EN
Liên kết nhanh
Sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp phương tiện giao thông năng lượng mới đã thúc đẩy sự bùng nổ tăng trưởng của các chuỗi công nghiệp khác nhau, và tính năng thông minh hóa xe cộ cùng lái xe tự động đã trở thành định hướng cạnh tranh cốt lõi quan trọng nhất của xe năng lượng mới, mang lại những thách thức và cơ hội mới cho 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, hiệu suất cao và tính hiệu quả về chi phí đối với các nguồn chuyển mạch DC-DC.
Là nhà cung cấp bộ điều khiển miền buồng lái thông minh, SA8155 và SA8295 chiếm vị trí quan trọng, và mâu thuẫn giữa dòng điện quá độ, dòng điện hoạt động ổn định, hiệu suất chờ, chi phí và thiết kế EMC nguồn chuyển mạch của SOC cấp nguồn chính cho bộ điều khiển miền trung tâm (nguồn được chuyển đổi từ cấp đầu vào pin) đã trở thành 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 mà các nhà sản xuất kiến trúc nguồn chuyển mạch, chip nguồn, cuộn cảm, MOSFET và tụ điện cùng hợp tác phát triển.
Bài viết này thảo luận về thiết kế nguồn điện chuyển mạch DC-DC cho việc thiết kế nguồn điện chính cho điều khiển miền trung tâm của nguồn điện chuyển mạch động lực lớn (100-300%), 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.
Chương này lấy bộ điều khiển miền Qualcomm SA8295 làm ví dụ để thảo luận và triển khai thiết kế thực tế của nguồn chuyển mạch BUCK cấp một.
Chương này cần đọc loạt bài đầu tiên (lý thuyết và tính toán chi tiết về nguồn chuyển mạch BUCK) và thiết kế chi tiết nguồn BUCK dựa trên LM25149.
Loạt bài viết này gồm ba phần (đang tiếp tục cập nhật):
02-Giải mã Thiết kế Nguồn Cấp Một cho Bộ Điều khiển Miền Ô tô Qualcomm: Thiết kế Sơ đồ mạch và Thiết kế PCB (chương này)
1- Mục tiêu và thách thức thiết kế
1.1 Yêu cầu dòng điện động thái SA8295
Bảng 1: Yêu cầu thiết kế nguồn cấp điện SA8295
Ghi chú: Các yêu cầu thiết kế mới nhất của SA8295 là 21A (1 NPU) và 24A (2 NPUs), và thiết kế này có thể đáp ứng (bảo vệ quá dòng 30A)
1.2 Mục tiêu thiết kế
Thiết kế này sử dụng một Bộ điều khiển nguồn cấp một LM25149 , có thể đáp ứng yêu cầu dòng điện tức thời 24A (100us) và đáp ứng yêu cầu hoạt động ổn định trên 10A, nhằm đạt được sự cân bằng toàn diện giữa kích thước, chi phí và hiệu suất.
Ghi chú: Dòng điện tức thời không gây ra vấn đề sinh nhiệt (đối với Qualcomm SA8295 chỉ có dòng điện tức thời 100uS), dòng điện lớn ở trạng thái ổn định sẽ gây ra hiện tượng tăng nhiệt độ, cần phải đo lường ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ (phương án thiết kế được lựa chọn theo 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 các linh kiện nguồn chính của bộ điều khiển miền: ưu tiên hiệu suất, cân nhắc đến chi phí và giảm diện tích của PCB; Cân nhắc vấn đề EMC và vấn đề vòng lặp dòng điện của nguồn BUCK, phù hợp với lý thuyết và quy tắc thiết kế chung cho nguồn BUCK, có thể tham khảo phương pháp thiết kế thông thường.
Để biết chi tiết về việc lựa chọn và tính toán linh kiện điện tử, vui lòng tham khảo Chương 1 ( Giải mã Thiết kế Nguồn cấp một cho Bộ điều khiển Miền xe hơi Qualcomm: Thiết kế và Tính toán Nguồn điện )
Tùy chọn 2 cho thiết kế này (sử dụng tám tụ gốm dung lượng 47uF, gói C1210). Thiết kế không giới hạn ở lựa chọn này, có thể điều chỉnh thiết kế sản phẩm tùy theo tình hình thực tế và tối ưu hóa thiết kế dựa trên kết quả kiểm tra thực tế.
Bảng 2: Nguồn điện BUCK - Thiết kế giải pháp
2.1.1 Nguồn điện BUCK - Lựa chọn MOSFET
Bảng 3: Nguồn điện BUCK - Lựa chọn MOSFET
2.1.2 Nguồn điện BUCK - Lựa chọn cuộn cảm
Lựa chọn cuộn cảm sử dụng model: VSEB0660-1R0MV
Bảng 4: Lựa chọn cuộn cảm
2.1.3 Lựa chọn tụ lọc đầu ra cho nguồn BUCK
Bảng 5: Lựa chọn tụ lọc đầu ra cho nguồn BUCK
2.1.4 Bộ nguồn BUCK - lựa chọn tụ lọc đầu vào
Bảng 6: Bộ nguồn BUCK - lựa chọn tụ 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: JLC Technology EDA ( https://lceda.cn/)
Hình 1 Giới thiệu về Caritron EDA
JLC Technology EDA là công cụ phát triển EDA miễn phí hàng đầu tại Trung Quốc, với các chức năng mạnh mẽ và hiệu suất phát triển cao, thiết kế này sử dụng sơ đồ nguyên lý và PCB được thiết kế bằng JLC Technology EDA.
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 nguyên lý tham chiếu theo thông số kỹ thuật của LM25149-Q1 và mạch phát triển chính thức, đảm bảo thiết kế phù hợp với lý thuyết cơ bản của bộ nguồn xung BUCK và các yêu cầu thiết kế nguồn chính cho bộ điều khiển miền tần số cao.
Hình 2 Sơ đồ nguyên lý của LM25149
2.3.2 Bộ nguồn BUCK - công nghệ chính trong thiết kế sơ đồ nguyên lý
Mạch EMC đầu vào：
Các điểm kỹ thuật:
① Chức năng chính của L1 là giảm tác động của nhiễu dẫn và nhiễu bức xạ từ nguồn điện chuyển mạch lên nguồn điện đầu vào, tần số chuyển mạch của nguồn điện chuyển mạch là 2,2MHz, L1 và C23 tạo thành mạch lọc LC (C16 là tụ điện phân, chủ yếu cho các tần số thấp dưới 500kHz), và giảm 2,2MHz xuống 60dB.
② C21 giảm nhiễu chuyển mạch (hiện tượng dao động ở cạnh lên và cạnh xuống của ống khuếch đại công suất), chủ yếu giảm nhiễu EMC trong dải tần từ 10-100MHz.
③ Nếu C21 và C23 được sử dụng trong nguồn cấp độ một (trước phần bảo vệ), bạn cần chọn loại tụ có đầu nối linh hoạt, còn nếu đã được bảo vệ thì có thể chọn tụ điện loại dùng cho ô tô. Cơ chế bảo vệ tương tự cũng có thể được thực hiện bằng cách bố trí hai tụ điện nối tiếp.
Các yêu cầu tương tự được áp dụng cho các linh kiện MOSFET công suất và tụ điện đầu vào LM25149, các tụ điện ghép nối, thiết kế này không được sử dụng để xác minh hiệu suất, sử dụng một tụ gốm đơn, và thiết kế ở cấp độ sản phẩm tuân theo các yêu cầu thiết kế dành cho ô tô.
Ghi chú: LM25419 tích hợp công nghệ hủy nhiễu điện từ chủ động và phổ tản ngẫu nhiên kép, chỉ giảm biên độ EMC ở mức độ nhất định, và không thể loại bỏ hoàn toàn EMC, đối với tần số chuyển mạch 2,2MHz liên quan đến năng lượng, ứng dụng dòng cao (≥10A) vẫn có nguy cơ vượt tiêu chuẩn, cần căn cứ vào việc hiệu chỉnh thực tế; nếu tháo C23 vẫn đảm bảo đạt tiêu chuẩn về bức xạ dẫn, thì có thể loại bỏ C23 để tiết kiệm chi phí.
Tụ điện đầu vào nguồn BUCK:
① C2, C3 là các tụ điện đầu vào nguồn BUCK, rất quan trọng đối với hiệu suất EMC của bộ nguồn chuyển mạch. Các tụ điện 10uF nên chọn có trở kháng tại khoảng 2MHz ≤5mΩ. Các mẫu CGA4J1X8L1A106K125AC và CGA6P1X7S1A476M250AC có các chỉ số kỹ thuật tốt để tham khảo. Việc chọn tụ điện có thể dùng loại X7R, điện áp chịu đựng 35V/50V, gói chân C1210 và C1206 đều khả dụng. Trong thiết kế này chọn gói chân C1210, cho phép kiểm chứng hiệu năng trên nhiều mẫu mã khác nhau.
② C4 là tụ điện EMC cho tần số chuyển mạch cao, chọn loại 50V X7R, gói chân C0402.
C2, C3, C4, khi bố trí mạch cần chú ý đến vòng lặp dòng điện (tham khảo chi tiết phần Layout), đáp ứng các yêu cầu cơ bản về tụ điện đầu vào nguồn BUCK và lý thuyết thiết kế. Bạn có thể tìm hiểu lý thuyết về bộ nguồn BUCK để hiểu sâu hơn về vai trò của tụ điện đầu vào.
③ TP7, TP9, TP13 được sử dụng để kiểm tra các tín hiệu TG, BG và SW của công tắc, và dùng để đánh giá tính hợp lý của thời gian vùng chết, hiệu suất rung chuông, cũng như hiệu suất sườn lên và sườn xuống của MOSFET, đây là một chỉ số kiểm tra hiệu suất điện quan trọng của nguồn switching.
Điểm kiểm tra TP của GND được dùng để giảm vòng lặp GND khi kiểm tra bằng máy hiện sóng và cải thiện độ chính xác đo, do đó việc bố trí LAYOUT cần xem xét đặt điểm kiểm tra càng gần tín hiệu kiểm tra liên quan càng tốt.
Điện trở điều khiển cổng MOSFET:
① R1 và R2 là các điện trở điều khiển cổng của MOSFET, có ảnh hưởng quan trọng đến sườn lên và sườn xuống của MOSFET công suất.
② Việc lựa chọn R1 và R2 bị ảnh hưởng bởi các yếu tố kết hợp từ dòng điện đầu ra của bộ điều khiển nguồn BUCK được điều khiển (bộ điều khiển (điện trở kéo và đẩy), trở kháng cổng và đặc tính điện tích của MOSFET công suất (điện dung đầu vào CISS)), và tổng điện trở của toàn bộ điện trở được chọn ≤ 10 ohm trong thiết kế ban đầu, điều này cũng phụ thuộc vào đặc tính điện tích, và cần được tinh chỉnh để chọn giá trị điện trở phù hợp.
③ R1 và R2 cũng là các thông số chính ảnh hưởng nhiều nhất đến nhiễu chuyển mạch EMC, cũng như các yếu tố mạch cốt lõi ảnh hưởng đến tổn hao chuyển mạch.
Ghi chú: sử dụng 6 điểm kiểm tra để thử nghiệm đặc tính chuyển mạch và thời gian chết.
Vòng lặp công suất đầu ra:
① Lựa chọn cuộn cảm: Việc lựa chọn cuộn cảm chủ yếu xem xét hai yếu tố:
- Dòng điện làm việc quá độ: Có khả năng đầu ra quá độ 24A (thời gian: 100us);
- Dòng điện làm việc trạng thái ổn định: 10A, có thể hoạt động ổn định ở dòng điện 10A (bao gồm điều kiện nhiệt độ môi trường 85℃);
- Thời gian dòng điện hoạt động quá độ ≤ 100us, xảy ra trong giai đoạn khởi động, và chỉ điều kiện đảm bảo cuộn cảm chưa bão hòa mới đáp ứng được yêu cầu (đáp ứng giá trị điện cảm của dòng điện).
② Lựa chọn điện trở mẫu: Điện trở mẫu được chọn ở dạng chân R1206, công suất tản nhiệt ≥ 0,5W;
③ Lựa chọn tụ điện: Tham khảo chương Tụ lọc đầu ra trong phần đầu của tài liệu;
Mạch hồi tiếp:
LM25149 có cấu hình đầu ra cố định và cấu hình đầu ra phản hồi, nội dung chi tiết tham khảo trong sách đặc tả;
① R14l nối với VDDA, đầu ra 3.3V
② R14=24.9K, đầu ra 5.0V
③ R14=49.9K, đầu ra 12.0V
Điện áp đầu ra được cấu hình bằng R14, R9 và R10 trên miếng dán trống;
R19 và các điểm TP3, TP4 dự phòng: dùng để kiểm tra, biên độ pha, tần số cắt, v.v.
Ghi chú: TP3 và TP4 được dùng để kiểm tra biên độ pha, tần số cắt, v.v.
Cài đặt chức năng:
① EN: tín hiệu kích hoạt, bật nguồn ≥ 1,0V, có thể được bảo vệ bằng ngưỡng dưới chính xác;
② Sync-PG: Đầu ra đồng bộ hoặc Power good, thiết kế này dùng cho Power Good;
③ PFM/SYNC
-Jumper mặc định (NC): Mô phỏng điốt, đầu ra dòng điện nhỏ, có thể hoạt động ở hiệu suất cao;
-Jumper nối tắt xuống GND, chế độ CCM cưỡng bức;
④ Thiết lập chế độ làm việc của chip: tổng cộng 5 chế độ làm việc (xem tài liệu kỹ thuật).
2.4 Bộ cấp nguồn BUCK - Thiết kế PCB
2.4.1 Bộ cấp nguồn BUCK - Thiết kế PCB
① -TOP
② -GND
③ -Tín hiệu
④ -Bottom
2.4.2 Nguồn BUCK - công nghệ chính cho thiết kế PCB
Các vòng tụ điện đầu vào và đầu ra:
① Tụ điện đầu vào và đầu ra của nguồn BUCK cần duy trì vòng tối thiểu, điều này ảnh hưởng lớn đến EMC;
② C4 chủ yếu dùng để hấp thụ nhiễu dội (ringing noise) ở các cạnh lên và xuống của xung chuyển mạch.
Các vòng MOSFET và cuộn cảm:
① Việc sử dụng MOSFET tích hợp hai trong một giúp giảm diện tích bố trí và chi phí, nhược điểm là không thể duy trì vòng Layout SW tối thiểu;
② Điểm SW của MOSFET 2 trong 1 không thể thực hiện truy vết trên cùng một lớp PCB, cần thay đổi lớp bố trí để đảm bảo dòng điện liên tục.
Dòng điện lấy mẫu:
① Dòng điện lấy mẫu cần là các vết vi sai, và cần có mặt phẳng GND tham chiếu;
② Không cần điều khiển trở kháng và chiều dài bằng nhau, các vết nối giữ khoảng cách tối thiểu của bố trí.
Phản hồi FB:
Các điện trở và các linh kiện khác được đặt gần chân của chip điều khiển.
Tản nhiệt và GND:
Các thiết bị tỏa nhiệt: MOSFET, cuộn cảm và điện trở lấy mẫu có thể tăng dẫn nhiệt thích hợp ở vùng mặt phẳng, và việc tăng các via GND có thể giúp cải thiện điều kiện tản nhiệt cho toàn bộ mạch.
thiết kế nguồn BUCK cấp một điều khiển theo miền - tổng kết
3.1 Bản vẽ 3D
hình 3D-1
hình 3D-2
3.2 Tóm tắt Thiết kế
① Thiết kế nguồn chuyển mạch sử dụng thiết kế 4 lớp, độ dày PCB 1,6 mm, kích thước 30x65 mm;
② Dòng điện đầu ra có thể đáp ứng dòng điện quá độ tối đa 24A của Qualcomm SA8295, và hỗ trợ khả năng đầu ra ổn định hơn 10A.
4- Giới thiệu Codaca Điện tử
Codaca tập trung vào nghiên cứu và phát triển độc lập, thiết kế và sản xuất các cuộn cảm, và mẫu VSEB0660-1R0M phù hợp cho việc phát triển và ứng dụng trên các nền tảng của Qualcomm. Sản phẩm có những ưu điểm kỹ thuật như hiệu quả chi phí cao, khả năng chống dòng bão hòa mạnh, sinh nhiệt thấp, đồng thời đạt tỷ lệ công suất trên thể tích dẫn đầu ngành. Codaca chú trọng vào nghiên cứu phát triển công nghệ, đổi mới sáng tạo, phát triển các sản phẩm xuất sắc cho ngành công nghiệp cuộn cảm, góp phần thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của các sản phẩm điện tử.
5- Kiểm tra và Xác minh
Đối với các bước kiểm tra và xác minh tiếp theo, vui lòng tham khảo: 03- Giải mã Thiết kế Nguồn cấp một cho Bộ điều khiển Miền xe hơi Qualcomm: Phân tích Đo lường Kiểm tra Hiệu suất .
[Tham khảo]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E