導(dǎo)讀

新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展推動(dòng)了各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的爆發(fā)式增長(zhǎng)，汽車智能化、自動(dòng)駕駛成為新能源汽車最重要的核心競(jìng)爭(zhēng)力方向，給高度集成化中央大腦和域控制器帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，尤其是對(duì)DC-DC開(kāi)關(guān)電源的可靠性、高功率密度、開(kāi)關(guān)電源EMC、高效率、高性價(jià)比帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

高通作為智能座艙域控制器的供應(yīng)商，SA8155和SA8295占據(jù)著重要的地位，中央域控SOC一級(jí)電源（從電池輸入一級(jí)轉(zhuǎn)換的電源）的瞬態(tài)電流、穩(wěn)定工作電流、待機(jī)工作效率、成本、開(kāi)關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)之間的矛盾成為BUCK電源設(shè)計(jì)巨大挑戰(zhàn)。如何解決和平衡這些矛盾，是開(kāi)關(guān)電源架構(gòu)、電源芯片、電感、Mosfet、電容一起努力的技術(shù)方向。

本文結(jié)合大動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)電源電流（100-300%）汽車中央域控一級(jí)電源設(shè)計(jì)，探討DC-DC開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，包含電源方案、電感、電容選型等設(shè)計(jì)方法；兼顧體積、成本、效率、性能挑戰(zhàn)進(jìn)行探討和實(shí)戰(zhàn)落地設(shè)計(jì)。

本文以高通SA8295域控制器為例，探討和實(shí)施一級(jí)BUCK開(kāi)關(guān)電源的實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)目標(biāo)及挑戰(zhàn)

1.SA8295 瞬態(tài)電流要求



表1：SA8295電源設(shè)計(jì)要求

2.SA8295 待機(jī)電流要求

高通SOC 3.3V供電待機(jī)功耗4-7.5mA內(nèi)（含內(nèi)存自刷新功率消耗），支持待機(jī)喚醒。

中央大腦（座艙域控制器）整車整體電流預(yù)算7-10mA（13.5V），4G/5G模塊獨(dú)自消耗4-5mA，高通SA8295電流13.5V 3mA(40mW)以內(nèi)。

3. 三個(gè)挑戰(zhàn)

高通域控SA8295開(kāi)關(guān)電源電流輸出挑戰(zhàn)1： 大瞬態(tài)電流，3.3V，18安培（0.1ms），0.1ms對(duì)于DC-DC開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)屬于長(zhǎng)周期穩(wěn)態(tài)輸出，需要Buck電源按照18安培穩(wěn)定輸出設(shè)計(jì)。

高通域控SA8295開(kāi)關(guān)電源大電流動(dòng)態(tài)挑戰(zhàn)2： SA8295域控穩(wěn)態(tài)工作電流在5-9安培，這會(huì)造成開(kāi)關(guān)電源電感（電感與電流大小成反比）選擇穩(wěn)定工作電流超過(guò)300%的差異，在體積，成本，頻率出現(xiàn)較大的矛盾。

高通域控SA8295開(kāi)關(guān)電源微功率效率挑戰(zhàn)3： 待機(jī)功耗，需要在13.5V 3mA消耗效率＞70%，這對(duì)電源控制器架構(gòu)，電感選型設(shè)計(jì)也是巨大的挑戰(zhàn)。

本設(shè)計(jì)以挑戰(zhàn)最大SA8295一級(jí)Buck電源設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，探討開(kāi)關(guān)電源的核心困難和DC-DC技術(shù)解決方案。

方案選型比較

1. 高通SA8295域控電源技術(shù)要求

如表2所示：



表2：高通SA8295電源設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求

2. 方案設(shè)計(jì)和技術(shù)資料

MPQ2918，MPQ2930，LM25141-Q1，MAX20098，LTC7803，LM25149-Q1等均可以滿足設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)選擇LM25149-Q1作為這次中央大腦域控制器一級(jí)電源設(shè)計(jì)方案。

LM25149-Q1官方地址: https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1

表3：LM25149-Q1設(shè)計(jì)參考資料

LM25149-Q1規(guī)格書(shū)：

LM25149-Q1 42-V Automotive, Synchronous, Buck, DC/DC Controller with Ultra-Low IQ and Integrated Active EMI Filter datasheet (Rev. B)

LM25149-Q1開(kāi)發(fā)板： LM25149-Q1 EVM 用戶指南 (Rev. A) (ti.com.cn)

有源濾波穩(wěn)定性和性能： 如何確保有源 EMI 濾波器的穩(wěn)定性和性能 (ti.com.cn)

LM5149-LM25149設(shè)計(jì)工具： LM5149-LM25149DESIGN-CALC Calculation tool | TI.com

同步BUCK電源設(shè)計(jì)和計(jì)算

1. LM25149的主要指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)



表4：高通SA8295電源設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求



效率



有源EMI濾波器



EMI測(cè)試



參考設(shè)計(jì)原理圖



參考設(shè)計(jì)方案評(píng)估板

2. LM25149 同步BUCK電感選型計(jì)算

同步BUCK開(kāi)關(guān)電源計(jì)算公式：

表5：同步BUCK電源設(shè)計(jì)計(jì)算公式

最小電感計(jì)算： 計(jì)算公式，參見(jiàn)表5。



表6：最小電感計(jì)算曲線圖(△I=0.3)



表7：最小電感計(jì)算

電感計(jì)算數(shù)據(jù)總結(jié)：

1. 如果設(shè)計(jì)覆蓋6-20A (AI=0.3計(jì)算)范圍，16V輸入，6A輸出，電感≥0.69μH;

2. 理論計(jì)算開(kāi)關(guān)電源電感Lmin：≥0.69μH（理論）；

3. 考慮到實(shí)際的設(shè)計(jì)選型和電感誤差±20%，選擇0.82μH和1.0μH作為最佳設(shè)計(jì)（電感值增加，電感體積增大，成本增高，SRF降低）。

電感電流計(jì)算： 計(jì)算公式：參考表5的1和2所示

表8：1.0μH-電感電流計(jì)算 ?

表9：1.0μH-電感電流計(jì)算

理論計(jì)算電感飽和電流≥20.76A, 取整21A；



表10：電感指標(biāo)

開(kāi)關(guān)電源電感選型：



表11：電感選型
3. LM25149 開(kāi)關(guān)電源電感電流采樣電阻計(jì)算



表12：電感電流采樣電阻理論計(jì)算



表13：電感采樣電阻選型

4. 同步BUCK開(kāi)關(guān)電源輸出電容計(jì)算

輸出電容計(jì)算：參考表5公式



表14：同步BUCK開(kāi)關(guān)電源輸出電容計(jì)算

對(duì)于同步BUCK開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，輸入和輸出濾波電容性能、體積、成本存在矛盾，電容規(guī)格書(shū)指標(biāo)測(cè)試是在特定條件下完成的，測(cè)試過(guò)程儀器設(shè)備差異，相同的指標(biāo)，可能存在10-50%的差異，最終設(shè)計(jì)性能需要在調(diào)試過(guò)程進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證和測(cè)試（設(shè)計(jì)無(wú)最佳解，只有選擇適合場(chǎng)景的方案）。

開(kāi)關(guān)電容需要滿足：容量≥320uF（Overshoot要求），陶瓷電容容量大于2.435uF（不是核心條件，滿足即可）



表15：開(kāi)關(guān)電源輸出濾波電容型號(hào)選型推薦



表16：開(kāi)關(guān)電源輸出濾波電電容設(shè)計(jì)

5. LM25149 電源輸入電容計(jì)算 輸入電容計(jì)算



表17：開(kāi)關(guān)電源輸入濾波電容計(jì)算



表18：開(kāi)關(guān)電源輸出濾波選型

6. LM25149 Mosfet選型計(jì)算

Mosfet 計(jì)算

LM25149規(guī)格書(shū)沒(méi)有過(guò)多的計(jì)算和選型計(jì)算，QG計(jì)算和選型根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算倒推，計(jì)算結(jié)果選擇4.5-5.0V Vgs，≤22nC，計(jì)算過(guò)程參看下表，選擇米勒平臺(tái)為2-3V（接近3V也可以接受），Rdson選擇≤8mΩ。



表19：Mosfet選型和計(jì)算

Mosfet選型推薦



表20：Mosfet選型型號(hào)

LM25149 FB和補(bǔ)償計(jì)算

表21：FB和補(bǔ)償計(jì)算

7. LM25149 EMC設(shè)計(jì)計(jì)算

不做過(guò)多分析，參考規(guī)格書(shū)。

設(shè)計(jì)總結(jié)

1. LM25149BUCK電源設(shè)計(jì)選型總結(jié)



表22：設(shè)計(jì)與選型

2. 方案總結(jié)

同步開(kāi)關(guān)電源性能效率受諸多因素影響，性能和指標(biāo)需要考慮實(shí)際的因素，本章節(jié)用于理論計(jì)算，對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)進(jìn)行理論指導(dǎo)，設(shè)計(jì)的性能和指標(biāo)與元件性能、使用條件、layout等息息相關(guān)，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試驗(yàn)證。

高通域控制器的同步降壓電源設(shè)計(jì)是控制器設(shè)計(jì)技術(shù)較難的技術(shù)領(lǐng)域，需要平衡性能、體積、成本，科達(dá)嘉專注于電感自主研發(fā)設(shè)計(jì)，CSEB0660-1R0M適合高通平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，具有高性價(jià)比，抗飽和電流能力強(qiáng)，發(fā)熱小等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有業(yè)界領(lǐng)先的功率體積比；科達(dá)嘉專注于技術(shù)研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新，為電感行業(yè)研發(fā)優(yōu)秀的產(chǎn)品，助力電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

審核編輯：劉清