導(dǎo)讀

新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展推動了各個產(chǎn)業(yè)鏈的爆發(fā)式增長，汽車智能化、自動駕駛成為新能源汽車最重要的核心競爭力方向，給高度集成化中央大腦和域控制器帶來新的挑戰(zhàn)和機遇，尤其是對DC-DC開關(guān)電源的可靠性、高功率密度、開關(guān)電源EMC、高效率、高性價比帶來新的機遇和挑戰(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一級電源（從電池輸入一級轉(zhuǎn)換的電源）的瞬態(tài)電流、穩(wěn)定工作電流、待機工作效率、成本、開關(guān)電源EMC設(shè)計之間的矛盾成為BUCK電源設(shè)計巨大挑戰(zhàn)。如何解決和平衡這些矛盾，是開關(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)合大動態(tài)開關(guān)電源電流（100-300%）汽車中央域控一級電源設(shè)計，探討DC-DC開關(guān)電源的設(shè)計，包含電源方案、電感、電容選型等設(shè)計方法；兼顧體積、成本、效率、性能挑戰(zhàn)進行探討和實戰(zhàn)落地設(shè)計。

本文以高通SA8295域控制器為例，探討和實施一級BUCK開關(guān)電源的實戰(zhàn)設(shè)計。

設(shè)計目標及挑戰(zhàn)

1.SA8295 瞬態(tài)電流要求



表1：SA8295電源設(shè)計要求

2.SA8295 待機電流要求

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

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模塊獨自消耗4-5mA，高通SA8295電流13.5V 3mA(40mW)以內(nèi)。

3. 三個挑戰(zhàn)

高通域控SA8295開關(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對于DC-DC開關(guān)電源已經(jīng)屬于長周期穩(wěn)態(tài)輸出，需要Buck電源按照18安培穩(wěn)定輸出設(shè)計。

高通域控SA8295開關(guān)電源大電流動態(tài)挑戰(zhàn)2： SA8295域控穩(wěn)態(tài)工作電流在5-9安培，這會造成開關(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開關(guān)電源微功率效率挑戰(zhàn)3： 待機功耗，需要在13.5V 3mA消耗效率＞70%，這對電源控制器架構(gòu)，電感選型設(shè)計也是巨大的挑戰(zhàn)。

本設(shè)計以挑戰(zhàn)最大SA8295一級Buck電源設(shè)計為基礎(chǔ)，探討開關(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)計技術(shù)指標要求

2. 方案設(shè)計和技術(shù)資料

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

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

表3：LM25149-Q1設(shè)計參考資料

LM25149-Q1規(guī)格書：

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)計工具： LM5149-LM25149DESIGN-CALC Calculation tool | TI.com

同步BUCK電源設(shè)計和計算

1. LM25149的主要指標和設(shè)計參數(shù)



表4：高通SA8295電源設(shè)計技術(shù)指標要求



效率



有源EMI濾波器



EMI測試



參考設(shè)計原理圖



參考設(shè)計方案評估板

2. LM25149 同步BUCK電感選型計算

同步BUCK開關(guān)電源計算公式：

表5：同步BUCK電源設(shè)計計算公式

最小電感計算： 計算公式，參見表5。



表6：最小電感計算曲線圖(△I=0.3)



表7：最小電感計算

電感計算數(shù)據(jù)總結(jié)：

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

2. 理論計算開關(guān)電源電感Lmin：≥0.69μH（理論）；

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

電感電流計算： 計算公式：參考表5的1和2所示

表8：1.0μH-電感電流計算 ?

表9：1.0μH-電感電流計算

理論計算電感飽和電流≥20.76A, 取整21A；



表10：電感指標

開關(guān)電源電感選型：



表11：電感選型
3. LM25149 開關(guān)電源電感電流采樣電阻計算



表12：電感電流采樣電阻理論計算



表13：電感采樣電阻選型

4. 同步BUCK開關(guān)電源輸出電容計算

輸出電容計算：參考表5公式



表14：同步BUCK開關(guān)電源輸出電容計算

對于同步BUCK開關(guān)電源設(shè)計，輸入和輸出濾波電容性能、體積、成本存在矛盾，電容規(guī)格書指標測試是在特定條件下完成的，測試過程儀器設(shè)備差異，相同的指標，可能存在10-50%的差異，最終設(shè)計性能需要在調(diào)試過程進行科學(xué)實踐驗證和測試（設(shè)計無最佳解，只有選擇適合場景的方案）。

開關(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：開關(guān)電源輸出濾波電容型號選型推薦



表16：開關(guān)電源輸出濾波電電容設(shè)計

5. LM25149 電源輸入電容計算 輸入電容計算



表17：開關(guān)電源輸入濾波電容計算



表18：開關(guān)電源輸出濾波選型

6. LM25149 Mosfet選型計算

Mosfet 計算

LM25149規(guī)格書沒有過多的計算和選型計算，QG計算和選型根據(jù)經(jīng)驗估算倒推，計算結(jié)果選擇4.5-5.0V Vgs，≤22nC，計算過程參看下表，選擇米勒平臺為2-3V（接近3V也可以接受），Rdson選擇≤8mΩ。



表19：Mosfet選型和計算

Mosfet選型推薦



表20：Mosfet選型型號

LM25149 FB和補償計算

表21：FB和補償計算

7. LM25149 EMC設(shè)計計算

不做過多分析，參考規(guī)格書。

設(shè)計總結(jié)

1. LM25149BUCK電源設(shè)計選型總結(jié)



表22：設(shè)計與選型

2. 方案總結(jié)

同步開關(guān)電源性能效率受諸多因素影響，性能和指標需要考慮實際的因素，本章節(jié)用于理論計算，對實際的設(shè)計進行理論指導(dǎo)，設(shè)計的性能和指標與元件性能、使用條件、layout等息息相關(guān)，需要嚴謹?shù)臏y試驗證。

高通域控制器的同步降壓電源設(shè)計是控制器設(shè)計技術(shù)較難的技術(shù)領(lǐng)域，需要平衡性能、體積、成本，科達嘉專注于電感自主研發(fā)設(shè)計，CSEB0660-1R0M適合高通平臺的開發(fā)和應(yīng)用，具有高性價比，抗飽和電流能力強，發(fā)熱小等技術(shù)優(yōu)勢，具有業(yè)界領(lǐng)先的功率體積比；科達嘉專注于技術(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)品的開發(fā)應(yīng)用。

審核編輯：劉清