Giải mã Thiết kế Nguồn cấp một cho Bộ điều khiển Miền xe hơi Qualcomm: Phân tích Đo lường Kiểm tra Hiệu suất

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 xe năng lượng mới, mang lại những thách thức và cơ hội mới cho các bộ não trung tâm tích hợp cao và bộ điều khiển theo miền, đặc biệt là về độ tin cậy, mật độ công suất cao, nguồn chuyển mạch, EMC, hiệu suất cao và chi phí thấp của các bộ nguồn DC-DC.

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 trong mạch nguồn cấp một của SOC bộ điều khiển trung tâm (từ đầu vào pin đến nguồn chuyển đổi cấp một) đặt ra thách thức lớn cho thiết kế nguồn BUCK. Làm thế nào để giải quyết và cân bằng những mâu thuẫn này chính là định hướng kỹ thuật đòi hỏi sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà phát triển kiến trúc nguồn chuyển mạch, chip nguồn, cuộn cảm, MOSFET và tụ điện.

1- Tổng quan nội dung

Bài viết này tập trung vào thiết kế nguồn cấp điện giai đoạn đầu cho các bộ điều khiển miền trung tâm ô tô có dòng điện nguồn chuyển mạch động lớn (100-300%), khám phá thiết kế các bộ nguồn chuyển mạch DC-DC, bao gồm các giải pháp nguồn, lựa chọn cuộn cảm và tụ điện, cũng như các phương pháp thiết kế khác, đồng thời giải quyết các thách thức về kích thước, chi phí, hiệu suất và tính năng, và thảo luận về thiết kế triển khai thực tế.

Chương này lấy các bộ điều khiển miền Qualcomm SA8295 làm ví dụ để tìm hiểu và thực hiện kiểm tra, xác minh bộ nguồn chuyển mạch BUCK giai đoạn đầu, minh chứng xem kết quả thử nghiệm có đáp ứng thiết kế kỳ vọng hay không.

Loạt bài viết này gồm ba chương:

01 - Giải mã Thiết kế Nguồn Giai đoạn Đầu cho Bộ Điều khiển Miền Ô tô Qualcomm: Thiết kế và Tính toán Nguồn

02 - Giải mã Thiết kế Nguồn Giai đoạn Đầu cho Bộ Điều khiển Miền Ô tô Qualcomm: Thiết kế Sơ đồ và Thiết kế PCB

03 - Giải mã Thiết kế Nguồn cấp Đầu tiên của Bộ điều khiển Miền xe hơi Qualcomm: Phân tích Đo lường Kiểm tra Hiệu suất (Chương này)

2 - Mục tiêu Xác minh

Yêu cầu Dòng điện Truyền đạt của SA8295 như sau:

Ghi chú: Việc kích hoạt NPU yêu cầu tiêu thụ dòng điện bổ sung. Thiết kế này không bao gồm dòng điện thiết kế NPU (3A+3A).

3 - Môi trường và Điều kiện Kiểm tra

3.1 Điều kiện Kiểm tra

Nhiệt độ môi trường: 25°C (thực tế 24-27°C, tính toán theo 25°C)

3.2 Thiết bị và Phương pháp Kiểm tra

3.3 Sơ đồ mạch và PCB

BẢNG SƠ ĐỒ

PCB

4 - Xác nhận Kiểm tra

Kiểm tra hiệu suất gợn sóng, độ chính xác điện áp, độ ổn định, mức tăng nhiệt và hiệu suất thể hiện bởi khả năng tải trạng thái ổn định ở các điện áp khác nhau (9-16V). Do giới hạn không gian, chọn các chỉ số hiệu suất chính để kiểm tra xác nhận.

① Gợn sóng: Gợn sóng ở các điện áp đầu vào và dòng tải khác nhau;

② Độ chính xác điện áp: Độ chính xác điện áp đầu ra ở các điện áp đầu vào và dòng tải khác nhau;

③ Khả năng dòng tải: Kiểm tra đường cong điện áp dòng ra, hiệu suất;

④ Đặc tính tăng nhiệt: Xác minh xem các điều kiện vận hành có đáp ứng yêu cầu hay không.

4.1 Khả năng tải điện áp thấp (9,0V)

4.2 Khả năng chịu tải điện áp bình thường (13,5V)

4.3 Khả năng chịu tải điện áp cao (16,0V)

4.4 Kiểm tra dòng điện liên tục

5. Tóm tắt bài kiểm tra

5.1 Kết quả kiểm tra

Một số điểm đáng chú ý:

① Mục tiêu thiết kế cốt lõi là đáp ứng yêu cầu về dòng điện quá độ và dòng điện hoạt động ổn định. Nếu thiết kế hoàn toàn theo các giá trị cực đại, chi phí và kích thước sẽ tăng lên (mật độ thiết kế PCB giảm), nhưng trên thực tế, không có điều kiện nào mà thiết bị vận hành ổn định ở mức 18A;

② Gợn sóng dễ dàng đạt được khi sử dụng tụ gốm, tất cả đều dưới 50mV;

③ Cuộn cảm nguồn có đặc tính DCR và bão hòa dòng mềm tuyệt vời, dòng đầu ra thực tế đạt 21A;

④ Thiết kế này có thể hoạt động trên 20 ampe trong thời gian ngắn, duy trì hiệu suất và mức tăng nhiệt độ tốt ở mức 8-12A.

6- Bảng vật liệu chính

7- Lựa chọn cuộn cảm

Là thành phần quan trọng trong nguồn cấp điện cấp một của bộ điều khiển miền ô tô, hiệu suất của các cuộn cảm rất quyết định đến độ tin cậy và hiệu suất chuyển đổi của nguồn xung DC-DC. Trong giải pháp thiết kế này, sử dụng cuộn cảm nguồn đúc cấp ô tô CODACA VSEB0660-1R0M. Dòng cuộn cảm này có đặc điểm tổn hao thấp, hiệu suất cao, dải tần ứng dụng rộng, khả năng chịu dòng bão hòa mạnh, sinh nhiệt thấp và tỷ lệ hiệu suất trên chi phí cao. Thiết kế mỏng gọn sở hữu mật độ công suất dẫn đầu trong ngành, rất phù hợp cho việc phát triển và ứng dụng các nền tảng Qualcomm.