解密高通域控制器一级电源设计：电源设计和计算

导读

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、电容一起努力的技术方向。  

本文结合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。  

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

设计目标及挑战

1.SA8295 瞬态电流要求

 

表1：SA8295电源设计要求

2.SA8295 待机电流要求

高通SOC 3.3V供电待机功耗4-7.5mA内（含内存自刷新功率消耗），支持待机唤醒。  

中央大脑（座舱域控制器）整车整体电流预算7-10mA（13.5V），4G/5G模块独自消耗4-5mA，高通SA8295电流13.5V 3mA(40mW)以内。  

3. 三个挑战

高通域控SA8295开关电源电流输出挑战1： 大瞬态电流，3.3V，18安培（0.1ms），0.1ms对于DC-DC开关电源已经属于长周期稳态输出，需要Buck电源按照18安培稳定输出设计。  

高通域控SA8295开关电源大电流动态挑战2： SA8295域控稳态工作电流在5-9安培，这会造成开关电源电感（电感与电流大小成反比）选择稳定工作电流超过300%的差异，在体积，成本，频率出现较大的矛盾。  

高通域控SA8295开关电源微功率效率挑战3： 待机功耗，需要在13.5V 3mA消耗效率＞70%，这对电源控制器架构，电感选型设计也是巨大的挑战。  

本设计以挑战最大SA8295一级Buck电源设计为基础，探讨开关电源的核心困难和DC-DC技术解决方案。      

方案选型比较

1. 高通SA8295域控电源技术要求

如表2所示：



表2：高通SA8295电源威廉希尔官方网站 指标要求  

2. 方案设计和技术资料

MPQ2918，MPQ2930，LM25141-Q1，MAX20098，LTC7803，LM25149-Q1等均可以满足设计要求。本设计选择LM25149-Q1作为这次中央大脑域控制器一级电源设计方案。

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

表3：LM25149-Q1设计参考资料

LM25149-Q1规格书：

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

LM25149-Q1开发板： LM25149-Q1 EVM 用户指南 (Rev. A) (ti.com.cn)

有源滤波稳定性和性能： 如何确保有源 EMI 滤波器的稳定性和性能 (ti.com.cn)

LM5149-LM25149设计工具： LM5149-LM25149DESIGN-CALC Calculation tool | TI.com        

同步BUCK电源设计和计算

1. LM25149的主要指标和设计参数



表4：高通SA8295电源威廉希尔官方网站 指标要求  



效率

 

有源EMI滤波器

 

EMI测试

 

参考设计原理图  



参考设计方案评估板    

2. LM25149 同步BUCK电感选型计算

同步BUCK开关电源计算公式：

表5：同步BUCK电源设计计算公式  

最小电感计算： 计算公式，参见表5。



表6：最小电感计算曲线图(△I=0.3)  



表7：最小电感计算  

电感计算数据总结：

1. 如果设计覆盖6-20A (AI=0.3计算)范围，16V输入，6A输出，电感≥0.69μH;

2. 理论计算开关电源电感Lmin：≥0.69μH（理论）；

3. 考虑到实际的设计选型和电感误差±20%，选择0.82μH和1.0μH作为最佳设计（电感值增加，电感体积增大，成本增高，SRF降低）。  

电感电流计算： 计算公式：参考表5的1和2所示

表8：1.0μH-电感电流计算  

表9：1.0μH-电感电流计算  

理论计算电感饱和电流≥20.76A, 取整21A；



表10：电感指标  

开关电源电感选型：



表11：电感选型  
3. LM25149 开关电源电感电流采样电阻计算



表12：电感电流采样电阻理论计算

 

表13：电感采样电阻选型  

4. 同步BUCK开关电源输出电容计算

输出电容计算：参考表5公式



表14：同步BUCK开关电源输出电容计算  

对于同步BUCK开关电源设计，输入和输出滤波电容性能、体积、成本存在矛盾，电容规格书指标测试是在特定条件下完成的，测试过程仪器设备差异，相同的指标，可能存在10-50%的差异，最终设计性能需要在调试过程进行科学实践验证和测试（设计无最佳解，只有选择适合场景的方案）。  

开关电容需要满足：容量≥320uF（Overshoot要求），陶瓷电容容量大于2.435uF（不是核心条件，满足即可）



表15：开关电源输出滤波电容型号选型推荐  



表16：开关电源输出滤波电电容设计  

5. LM25149 电源输入电容计算 输入电容计算



表17：开关电源输入滤波电容计算  

 

表18：开关电源输出滤波选型  

6. LM25149 Mosfet选型计算

Mosfet 计算

LM25149规格书没有过多的计算和选型计算，QG计算和选型根据经验估算倒推，计算结果选择4.5-5.0V Vgs，≤22nC，计算过程参看下表，选择米勒平台为2-3V（接近3V也可以接受），Rdson选择≤8mΩ。



表19：Mosfet选型和计算  

Mosfet选型推荐



表20：Mosfet选型型号  

LM25149 FB和补偿计算

表21：FB和补偿计算  

7. LM25149 EMC设计计算

不做过多分析，参考规格书。      

设计总结

  1. LM25149BUCK电源设计选型总结  



表22：设计与选型  

2. 方案总结

同步开关电源性能效率受诸多因素影响，性能和指标需要考虑实际的因素，本章节用于理论计算，对实际的设计进行理论指导，设计的性能和指标与元件性能、使用条件、layout等息息相关，需要严谨的测试验证。  

高通域控制器的同步降压电源设计是控制器威廉希尔官方网站 较难的技术领域，需要平衡性能、体积、成本，科达嘉专注于电感自主研发设计，CSEB0660-1R0M适合高通平台的开发和应用，具有高性价比，抗饱和电流能力强，发热小等技术优势，具有业界领先的功率体积比；科达嘉专注于技术研发、技术创新，为电感行业研发优秀的产品，助力电子产品的开发应用。  

审核编辑：刘清