導讀

新能源汽車產業的快速發展推動了各個產業鏈的爆發式增長，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。

高通作為智能座艙域控制器的供應商，SA8155和SA8295占據著重要的地位，中央域控SOC一級電源（從電池輸入一級轉換的電源）的瞬態電流、穩定工作電流、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。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、電容一起努力的技術方向。

本文結合大動態開關電源電流（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、性能挑戰進行探討和實戰落地設計。

本文以高通SA8295域控制器為例，探討和實施一級BUCK開關電源的實戰設計。

設計目標及挑戰

1.SA8295 瞬態電流要求



表1：SA8295電源設計要求

2.SA8295 待機電流要求

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

3. 三個挑戰

高通域控SA8295開關電源電流輸出挑戰1： 大瞬態電流，3.3V，18安培（0.1ms），0.1ms對于DC-DC開關電源已經屬于長周期穩態輸出，需要Buck電源按照18安培穩定輸出設計。

高通域控SA8295開關電源大電流動態挑戰2： SA8295域控穩態工作電流在5-9安培，這會造成開關電源電感（電感與電流大小成反比）選擇穩定工作電流超過300%的差異，在體積，成本，頻率出現較大的矛盾。

高通域控SA8295開關電源微功率效率挑戰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，電感選型設計也是巨大的挑戰。

本設計以挑戰最大SA8295一級Buck電源設計為基礎，探討開關電源的核心困難和DC-DC技術解決方案。

方案選型比較

1. 高通SA8295域控電源技術要求

如表2所示：



表2：高通SA8295電源設計技術指標要求

2. 方案設計和技術資料

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

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

表3：LM25149-Q1設計參考資料

LM25149-Q1規格書：

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

LM25149-Q1開發板： LM25149-Q1 EVM 用戶指南 (Rev. A) (ti.com.cn)

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

LM5149-LM25149設計工具： LM5149-LM25149DESIGN-CALC Calculation tool | TI.com

同步BUCK電源設計和計算

1. LM25149的主要指標和設計參數



表4：高通SA8295電源設計技術指標要求



效率



有源EMI濾波器



EMI測試



參考設計原理圖



參考設計方案評估板

2. LM25149 同步BUCK電感選型計算

同步BUCK開關電源計算公式：

表5：同步BUCK電源設計計算公式

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

電感計算數據總結：

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

2. 理論計算開關電源電感Lmin：≥0.69μH（理論）；

3. 考慮到實際的設計選型和電感誤差±20%，選擇0.82μH和1.0μH作為最佳設計（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

開關電源電感選型：



表11：電感選型
3. LM25149 開關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開關電源輸出電容計算

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

開關電容需要滿足：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：開關電源輸出濾波電容型號選型推薦



表16：開關電源輸出濾波電電容設計

5. LM25149 電源輸入電容計算 輸入電容計算



表17：開關電源輸入濾波電容計算



表18：開關電源輸出濾波選型

6. LM25149 Mosfet選型計算

Mosfet 計算

LM25149規格書沒有過多的計算和選型計算，QG計算和選型根據經驗估算倒推，計算結果選擇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設計計算

不做過多分析，參考規格書。

設計總結

1. LM25149BUCK電源設計選型總結



表22：設計與選型

2. 方案總結

同步開關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，本章節用于理論計算，對實際的設計進行理論指導，設計的性能和指標與元件性能、使用條件、layout等息息相關，需要嚴謹的測試驗證。

高通域控制器的同步降壓電源設計是控制器設計技術較難的技術領域，需要平衡性能、體積、成本，科達嘉專注于電感自主研發設計，CSEB0660-1R0M適合高通平臺的開發和應用，具有高性價比，抗飽和電流能力強，發熱小等技術優勢，具有業界領先的功率體積比；科達嘉專注于技術研發、技術創新，為電感行業研發優秀的產品，助力電子產品的開發應用。

審核編輯：劉清