All Categories
Home> Tin tức> Tài liệu hướng dẫn sử dụng

Giải mã thiết kế nguồn cấp điện Level 1 của Qualcomm cho Bộ điều khiển Miền Ô tô: Thiết kế Sơ đồ nguyên lý và Thiết kế PCB

2025-07-09

Sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp xe năng lượng mới đã thúc đẩy sự tăng trưởng bùng nổ của từng chuỗi ngành, trí tuệ hóa ô tô, lái tự động đã trở thành hướng phát triển trọng tâm về tính cạnh tranh cốt lõi 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 nguồn chuyển mạch, hiệu suất cao và tính kinh tế.

1(c1968953c7).png

Qualcomm với vai trò là nhà cung cấp bộ điều khiển khu vực buồng lái thông minh, SA8155 và SA8295 chiếm vị trí quan trọng, nguồn cấp SOC cấp 1 điều khiển trung tâm (nguồn được chuyển đổi từ đầu vào pin cấp 1) dòng điện quá độ, dòng điện hoạt động ổn định, hiệu suất hoạt động ở chế độ chờ, chi phí và mâu thuẫn trong thiết kế EMC của nguồn cấp chuyển mạch đã trở thành thách thức lớn cho thiết kế nguồn BUCK. Làm thế nào để giải quyết và cân bằng các mâu thuẫn này chính là hướng phát triển công nghệ mà kiến trúc nguồn chuyển mạch, các nhà sản xuất chip nguồn, cuộn cảm, Mosfet, tụ điện cùng hợp tác theo đuổi.

Trong bài viết này, tập trung vào thiết kế nguồn cấp điện mức 1 điều khiển miền trung tâm ô tô với dòng điện chuyển mạch động lớn (100-300%), nhằm tìm hiểu thiết kế bộ nguồn chuyển mạch DC-DC, bao gồm phương án cấp nguồn, lựa chọn cuộn cảm, tụ điện và các phương pháp thiết kế khác, đồng thời xem xét về thể tích, chi phí, hiệu suất và những thách thức về hiệu năng để nghiên cứu và thiết kế triển khai thực tế.

Lấy bộ điều khiển miền Qualcomm SA8295 làm ví dụ, chương này thảo luận và triển khai một thiết kế thực tế của bộ nguồn chuyển mạch BUCK chính.

Chương này yêu cầu người đọc nắm vững phần đầu tiên của loạt bài (giải thích lý thuyết và cách tính toán bộ nguồn chuyển mạch BUCK), sau đó tiến hành thiết kế chi tiết bộ nguồn BUCK dựa trên IC LM25149.

Loạt bài viết này gồm ba phần (sẽ tiếp tục cập nhật):

01-Thiết kế nguồn cấp điện mức 1 cho bộ điều khiển miền ô tô Qualcomm: Thiết kế và tính toán nguồn cấp điện (Đã đăng tải)

02-Giải mã thiết kế nguồn cấp điện cấp 1 của Bộ điều khiển miền ô tô Qualcomm: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và thiết kế PCB (chương này )

03-Giải mã thiết kế nguồn cấp điện cấp 1 của Bộ điều khiển miền ô tô Qualcomm: Phân tích đo lường kiểm tra hiệu năng (sẽ phát hành)

1- Mục tiêu và thách thức thiết kế

1.1 Yêu cầu dòng điện động thái SA8295

1(e079d503b8).png

Bảng 1: Yêu cầu thiết kế nguồn cấp điện SA8295

Lưu ý: Thiết kế SA8295 mới nhất yêu cầu 21A (1 NPU) và 24A (2 NPU), mà thiết kế này có thể đáp ứng (bảo vệ quá dòng 30A)

1.2 Mục tiêu thiết kế

Thiết kế này sử dụng LM25149 để thiết kế nguồn điện chính cho bộ điều khiển miền , có khả năng hỗ trợ dòng điện tức thời 24A (100µs) và đáp ứng yêu cầu vận hành ổn định trên 10A, đạt được sự cân bằng giữa kích thước, chi phí và hiệu suất.

Lưu ý: Dòng điện tức thời không gây ra vấn đề nhiệt (đối với Qualcomm SA8295, dòng điện tức thời chỉ kéo dài 100µs). Tuy nhiên, dòng điện ổn định lớn có thể dẫn đến tăng nhiệt độ, vì vậy cần đánh giá tác động của hiệu suất nhiệt (giải pháp thiết kế nên được lựa chọn dựa trên điều kiện môi trường thực tế).

2- Sơ đồ nguyên lý và thiết kế PCB

2.1 Lựa chọn linh kiện cốt lõi

Tiêu chí lựa chọn linh kiện nguồn chuyển mạch cấp bộ điều khiển miền: ưu tiên hiệu suất, cân nhắc chi phí, đồng thời giảm diện tích PCB; xem xét các vấn đề EMC và vòng dòng điện của nguồn chuyển mạch BUCK, phù hợp với lý thuyết và quy tắc thiết kế chung cho nguồn chuyển mạch BUCK, có thể tham khảo phương pháp thiết kế tiêu chuẩn.

Xem Chương 1 để biết chi tiết về lựa chọn và tính toán linh kiện điện tử (Giải mã thiết kế nguồn cấp điện mức 1 của Bộ điều khiển miền ô tô Qualcomm: Thiết kế nguồn cấp điện và các phép tính)

Thiết kế này chọn phương án 2 (sử dụng tám tụ điện gốm 47uF trong gói C1210). Thiết kế không giới hạn ở sự lựa chọn này, thiết kế sản phẩm có thể được điều chỉnh tùy theo tình hình thực tế của mẫu xe, đồng thời tối ưu hóa thiết kế dựa trên kết quả kiểm tra thực tế.

3.png

Bảng 2: Nguồn điện BUCK - Thiết kế giải pháp

2.1.1 Nguồn điện BUCK - Lựa chọn MOSFET

4.png

Bảng 3: Nguồn điện BUCK - Lựa chọn MOSFET

2.1.2 Nguồn điện BUCK - Lựa chọn cuộn cảm

Lựa chọn cuộn cảm sử dụng mã model: VSEB0660-1R0MV

5、.png

Bảng 4: Lựa chọn cuộn cảm

2.1.3 Nguồn điện BUCK - Lựa chọn tụ điện lọc đầu ra

6.png

Bảng 5: Nguồn điện BUCK - Lựa chọn tụ điện lọc đầu ra

2.1.4 Bộ cấp nguồn BUCK - Lựa chọn tụ điện lọc đầu vào

7.png

Bảng 6: Bộ cấp nguồn BUCK - Lựa chọn tụ điện lọc đầu vào

2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý và công cụ thiết kế PCB

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý và thiết kế PCB: Caritron EDA ( https://lceda.cn/)

8.png

Hình 1 Giới thiệu về Caritron EDA

Jialitron EDA là công cụ phát triển EDA miễn phí hàng đầu, mạnh mẽ và hiệu quả cao, thiết kế này sử dụng Jialitron EDA để thiết kế sơ đồ nguyên lý và PCB.

2.3 Bộ cấp nguồn BUCK - Thiết kế sơ đồ nguyên lý

2.3.1 Bộ cấp nguồn BUCK - Thiết kế sơ đồ nguyên lý

Thiết kế sơ đồ nguyên lý tham khảo theo datasheet của LM25149-Q1 và bo mạch phát triển chính thức, thiết kế tuân thủ lý thuyết cơ bản của bộ cấp nguồn chuyển mạch BUCK và các yêu cầu thiết kế nguồn cấp một cho bộ điều khiển vùng tần số cao.

9.png

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý LM25149

2.3.2 Bộ nguồn BUCK - Công nghệ tập trung vào thiết kế sơ đồ nguyên lý

Mạch EMC cổng đầu vào:

10.png

Các điểm kỹ thuật:

Vai trò chính của L1 là giảm tác động của tiếng ồn phát xạ dẫn truyền từ bộ nguồn chuyển mạch lên nguồn điện đầu vào, tần số chuyển mạch của bộ nguồn là 2,2MHz, L1 và C23 tạo thành mạch lọc LC (C16 là tụ điện phân cực dùng cho tần số thấp dưới 500kHz), giúp giảm nhiễu ở mức 60dB tại 2,2MHz.

11.png

C21 làm giảm tiếng ồn chuyển mạch (hiện tượng vang sốc ở cạnh lên và xuống của bóng công suất) và chủ yếu làm giảm nhiễu EMC trong dải tần từ 10-100MHz.

Nếu C21, C23 được sử dụng làm tụ điện nguồn (trước bảo vệ), cần chọn loại tụ điện có chân linh hoạt; nếu đã có bảo vệ thì có thể chọn loại tụ điện chuyên dụng dành cho ô tô. Ngoài ra cũng có thể sử dụng hai tụ điện mắc nối tiếp theo bố trí chéo để tạo cơ chế bảo vệ tương tự.

Đối với các MOSFET công suất và tụ điện đầu vào LM25149, yêu cầu về tụ điện tách ghép có cùng tiêu chuẩn, thiết kế này không được sử dụng để xác minh hiệu năng, việc sử dụng một tụ gốm duy nhất sẽ được áp dụng trong thiết kế cấp sản phẩm theo đúng yêu cầu thiết kế dành cho ô tô.

Lưu ý: Công nghệ loại bỏ EMC chủ động LM25419 và công nghệ trải phổ ngẫu nhiên kép chỉ có thể giảm biên độ EMC đến một mức độ nhất định, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn EMC. Đối với tần số chuyển mạch 2,2 MHz liên quan đến năng lượng và ứng dụng dòng cao (≥ 10A), tồn tại rủi ro vượt quá tiêu chuẩn. Việc kiểm tra thực tế cần được thực hiện. Nếu sau khi loại bỏ C23 vẫn đạt được phát xạ dẫn truyền thì có thể tiết kiệm chi phí bằng cách không sử dụng C23.

12.png

Tụ điện đầu vào nguồn BUCK:

13.png

C2, C3 là tụ điện đầu vào BUCK, việc chọn tụ điện 10uF cần đáp ứng yêu cầu hiệu suất EMC của nguồn chuyển mạch, trở kháng tại tần số 2MHz phải ≤ 5mΩ. Hai mã hàng CGA4J1X8L1A106K125AC và CGA6P1X7S1A476M250AC có thông số kỹ thuật tốt để tham khảo. Tụ điện nên chọn loại X7R, điện áp chịu đựng 35V/50V, vỏ C1210 và C1206 đều sử dụng được. Thiết kế này chọn loại vỏ C1210 để có thể kiểm chứng hiệu năng với nhiều mẫu hơn.

C4 là tụ điện EMC cho tần số chuyển mạch cao, nên chọn loại X7R 50V, vỏ C0402 có thể sử dụng được.

C2, C3, C4, bố trí (Layout) cần lưu ý vòng dòng điện (xem chi tiết phần Layout), phù hợp với yêu cầu cơ bản và lý thuyết thiết kế của tụ điện đầu vào nguồn BUCK, bạn có thể tìm hiểu thêm về lý thuyết nguồn BUCK để hiểu sâu hơn vai trò của tụ điện đầu vào.

TP7,TP9,TP13 được sử dụng để kiểm tra tín hiệu chuyển mạch TG, BG và SW, dùng để kiểm tra lý do khoảng chết (dead time), hiệu suất dao động vòng (ringing performance) và hiệu suất cạnh lên/xuống của MOSFET, là chỉ số kiểm tra hiệu suất điện quan trọng của bộ nguồn chuyển mạch.

Điểm đo TP trên GND được sử dụng để giảm vòng mass (GND) khi đo bằng máy hiện sóng, từ đó nâng cao độ chính xác của phép đo, việc bố trí LAYOUT cần đặt càng gần điểm đo của tín hiệu liên quan càng tốt.

Điện trở điều khiển cổng MOSFET:

14.png

R1 và R2 là các điện trở điều khiển cổng MOSFET, đóng vai trò quan trọng đối với cạnh lên và cạnh xuống của MOSFET công suất.

Việc lựa chọn R1, R2 được điều khiển bởi dòng điện đầu ra của bộ điều khiển công suất BUCK (bộ điều khiển (điện trở PULL và PUSH), trở kháng cổng MOSFET công suất và đặc tính nạp điện (điện dung đầu vào CISS)), tổng trở số ban đầu được chọn cho toàn bộ thiết kế ≤ 10 ohms do nhiều yếu tố ảnh hưởng tổng hợp, nhưng cũng phụ thuộc vào đặc tính nạp điện, cần tinh chỉnh cuối cùng để lựa chọn giá trị điện trở phù hợp.

R1 và R2 cũng là các thông số quan trọng nhất đối với nhiễu chuyển mạch EMC, đồng thời ảnh hưởng đến các yếu tố chính gây tổn hao chuyển mạch trong mạch lõi, trong ứng dụng thực tế cần cân bằng giữa hiệu suất (nhiệt phát sinh trên MOSFET) và mâu thuẫn EMC để đạt được điểm cân bằng.

Lưu ý: 6 điểm kiểm tra để đo đặc tính chuyển mạch và thời gian chết.

Vòng lặp công suất đầu ra:

15.png

Lựa chọn cảm kháng: Việc lựa chọn cảm kháng dựa trên hai yếu tố chính sau:

-Dòng điện hoạt động quá độ: có thể xuất ra tức thời 21 (24) A (thời gian: 100us);

- Dòng điện hoạt động trạng thái ổn định: 10A, có thể làm việc ổn định ở mức dòng điện 10A (bao gồm điều kiện nhiệt độ môi trường 85°);

- Thời gian dòng điện hoạt động xung ngắn ≤ 100us, xảy ra trong giai đoạn khởi động, chỉ cần đảm bảo cảm kháng không bão hòa là có thể đáp ứng yêu cầu (đáp ứng giá trị cảm kháng của dòng điện).

Lựa chọn điện trở mẫu: lựa chọn điện trở mẫu gói R1206, công suất tản nhiệt ≥ 0.5W;

Lựa chọn tụ điện: tham khảo: chương phần đầu về điện dung lọc đầu ra;

Mạch hồi tiếp:

16.png

LM25149 có cấu hình đầu ra cố định và cấu hình đầu ra hồi tiếp, chi tiết vui lòng tham khảo datasheet;

R14l nối với VDDA, đầu ra 3.3V

R14=24.9K, đầu ra 5.0V

R14=49.9K, đầu ra 12.0V

Không gắn R14, cấu hình điện áp đầu ra bằng cách hàn R9 và R10;

R19 và TP3, TP4 được dự phòng: dùng cho kiểm tra, biên độ pha, tần số cắt, v.v.

Lưu ý: TP3 và TP4 được sử dụng cho kiểm tra, biên độ pha, tần số cắt, v.v.

Thiết lập chức năng:

17.png

EN: Tín hiệu Enable, ≥1.0V bật nguồn, có thể dùng cho bảo vệ điện áp thấp chính xác;

Sync-PG: Đầu ra đồng bộ hoặc Power good, thiết kế này dùng cho Power good;

PFM/SYNC

-Jumper mặc định (NC): Linh kiện tương tự Diode, đầu ra dòng nhỏ, có thể hoạt động với hiệu suất cao;

-Chập mạch jumper xuống GND, ép chế độ CCM;

Thiết lập chế độ hoạt động của chip: tổng cộng năm chế độ hoạt động (tham khảo thông số kỹ thuật)

2.4 Bộ cấp nguồn BUCK - Thiết kế PCB

2.4.1 Bộ cấp nguồn BUCK - Thiết kế PCB

-TOP

18.png

-GND

19.png

-Tín hiệu

20.png

-Bottom

21.png

2.4.2 Bộ cấp nguồn BUCK - Tập trung vào công nghệ thiết kế PCB

Các vòng điện dung đầu vào và đầu ra:

Vòng điện dung đầu vào và đầu ra của bộ cấp nguồn BUCK có vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu nhiễu điện từ (EMC), cần được giữ ở mức tối thiểu;

C4 chủ yếu được sử dụng để hấp thụ tiếng ồn phát sinh do hiện tượng ringing ở cạnh xung chuyển mạch.

22.png

Các vòng MOSFET và cảm kháng:

Việc sử dụng MOSFET hai trong một giúp giảm diện tích bố trí và hạ thấp chi phí, nhưng nhược điểm là phần mềm bố trí không thể duy trì vòng lặp tối thiểu;

Điểm SW của MOSFET hai trong một không thể thực hiện bố trí cùng lớp trên PCB, và cần phải chuyển lớp để trải mặt nhằm đảm bảo tính liên tục của dòng điện nguồn.

23.png

Dòng điện lấy mẫu:

Dòng điện lấy mẫu yêu cầu bố trí vi sai với mặt GND tham chiếu;

Không yêu cầu điều khiển trở kháng và chiều dài bằng nhau, bố trí duy trì khoảng cách tối thiểu theo quy tắc bố trí.

24.png

Phản hồi FB:

Các điện trở và các linh kiện khác được đặt gần chân của chip điều khiển.

Tản nhiệt và GND:

Các linh kiện phát nhiệt: MOSFET, cuộn cảm và điện trở lấy mẫu, bạn có thể tăng diện tích mặt phẳng để dẫn nhiệt, đồng thời tăng các lỗ khoan GND sẽ giúp cải thiện điều kiện tản nhiệt cho toàn bộ bản thiết kế.

25.png

thiết Kế Nguồn BUCK Cấp Độ 1 Có Kiểm Soát 3 Miền - Tổng Kết

3.1 Bản vẽ 3D

26.png

hình 3D-1

27.png

hình 3D-2

3.2 Tóm tắt Thiết kế

Thiết kế nguồn chuyển mạch áp dụng thiết kế 4 lớp với độ dày PCB là 1,6mm và kích thước 30X65mm;

Dòng điện đầu ra có thể đáp ứng dòng điện tức thời tối đa 24A của Qualcomm SA8295, hỗ trợ khả năng cung cấp dòng điện ổn định từ 10A trở lên.

4- Giới thiệu Codaca Điện tử

Codaca tập trung vào nghiên cứu độc lập, thiết kế và sản xuất cuộn cảm, VSEB0660-1R0M phù hợp cho phát triển và ứng dụng trên nền tảng Qualcomm. Sản phẩm có các ưu điểm kỹ thuật như hiệu suất cao với chi phí hợp lý, khả năng chống bão hòa dòng điện lớn, ít phát nhiệt và tỷ lệ công suất trên thể tích dẫn đầu ngành. Codaca tập trung vào nghiên cứu công nghệ, đổi mới sáng tạo, nghiên cứu phát triển các sản phẩm xuất sắc cho ngành công nghiệp cuộn cảm, nhằm hỗ trợ phát triển và ứng dụng sản phẩm điện tử.

5- Kiểm tra và Xác minh

Đối với kiểm tra xác minh tiếp theo, vui lòng tham khảo: 03-Deciphering Qualcomm's Automotive Domain Controller Level 1 Power Supply Design: Performance Test Measurement Analysis (sẽ được phát hành)

[Tham khảo]

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

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