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導讀
新能源汽車產業(yè)的快速發(fā)展推動了各個產業(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開關電源的可靠性、高功率密度、開關電源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、開關電源EMC設計之間的矛盾成為BUCK電源設計巨大挑戰(zhàn)。如何解決和平衡這些矛盾是開關電源架構、電源芯片、電感、Mosfet、電容廠商一起努力的技術方向。
本文針對大動態(tài)開關電源電流（100-300%）汽車中央域控一級電源設計，探討DC-DC開關電源的設計，包含電源方案、電感、電容選型等設計方法，兼顧體積、成本、效率、性能挑戰(zhàn)進行探討和實戰(zhàn)落地設計。
本章節(jié)以高通SA8295域控制器為例，探討和實施一級BUCK開關電源的實戰(zhàn)設計。
本章節(jié)需要細讀第一系列內容（詳細的BUCK開關電源理論和計算），基于LM25149進行細節(jié)BUCK電源的設計。
本系列文章包含三個系列（后續(xù)持續(xù)更新）：
01-解密高通汽車域控制器一級電源設計之：電源設計和計算（已發(fā)布）
02-解密高通汽車域控制器一級電源設計之：原理圖設計和PCB設計（本章節(jié)）
03-解密高通汽車域控制器一級電源設計之：性能測試測量分析（待發(fā)布）
設計目標及挑戰(zhàn)
1、SA8295 瞬態(tài)電流要求
表1：SA8295電源設計要求
注：最新的SA8295設計要求為21A(1個NPU)和24A（2個NPU），本設計可以覆蓋（30A的過流保護）
2、設計目標
本設計使用LM25149設計域控制器一級電源，能夠滿足瞬態(tài)電流24A（100us）要求，并滿足穩(wěn)態(tài)工作10A以上的工作要求，做到體積，成本，性能綜合平衡。
注：瞬態(tài)電流不會引起發(fā)熱量問題（對于高通SA8295只有100uS的瞬態(tài)電流），穩(wěn)態(tài)較大電流會引起溫升增加，需要衡量溫升的影響（根據(jù)實際環(huán)境條件選擇設計方案）。
原理圖和PCB設計
1、核心元件選擇
域控制器一級開關電源元件選型的標準：性能優(yōu)先，兼顧成本，同時降低PCB的面積；考慮BUCK開關電源EMC問題和電流回路的問題，符合通用BUCK開關電源設計理論和規(guī)則，可以參考通用設計方法。
電子元件選型和計算詳見第一章節(jié)內容（解密高通汽車域控制器一級電源設計：電源設計和計算）
本設計選擇方案2（使用8個47uF的C1210封裝陶瓷電容）。設計不限于本選型，產品設計可以根據(jù)實際情況進行型號調整，并根據(jù)實際測試結果進行設計優(yōu)化。
表2：BUCK電源-方案設計
1）BUCK電源-MOSFET選型
表3：BUCK電源-MOSFET選型
2）BUCK電源-電感選型
電感選型采用型號：VSEB0660-1R0MV
表4：電感選型
3）BUCK電源-輸出濾波電容的選型
表5：BUCK電源-輸出濾波電容選型
4）BUCK電源-輸入濾波電容的選型
表6：BUCK電源-輸入濾波電容選型
2、原理圖和PCB設計工具設計
原理圖和PCB設計：嘉立創(chuàng)EDA（https://lceda.cn/）
圖1 嘉立創(chuàng)EDA簡介
嘉立創(chuàng)EDA是國內領先的免費EDA開發(fā)工具，功能強大，開發(fā)效率高，本設計采用嘉立創(chuàng)EDA設計原理圖和PCB。
3、BUCK電源-原理圖設計
1） BUCK電源-原理圖設計
原理設計參考LM25149-Q1規(guī)格書和官方開發(fā)板，設計符合BUCK 開關電源基礎理論和高通域控制器一級電源設計要求。
圖2 LM25149原理圖
2） BUCK電源-原理圖設計重點技術
輸入口EMC電路:
技術點：
1.L1的主要作用是降低開關電源傳導輻射噪聲對輸入電源的影響，開關電源開關頻率2.2MHz，L1和C23組成了LC濾波電路（C16為電解電容，以500KHz以下低頻為主），2.2MHz降低60dB。
2.C21降低開關噪聲（功率管上升沿和下降沿振鈴），主要降低10-100MHz的EMC噪聲。
3.C21，C23如果是一級電源（保護前），需要選擇柔性端子電容型號，如果是保護后，可以選擇車規(guī)格電容即可。也可以使用兩個電容串聯(lián)正交layout實現(xiàn)類似的保護機制。
對于功率MOSFET和LM25149輸入電容退耦電容具有相同要求，本設計未用于性能驗證，使用單個陶瓷，?產品級設計要遵循汽車級設計要求。
備注：
LM25419有源EMC消除和雙隨機展頻技術，只是一定程度上降低了EMC幅度，并不能消除EMC，對于開關頻率的2.2MHz相關的能量，大電流（≥10A）以上應用仍然有超標的風險，要以實際調試為準，如果拆除C23依然可以通過傳導輻射，可以節(jié)省C23的應用，降低成本。
BUCK電源輸入電容：
1.C2,C3為BUCK電源輸入電容，對于開關電源EMC的性能至關重要，10uF電容選擇2Mhz附近阻抗≤5mΩ，CGA4J1X8L1A106K125AC和CGA6P1X7S1A476M250AC具有好的技術指標供參考，電容選型可以選擇X7R，35V/50V耐壓，封裝C1210和C1206均可。本設計選擇C1210封裝,可以有較多的型號驗證性能。
2.C4為高頻開關EMC電容，選擇50V X7R，C0402封裝即可。
C2，C3，C4，Layout需要注意電流環(huán)路（參考Layout細節(jié)），符合基本的BUCK電源輸入電容要求和設計理論，可以學習BUCK開關電源理論深化對輸入電容理解。
3.TP7,TP9,TP13用于測試開關TG，BG和SW信號，用于測試死區(qū)時間合理性，振鈴表現(xiàn)，和MOSFET上升沿和下降沿性能，是開關電源重要的電性能測試指標。
GND的TP測試點用于降低示波器測試GND回路，提高測試精度，LAYOUT需要考慮擺放位置盡量靠近相關測試信號的測試點。
1.R1和R2是MOSFET柵極驅動電阻，對功率MOSFET上升沿和下降沿有重要影響。
2.R1，R2的選擇受控BUCK電源控制器輸出電流（控制器（PULL和PUSH電阻），功率MOSFET的gate阻抗和電荷特性（輸入電容CISS）綜合原因影響，初期設計選擇整個電阻總和≤10歐姆，也依賴于電荷特性，需要最終微調，選擇合適的電阻值。
3.R1和R2也是開關噪聲EMC影響最大關鍵參數(shù)，同時影響開關損耗的核心電路因素，在實際應用需要平衡效率（MOSFET發(fā)熱）和EMC矛盾取得平衡點。
備注：6個測試點用于測試開關特性和死區(qū)時間。
輸出功率回路：
1.電感的選擇：電感選擇主要考慮兩個因素：
瞬態(tài)工作電流：能夠瞬態(tài)輸出21（24）A（時間：100us）
穩(wěn)態(tài)工作電流：10A,能夠穩(wěn)定工作在10A電流（涵蓋85°環(huán)境溫度條件下）；
瞬態(tài)工作電流持續(xù)時間≤100us，且發(fā)生在啟動階段，僅需保證電感不飽和的條件就可以滿足要求（滿足電流的電感值）。
2.采樣電阻的選擇：采樣電阻選擇R1206封裝，熱耗散功率≥0.5W
3.電容的選擇：參考：第一部分章節(jié)輸出濾波器電容章節(jié)
反饋電路：
反饋電路：
LM25149具有固定輸出配置和反饋輸出配置，詳細內容參考規(guī)格書；
1.R14l連接VDDA，輸出3.3V
2.R14=24.9K，輸出5.0V
3.R14=49.9K，輸出12.0V
空貼R14，R9和R10配置輸出電壓；
R19和預留TP3，TP4：用于測試，相位余量，穿越頻率等。
備注：TP3和TP4用于測試相位余量，穿越頻率等。
功能設定：
1.EN:使能信號，≥1.0V打開電源，可以用精密欠壓保護；
2.Sync-PG：同步輸出或Power good，本設計用于Power Good；
3.PFM/SYNC
-默認（NC）跳線：Diode 模擬，小電流輸出，可以工作在高效率；
-短路跳線到GND，強制CCM模式；
4.芯片工作模式設置：一共5種工作模式（參考規(guī)格書）
4 、BUCK電源-PCB設計
1）BUCK電源-PCB設計
1-TOP
2-GND
3-Signal
4-Bottom
2）BUCK電源-PCB設計重點技術
輸入輸出電容回路：
BUCK電源輸入電容和輸出電容保持最小回路，對EMC有重要影響；
C4主要用于吸收開關上升和下降沿振鈴噪聲。
MOSFET和電感回路：
使用了二合一的MOSFET，減少了Layout面積，降低了成本，帶來的缺點就是Layout SW不能保持最小環(huán)路；
二合一的MOSFET的SW點沒法實現(xiàn)PCB的同一層走線，需要換層鋪平面才可以實現(xiàn)功率電流的連續(xù)。
采樣電流：
采樣電流需要差分走線，需要有參考GND平面；
不需要控制阻抗和等長，走線保持Layout最小間距。
FB反饋：
電阻等器件靠近控制芯片引腳。
散熱和GND：
發(fā)熱器件：MOSFET、電感和采樣電阻，可以適當增加平面面積傳導熱量，增加GND過孔可以幫助提升整版散熱條件。
域控一級BUCK電源設計-總結
1、3D圖
3D圖-1
3D圖-2
2、設計總結
開關電源設計采用4層設計，PCB厚度1.6mm，尺寸30X65mm；
輸出電流可以滿足高通SA8295最大24A瞬態(tài)電流，支持穩(wěn)態(tài)10A以上輸出能力。
3、有關科達嘉電子
科達嘉專注于電感自主研發(fā)設計和制造，VSEB0660-1R0M適合高通平臺的開發(fā)和應用。具有高性價比，抗飽和電流能力強，發(fā)熱小等技術優(yōu)勢，具有業(yè)界領先的功率體積比?？七_嘉專注于技術研發(fā)，技術創(chuàng)新，為電感行業(yè)研發(fā)優(yōu)秀的產品，助力電子產品的開發(fā)應用。
4、測試驗證
后續(xù)測試驗證請參考：03-解密高通汽車域控制器一級電源設計之：性能測試測量分析（待發(fā)布）
【參考資料】
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E：https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
工商網監(jiān)
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