技術(shù)干貨|解密高通汽車域控制器一級(jí)電源設(shè)計(jì)之 原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)（二）

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、電容廠商一起努力的技術(shù)方向。

本文針對(duì)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)。

本章節(jié)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)。
本章節(jié)需要細(xì)讀第一系列內(nèi)容（詳細(xì)的BUCK開(kāi)關(guān)電源理論和計(jì)算），基于LM25149進(jìn)行細(xì)節(jié)BUCK電源的設(shè)計(jì)。

本系列文章包含三個(gè)系列（后續(xù)持續(xù)更新）：
01-解密高通汽車域控制器一級(jí)電源設(shè)計(jì)之：電源設(shè)計(jì)和計(jì)算（已發(fā)布）
02-解密高通汽車域控制器一級(jí)電源設(shè)計(jì)之：原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)（本章節(jié)）
03-解密高通汽車域控制器一級(jí)電源設(shè)計(jì)之：性能測(cè)試測(cè)量分析（待發(fā)布）

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

注：最新的SA8295設(shè)計(jì)要求為21A(1個(gè)NPU)和24A（2個(gè)NPU），本設(shè)計(jì)可以覆蓋（30A的過(guò)流保護(hù)）

2、設(shè)計(jì)目標(biāo)
本設(shè)計(jì)使用LM25149設(shè)計(jì)域控制器一級(jí)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(huì)引起發(fā)熱量問(wèn)題（對(duì)于高通SA8295只有100uS的瞬態(tài)電流），穩(wěn)態(tài)較大電流會(huì)引起溫升增加，需要衡量溫升的影響（根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件選擇設(shè)計(jì)方案）。

原理圖和PCB設(shè)計(jì)

1、核心元件選擇
域控制器一級(jí)開(kāi)關(guān)電源元件選型的標(biāo)準(zhǔn)：性能優(yōu)先，兼顧成本，同時(shí)降低PCB的面積；考慮BUCK開(kāi)關(guān)電源EMC問(wèn)題和電流回路的問(wèn)題，符合通用BUCK開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)理論和規(guī)則，可以參考通用設(shè)計(jì)方法。

電子元件選型和計(jì)算詳見(jiàn)第一章節(jié)內(nèi)容（解密高通汽車域控制器一級(jí)電源設(shè)計(jì)：電源設(shè)計(jì)和計(jì)算）
本設(shè)計(jì)選擇方案2（使用8個(gè)47uF的C1210封裝陶瓷電容）。設(shè)計(jì)不限于本選型，產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行型號(hào)調(diào)整，并根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

表2：BUCK電源-方案設(shè)計(jì)

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(hào)：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(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)
原理圖和PCB設(shè)計(jì)：嘉立創(chuàng)EDA

圖1 嘉立創(chuàng)EDA簡(jiǎn)介

嘉立創(chuàng)EDA是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的免費(fèi)EDA開(kāi)發(fā)工具，功能強(qiáng)大，開(kāi)發(fā)效率高，本設(shè)計(jì)采用嘉立創(chuàng)EDA設(shè)計(jì)原理圖和PCB。

3、BUCK電源-原理圖設(shè)計(jì)
1） BUCK電源-原理圖設(shè)計(jì)
原理設(shè)計(jì)參考LM25149-Q1規(guī)格書(shū)和官方開(kāi)發(fā)板，設(shè)計(jì)符合BUCK 開(kāi)關(guān)電源基礎(chǔ)理論和高通域控制器一級(jí)電源設(shè)計(jì)要求。

圖2 LM25149原理圖

2） BUCK電源-原理圖設(shè)計(jì)重點(diǎn)技術(shù)
輸入口EMC電路:

技術(shù)點(diǎn)：
1.L1的主要作用是降低開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)輻射噪聲對(duì)輸入電源的影響，開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(jí)電源（保護(hù)前），需要選擇柔性端子電容型號(hào)，如果是保護(hù)后，可以選擇車規(guī)格電容即可。也可以使用兩個(gè)電容串聯(lián)正交layout實(shí)現(xiàn)類似的保護(hù)機(jī)制。

對(duì)于功率MOSFET和LM25149輸入電容退耦電容具有相同要求，本設(shè)計(jì)未用于性能驗(yàn)證，使用單個(gè)陶瓷，?產(chǎn)品級(jí)設(shè)計(jì)要遵循汽車級(jí)設(shè)計(jì)要求。

備注：LM25419有源EMC消除和雙隨機(jī)展頻技術(shù)，只是一定程度上降低了EMC幅度，并不能消除EMC，對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率的2.2MHz相關(guān)的能量，大電流（≥10A）以上應(yīng)用仍然有超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，要以實(shí)際調(diào)試為準(zhǔn)，如果拆除C23依然可以通過(guò)傳導(dǎo)輻射，可以節(jié)省C23的應(yīng)用，降低成本。

BUCK電源輸入電容：

1.C2,C3為BUCK電源輸入電容，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源EMC的性能至關(guān)重要，10uF電容選擇2Mhz附近阻抗≤5mΩ，CGA4J1X8L1A106K125AC和CGA6P1X7S1A476M250AC具有好的技術(shù)指標(biāo)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(shè)計(jì)選擇C1210封裝,可以有較多的型號(hào)驗(yàn)證性能。

2.C4為高頻開(kāi)關(guān)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(xì)節(jié)），符合基本的BUCK電源輸入電容要求和設(shè)計(jì)理論，可以學(xué)習(xí)BUCK開(kāi)關(guān)電源理論深化對(duì)輸入電容理解。

3.TP7,TP9,TP13用于測(cè)試開(kāi)關(guān)TG，BG和SW信號(hào)，用于測(cè)試死區(qū)時(shí)間合理性，振鈴表現(xiàn)，和MOSFET上升沿和下降沿性能，是開(kāi)關(guān)電源重要的電性能測(cè)試指標(biāo)。
GND的TP測(cè)試點(diǎn)用于降低示波器測(cè)試GND回路，提高測(cè)試精度，LAYOUT需要考慮擺放位置盡量靠近相關(guān)測(cè)試信號(hào)的測(cè)試點(diǎn)。

MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電阻：

1.R1和R2是MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電阻，對(duì)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(shè)計(jì)選擇整個(gè)電阻總和≤10歐姆，也依賴于電荷特性，需要最終微調(diào)，選擇合適的電阻值。

3.R1和R2也是開(kāi)關(guān)噪聲EMC影響最大關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)影響開(kāi)關(guān)損耗的核心電路因素，在實(shí)際應(yīng)用需要平衡效率（MOSFET發(fā)熱）和EMC矛盾取得平衡點(diǎn)。
備注：6個(gè)測(cè)試點(diǎn)用于測(cè)試開(kāi)關(guān)特性和死區(qū)時(shí)間。

輸出功率回路：

1.電感的選擇：電感選擇主要考慮兩個(gè)因素：
瞬態(tài)工作電流：能夠瞬態(tài)輸出21（24）A（時(shí)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(shí)間≤100us，且發(fā)生在啟動(dòng)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(xì)內(nèi)容參考規(guī)格書(shū)；
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(yù)留TP3，TP4：用于測(cè)試，相位余量，穿越頻率等。
備注：TP3和TP4用于測(cè)試相位余量，穿越頻率等。

功能設(shè)定：

1.EN:使能信號(hào)，≥1.0V打開(kāi)電源，可以用精密欠壓保護(hù)；
2.Sync-PG：同步輸出或Power good，本設(shè)計(jì)用于Power Good；
3.PFM/SYNC
-默認(rèn)（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(qiáng)制CCM模式；
4.芯片工作模式設(shè)置：一共5種工作模式（參考規(guī)格書(shū)）

4 、BUCK電源-PCB設(shè)計(jì)
1）BUCK電源-PCB設(shè)計(jì)
1-TOP

2-GND

3-Signal

4-Bottom

2）BUCK電源-PCB設(shè)計(jì)重點(diǎn)技術(shù)
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(duì)EMC有重要影響；
C4主要用于吸收開(kāi)關(guān)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(lái)的缺點(diǎn)就是Layout SW不能保持最小環(huán)路；
二合一的MOSFET的SW點(diǎn)沒(méi)法實(shí)現(xiàn)PCB的同一層走線，需要換層鋪平面才可以實(shí)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(zhǎng)，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(dāng)增加平面面積傳導(dǎo)熱量，增加GND過(guò)孔可以幫助提升整版散熱條件。

域控一級(jí)BUCK電源設(shè)計(jì)-總結(jié)

1、3D圖

3D圖-1

3D圖-2

2、設(shè)計(jì)總結(jié)
開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)采用4層設(shè)計(jì)，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(guān)科達(dá)嘉電子
科達(dá)嘉專注于電感自主研發(fā)設(shè)計(jì)和制造，VSEB0660-1R0M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?？七_(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。

4、測(cè)試驗(yàn)證
后續(xù)測(cè)試驗(yàn)證請(qǐng)參考：03-解密高通汽車域控制器一級(jí)電源設(shè)計(jì)之：性能測(cè)試測(cè)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