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、電容廠商一起努力的技術方向。

本文針對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。

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

本章節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BUCK電源的設計。

本系列文章包含三個系列（后續持續更新）：

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

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）

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

1-設計目標及挑戰

1.1 SA8295 瞬態電流要求

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）

1.2 設計目標

本設計使用LM25149設計域控制器一級電源，能夠滿足瞬態電流24A（100us）要求，并滿足穩態工作10A以上的工作要求，做到體積，成本，性能綜合平衡。

注：瞬態電流不會引起發熱量問題（對于高通SA8295只有100uS的瞬態電流），穩態較大電流會引起溫升增加，需要衡量溫升的影響（根據實際環境條件選擇設計方案）。

2-原理圖和PCB設計

2.1 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，產品設計可以根據實際情況進行型號調整，并根據實際測試結果進行設計優化。

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

2.2 原理圖和PCB設計工具設計

原理圖和PCB設計：嘉立創EDA（https://lceda.cn/）

圖1 嘉立創EDA簡介

嘉立創EDA是國內領先的免費EDA開發工具，功能強大，開發效率高，本設計采用嘉立創EDA設計原理圖和PCB。

2.3 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規格書和官方開發板，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:

3）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，可以選擇車規格電容即可。也可以使用兩個電容串聯正交layout實現類似的保護機制。

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，可以節省C23的應用，降低成本。

4）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需要注意電流環路（參考Layout細節），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，用于測試死區時間合理性，振鈴表現，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。

5）MOSFET柵極驅動電阻：

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，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時間。

6）輸出功率回路：

1.電感的選擇：電感選擇主要考慮兩個因素：

瞬態工作電流：能夠瞬態輸出21（24）A（時間：100us）

穩態工作電流：10A,能夠穩定工作在10A電流（涵蓋85°環境溫度條件下）；

瞬態工作電流持續時間≤100us，且發生在啟動階段，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：第一部分章節輸出濾波器電容章節

7）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。

8）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（參考規格書）

2.4 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

① 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。

② 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不能保持最小環路；

二合一的MOSFET的SW點沒法實現PCB的同一層走線，需要換層鋪平面才可以實現功率電流的連續。

3）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。

4）FB反饋：

電阻等器件靠近控制芯片引腳。

5）散熱和GND：

發熱器件：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。

3-域控一級BUCK電源設計-總結

3.1 3D圖

3D圖-1

3D圖-2

3.2 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瞬態電流，支持穩態10A以上輸出能力。

3.3 有關科達嘉電子

科達嘉專注于電感自主研發設計和制造，VSEB0660-1R0M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。

3.4 測試驗證

后續測試驗證請參考：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（下一篇）

【參考資料】

1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1

2.BUK9K6R2-40E：https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E

審核編輯 黃宇