomm SA8295
2.2 Thiết kế chương trình và thông tin kỹ thuật
MPQ2918, MPQ2930, LM25141-Q1, MAX20098, LTC7803 và LM25149-Q1 đều có thể đáp ứng yêu cầu thiết kế. Trong thiết kế này, LM25149-Q1 được chọn làm phương án thiết kế nguồn cấp một cho bộ điều khiển miền trung tâm 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: Tham khảo thiết kế LM25149-Q1
2.2.2 Bảng thông số kỹ thuật (Datasheet) của 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 thiết kế nguồn cấp cho 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: Phương trình tính toán thiết kế nguồn BUCK đồng bộ
3.4 Tính Toán Độ Tự Cảm Tối Thiểu
(Đối với các công thức, hãy xem Bảng 5.)
Bảng 6: Biểu đồ tính toán độ tự cảm tối thiểu (∆I=0,3)
Bảng 7: Tính toán độ tự cảm tối thiểu
3.4.1 Tóm tắt dữ liệu tính toán độ tự cảm:
① Nếu thiết kế bao gồm dải từ 6-20A (tính theo AI=0,3), đầu vào 16V, đầu ra 6A, độ tự cảm ≥ 0,69μH.
② Tính toán lý thuyết độ tự cảm của bộ nguồn chuyển mạch Lmin: ≥ 0,69μH (lý thuyết);
③ Khi xem xét lựa chọn thiết kế thực tế và sai số độ tự cảm ±20%, hãy chọn 0,82μH và 1,0μH là thiết kế tối ưu (giá trị độ tự cảm tăng lên, thể tích độ tự cảm tăng lên, chi phí tăng lên, SRF giảm xuống).
3.5 Tính toán dòng điện cuộn cảm
(Công thức: tham khảo bảng 1 và bảng 2 của bảng 5)
Bảng 8: Tính toán dòng điện cuộn cảm 0,82μH
Bảng 9: Tính toán dòng điện cuộn cảm 1,0μH
3.5.1 Dòng điện bão hòa của cuộn cảm được tính lý thuyết ≥ 20,76A, làm tròn thành 21A:
Bảng 10: Chỉ số cảm kháng
4- Lựa chọn cuộn cảm cho bộ nguồn chuyển mạch
Bảng 11: Lựa chọn cuộn cảm
4.1 Tính toán điện trở mẫu dòng điện cuộn cảm của bộ nguồn chuyển mạch LM25149
Bảng 12: Tính toán lý thuyết điện trở mẫu dòng điện cuộn cảm
Bảng 13: Lựa chọn điện trở mẫu cảm ứng
4.2 Tính toán điện dung đầu ra của bộ nguồn chuyển mạch BUCK đồng bộ
(Tính toán điện dung đầu ra: tham khảo công thức trong Bảng 5)
Bảng 14: Tính toán điện dung đầu ra của bộ nguồn chuyển mạch BUCK đồng bộ
Trong thiết kế nguồn xung BUCK đồng bộ, giữa hiệu năng, thể tích và chi phí của tụ điện đầu vào và đầu ra tồn tại mâu thuẫn. Các thông số kỹ thuật của tụ điện được xác định thông qua kiểm tra trong điều kiện cụ thể. Trong quá trình kiểm tra, do sự khác biệt về thiết bị đo lường, cùng một thông số có thể chênh lệch từ 10-50%. Hiệu năng thiết kế cuối cùng cần phải được kiểm chứng thông qua thực nghiệm khoa học và thử nghiệm trong quá trình hiệu chỉnh (thiết kế không có giải pháp tối ưu nhất, chỉ có thể lựa chọn phương án phù hợp với từng tình huống cụ thể).
Tụ điện chuyển mạch cần đáp ứng: Điện dung ≥ 320uF (yêu cầu về độ vọt lố), điện dung của tụ gốm lớn hơn 2.435uF (không phải là điều kiện cốt lõi, nhưng nếu đáp ứng sẽ tốt hơn)
Bảng 15: Gợi ý lựa chọn model cho tụ điện lọc đầu ra của nguồn xung
Bảng 16: Thiết kế tụ điện lọc đầu ra cho nguồn xung
4.3 Tính toán điện dung đầu vào của nguồn LM25149
4.3.1 Tính Toán Điện Dung Đầu Vào
Bảng 17: Tính Toán Điện Dung Lọc Đầu Vào Bộ Nguồn Chuyển Mạch
Bảng 18: Lựa Chọn Bộ Lọc Đầu Ra Của Bộ Nguồn Chuyển Mạch
4.4 Tính Toán Lựa Chọn Mosfet LM25149
4.4.1 Các Tính Toán Mosfet
Bảng dữ liệu LM25149 không cung cấp quá nhiều phép tính và các phép tính lựa chọn, các tính toán QG và lựa chọn được thực hiện dựa trên các ước lượng thực nghiệm ngược lại, kết quả tính toán chọn Vgs là 4.5-5.0V, ≤ 22nC, quy trình tính toán tham khảo bảng dưới đây, chọn mức Miller plateau ở 2-3V (cũng có thể chấp nhận gần 3V), Rdson chọn ≤ 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
Không cần phân tích quá sâu, hãy tham khảo thông số kỹ thuật.
5- Tóm tắt Thiết kế
5.1 Tóm tắt lựa chọn thiết kế nguồn điện LM25149BUCK
Bảng 22: Thiết kế và Lựa chọn
5.2 Tóm tắt Chương trình
Hiệu suất và hiệu quả của nguồn điện chuyển mạch đồng bộ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, các chỉ tiêu hiệu suất cần tính đến các yếu tố thực tế. Chương này được sử dụng cho các phép tính lý thuyết, cung cấp hướng dẫn lý thuyết cho thiết kế thực tế. Hiệu suất và các chỉ số thiết kế có liên quan mật thiết đến đặc tính linh kiện, điều kiện sử dụng, bố trí mạch, v.v., do đó cần được kiểm tra và xác minh một cách kỹ lưỡng.
Thiết kế nguồn xung đồng bộ cho bộ điều khiển miền tần số cao là một lĩnh vực kỹ thuật phức tạp trong công nghệ thiết kế bộ điều khiển, cần phải cân bằng giữa hiệu năng, kích thước, chi phí. Kodak Ka tập trung vào nghiên cứu và thiết kế độc lập cuộn cảm, CSEB0660-1R0M phù hợp cho phát triển và ứng dụng trên nền tảng cao cấp, có hiệu quả kinh tế cao, khả năng chống bão hòa dòng điện mạnh, tỏa nhiệt thấp và các ưu điểm kỹ thuật khác, đạt tỷ lệ công suất trên thể tích dẫn đầu ngành; Kodak Ka chú trọng nghiên cứu phát triển công nghệ, đổi mới sáng tạo, phát triển các sản phẩm xuất sắc cho ngành công nghiệp cuộn cảm, hỗ trợ phát triển và ứng dụng sản phẩm điện tử.