解密高通汽车域控制器一级电源设计：原理图设计和PCB设计

新能源汽车产业的快速发展推动了各个产业链的爆发式增长，汽车智能化、自动驾驶成为新能源汽车最重要的核心竞争力方向，给高度集成化中央大脑和域控制器带来新的挑战和机遇，尤其是对DC-DC开关电源的可靠性、高功率密度、开关电源EMC、高效率、高性价比带来新的机遇和挑战。

高通作为智能座舱域控制器的供应商，SA8155和SA8295占据着重要的地位，中央域控SOC一级电源（从电池输入一级转换的电源）的瞬态电流、稳定工作电流、待机工作效率、成本、开关电源EMC设计之间的矛盾成为BUCK电源设计巨大挑战。如何解决和平衡这些矛盾是开关电源架构、电源芯片、电感、Mosfet、电容厂商一起努力的技术方向。

本文针对大动态开关电源电流（100-300%）汽车中央域控一级电源设计，探讨DC-DC开关电源的设计，包含电源方案、电感、电容选型等设计方法，兼顾体积、成本、效率、性能挑战进行探讨和实战落地设计。

本章节以高通SA8295域控制器为例，探讨和实施一级BUCK开关电源的实战设计。

本章节需要细读第一系列内容（详细的BUCK开关电源理论和计算），基于LM25149进行细节BUCK电源的设计。

本系列文章包含三个系列（后续持续更新）：
 

01-解密高通汽车域控制器一级电源设计之：电源设计和计算（已发布）

02-解密高通汽车域控制器一级电源设计之：原理图设计和PCB设计（本章节）

03-解密高通汽车域控制器一级电源设计之：性能测试测量分析（待发布）

设计目标及挑战

1、SA8295 瞬态电流要求

 

表1：SA8295电源设计要求

注：最新的SA8295设计要求为21A(1个NPU)和24A（2个NPU），本设计可以覆盖（30A的过流保护）

2、设计目标

本设计使用LM25149设计域控制器一级电源，能够满足瞬态电流24A（100us）要求，并满足稳态工作10A以上的工作要求，做到体积，成本，性能综合平衡。

注：瞬态电流不会引起发热量问题（对于高通SA8295只有100uS的瞬态电流），稳态较大电流会引起温升增加，需要衡量温升的影响（根据实际环境条件选择设计方案）。

原理图和PCB设计

1、核心元件选择
 

域控制器一级开关电源元件选型的标准：性能优先，兼顾成本，同时降低PCB的面积；考虑BUCK开关电源EMC问题和电流回路的问题，符合通用BUCK开关电源设计理论和规则，可以参考通用设计方法。

电子元件选型和计算详见第一章节内容（解密高通汽车域控制器一级电源设计：电源设计和计算）

本设计选择方案2（使用8个47uF的C1210封装陶瓷电容）。设计不限于本选型，产品设计可以根据实际情况进行型号调整，并根据实际测试结果进行设计优化。

 

表2：BUCK电源-方案设计

1）BUCK电源-MOSFET选型

 

表3：BUCK电源-MOSFET选型

2）BUCK电源-电感选型

电感选型采用型号：VSEB0660-1R0MV

 

表4：电感选型

3）BUCK电源-输出滤波电容的选型

 

表5：BUCK电源-输出滤波电容选型

4）BUCK电源-输入滤波电容的选型

 

表6：BUCK电源-输入滤波电容选型

2、原理图和PCB设计工具设计

图1 EDA简介

EDA是国内领先的免费EDA开发工具，功能强大，开发效率高，本设计采用EDA设计原理图和PCB。

3、BUCK电源-原理图设计

1） BUCK电源-原理图设计
 

原理设计参考LM25149-Q1规格书和官方开发板，设计符合BUCK 开关电源基础理论和高通域控制器一级电源设计要求。

 

图2 LM25149原理图

2） BUCK电源-原理图设计重点技术

输入口EMC电路:

 

技术点：

1.L1的主要作用是降低开关电源传导辐射噪声对输入电源的影响，开关电源开关频率2.2MHz，L1和C23组成了LC滤波电路（C16为电解电容，以500KHz以下低频为主），2.2MHz降低60dB。

 

2.C21降低开关噪声（功率管上升沿和下降沿振铃），主要降低10-100MHz的EMC噪声。

3.C21，C23如果是一级电源（保护前），需要选择柔性端子电容型号，如果是保护后，可以选择车规格电容即可。也可以使用两个电容串联正交layout实现类似的保护机制。

对于功率MOSFET和LM25149输入电容退耦电容具有相同要求，本设计未用于性能验证，使用单个陶瓷， 产品级设计要遵循汽车级设计要求。

备注：

LM25419有源EMC消除和双随机展频技术，只是一定程度上降低了EMC幅度，（找元器件现货上唯样商城）并不能消除EMC，对于开关频率的2.2MHz相关的能量，大电流（≥10A）以上应用仍然有超标的风险，要以实际调试为准，如果拆除C23依然可以通过传导辐射，可以节省C23的应用，降低成本。
 

 

BUCK电源输入电容：

 

1.C2,C3为BUCK电源输入电容，对于开关电源EMC的性能至关重要，10uF电容选择2Mhz附近阻抗≤5mΩ，CGA4J1X8L1A106K125AC和CGA6P1X7S1A476M250AC具有好的技术指标供参考，电容选型可以选择X7R，35V/50V耐压，封装C1210和C1206均可。本设计选择C1210封装,可以有较多的型号验证性能。

2.C4为高频开关EMC电容，选择50V X7R，C0402封装即可。

C2，C3，C4，Layout需要注意电流环路（参考Layout细节），符合基本的BUCK电源输入电容要求和设计理论，可以学习BUCK开关电源理论深化对输入电容理解。

3.TP7,TP9,TP13用于测试开关TG，BG和SW信号，用于测试死区时间合理性，振铃表现，和MOSFET上升沿和下降沿性能，是开关电源重要的电性能测试指标。

GND的TP测试点用于降低示波器测试GND回路，提高测试精度，LAYOUT需要考虑摆放位置尽量靠近相关测试信号的测试点。

MOSFET栅极驱动电阻：

 

1.R1和R2是MOSFET栅极驱动电阻，对功率MOSFET上升沿和下降沿有重要影响。

2.R1，R2的选择受控BUCK电源控制器输出电流（控制器（PULL和PUSH电阻），功率MOSFET的gate阻抗和电荷特性（输入电容CISS）综合原因影响，初期设计选择整个电阻总和≤10欧姆，也依赖于电荷特性，需要最终微调，选择合适的电阻值。

3.R1和R2也是开关噪声EMC影响最大关键参数，同时影响开关损耗的核心电路因素，在实际应用需要平衡效率（MOSFET发热）和EMC矛盾取得平衡点。

备注：6个测试点用于测试开关特性和死区时间。

输出功率回路：

 

1.电感的选择：电感选择主要考虑两个因素：

瞬态工作电流：能够瞬态输出21（24）A（时间：100us）

稳态工作电流：10A,能够稳定工作在10A电流（涵盖85°环境温度条件下）；

瞬态工作电流持续时间≤100us，且发生在启动阶段，仅需保证电感不饱和的条件就可以满足要求（满足电流的电感值）。

2.采样电阻的选择：采样电阻选择R1206封装，热耗散功率≥0.5W

3.电容的选择：参考：第一部分章节输出滤波器电容章节

反馈电路：

 

反馈电路：

LM25149具有固定输出配置和反馈输出配置，详细内容参考规格书；

1.R14l连接VDDA，输出3.3V

2.R14=24.9K，输出5.0V

3.R14=49.9K，输出12.0V

空贴R14，R9和R10配置输出电压；

R19和预留TP3，TP4：用于测试，相位余量，穿越频率等。

备注：TP3和TP4用于测试相位余量，穿越频率等。

功能设定：

 

1.EN:使能信号，≥1.0V打开电源，可以用精密欠压保护；

2.Sync-PG：同步输出或Power good，本设计用于Power Good；

3.PFM/SYNC

-默认（NC）跳线：Diode 模拟，小电流输出，可以工作在高效率；

-短路跳线到GND，强制CCM模式；

4.芯片工作模式设置：一共5种工作模式（参考规格书）

4 、BUCK电源-PCB设计

1）BUCK电源-PCB设计

1-TOP

 

2-GND

 

3-Signal

 

4-Bottom

 

2）BUCK电源-PCB设计重点技术

输入输出电容回路：

BUCK电源输入电容和输出电容保持最小回路，对EMC有重要影响；

C4主要用于吸收开关上升和下降沿振铃噪声。

MOSFET和电感回路：

使用了二合一的MOSFET，减少了Layout面积，降低了成本，带来的缺点就是Layout SW不能保持最小环路；

二合一的MOSFET的SW点没法实现PCB的同一层走线，需要换层铺平面才可以实现功率电流的连续。

 

采样电流：

采样电流需要差分走线，需要有参考GND平面；

不需要控制阻抗和等长，走线保持Layout最小间距。

 

FB反馈：

电阻等器件靠近控制芯片引脚。

散热和GND：

发热器件：MOSFET、电感和采样电阻，可以适当增加平面面积传导热量，增加GND过孔可以帮助提升整版散热条件。

 

域控一级BUCK电源设计-总结

1、3D图

 

3D图-1

 

3D图-2

2、设计总结

开关电源设计采用4层设计，PCB厚度1.6mm，尺寸30X65mm；

输出电流可以满足高通SA8295最大24A瞬态电流，支持稳态10A以上输出能力。

审核编辑 黄宇