マルチフェーズ電源設計用の熱的にバランスをとったカレントシェアリングシステムの設計方法
はじめに
未来の車は、ラップアラウンド式スクリーンや多数のスピーカーを備えた車輪上のオーディオビジュアル・ワンダーランドになると思われています。未来の道路での運転では、超高速の5Gを通じてストリーミングされるコンテンツにより、乗客は信じられないような感覚の体験に浸れます。コンテンツが豊富で接続性が重視される未来のモビリティのパラダイムを実現するために、新しいデジタルコックピット・システムには、飛躍的にすぐれたコンピューティング能力が求め続けられています。これらのコンピューティング要件の高まりは、結果として、より大電力を要求することへとつながります。
そのため、電磁両立性を向上しながらより高い負荷電流を供給できる、インターリーブトポロジーの人気が高まっています。ただし、エンジニアは、これらの車載用電源管理システムを設計する際に、熱、ボードサイズ、およびコストのバランスを最適化する必要があります。特に、システム全体の性能を低下させる可能性があるため、1つの相でMOSFETが過熱するのを防ぐために、相間で最適なカレントシェアリングを実現することが重要です。
本稿では、2つの降圧コントローラを多相化する、大電力のオフラインバッテリ (12V) 電源管理段を実現するため、斬新で費用対効果の高いアプローチを提案します。このソリューションは、シンプルかつ洗練されたサーマルバランス回路と2つのインターリーブMPQ2908A-AEC1デバイスを組み合わせたもので、 これらは、4V～60Vの入力、電流モード、同期整流ステップダウンコントローラです。このシステムは、大電力のジレンマに適切に対処しながら、相間のカレントシェアリングを効果的に改善します。
電力段
新しい車載設計での電力需要が増加し続けているため、パワーエレクトロニクスのエンジニアは、プリント基板のサイズとコストを増加させずに、より多くの電力を供給できる回路を設計するという課題に直面しています。さらに、これらの回路は規制値を下回る低い電磁障害を維持する必要があります。
マルチフェーズトポロジーは、この設計上の課題を克服するシンプルなソリューションを提供します。マルチフェーズトポロジーでは、複数の電力コンバータを並列に配置して、電源ユニット (PSU) 全体の利用可能な負荷電流を増加し、供給可能な電力量を増やします。さらに、すべてのコンバータが互いに同期して動作していても、異なるロックされた位相で動作する場合には、システム全体で発生する電磁障害が減少します。最後に、負荷が必要とする電流がすべてのコンバータで共有されるため、熱挙動が最適化されます。
本稿で紹介する車載用電源管理システムは、新しい車載用設計で一般的な48Vを、多くの先進運転支援システム (ADAS) で求められる12Vに降圧する2相電源を使用しています。20Aの高負荷電流を取り入れるために、この設計では、2つのMPQ2908A-AEC1デバイスを使用しています。48V仕様からステップダウンできるこのコントローラの広い入力範囲に加えて、このデバイスは、180°位相がずれたクロックを出力するSYNCOピンを使用して、2相トポロジーでの実行が可能です。
図1は、独自の240W電力段のシステムブロック図を示しています。まず、48Vのカーバッテリがあります。次に、逆極性保護と過電圧保護 (OVP) を備えたシステムが追加され、望ましくない事象 (不適切なケーブル接続など) が発生した場合にシステムを損傷から保護します。最後に、EMCフィルタが伝導エミッションを低減し、2相インターリーブ降圧コンバータが電圧を48V〜12Vに下げます。システムによって管理される電力は非常に大きいため、システム全体で低EMIを達成するために、周波数拡散スペクトル (FSS) 変調器が追加されています。
図1 : 独自240W電力段
設計上の課題と提案するソリューション
車載用分野での電力需要の増加により、設計者は2つの重要な設計課題に直面しています。まず、車載用アプリケーションの電源は、CISPR25 Class5などの標準化されたEMC要件を満たす必要があります。これは、プリント基板のレイアウトにすべてのEMC設計推奨事項を取り込む必要があることを意味します。さらに、この240Wシステムが規制されたEMC制限内に収まるようにするために、特定の補完的なソリューションが利用されています (インターリーブトポロジー、EMCフィルタ、FSS変調器など)。
設計では、ボードの熱も管理する必要があります。高効率なレベルを実現するために、適切な回路部品を選択することをお勧めします。効率を高めることで、設計者は電力損失を減らし、温度上昇を最小限に抑えることができます。特に、設計者はシステム内のMOSFETとインダクタを慎重に選択する必要があります。
図2は、4つの異なる入力電圧におけるオリジナルの240W電力段の効率を示しています : 24V、36V、48V、60V。
図2 : システム効率
最適な部品を選択する以外にも、車載用電源管理システムの熱を改善する方法があります。たとえば、MPQ2908A-AEC1では、設計者がコンバータのスイッチング周波数 (fSW) を選択できるようにします。一般的にfSW は、スイッチング損失を減らすために、できるだけ低くする必要があります。周波数が低いと効率が向上し、基板の過熱が抑えられます。この例では、fSWを225kHzに設定し、より高いEMIピークを450kHZ (2 x fSW) に配置することで、EMCに影響を与えずにスイッチング損失を低減します。
熱およびEMCの制約とは別に、MOSFETの劣化を均等化し、ボードの部品の過熱を防ぐために、インターリーブトポロジーでは、通常すぐれた熱分布が必要です。この熱的制約を克服するには、適切なプリント基板レイアウトを選択し、2つのコントローラ間のカレントシェアリングを最適化することが不可欠です。最適なカレントシェアリング方式により、負荷電流はシステム内のすべてのコンバータに均等に分配されます。したがって、すべてのMOSFETの温度上昇が同じになります。
サーマルバランスのないシステムを考えてみましょう。負荷電流が20Aの定常状態のシステムでは、各相の平均電流間に1Aの違いがあります (図3で水色と緑の線として表示)。これにより、両方の相の温度が不均衡になります。相間の熱分布が不十分である場合 (相温度は、図3で濃い青とピンクの線として表示)、より高温の相がより速く劣化する可能性があります。
図3 : サーマルバランスシステムなしのカレントシェアリング
サーマルバランスシステム
本稿では、正確な温度検出によって両方の相の温度を均等にするシンプルで簡単な回路を設計しました。この回路は元の240Wシステムに組み込まれており、2つの相の温度を検出して比較します。その結果、各コンバータによって供給される負荷電流は、それに応じて変更できます (図4参照)。
図4 : サーマルバランスシステムを備えた240W電源段
たとえば、T1 > T2の場合、サーマルバランスシステムは、相2の補償信号を修正して、その出力電圧 (VOUT2) を増加します。総出力電流は負荷によって固定されているため、相2の電流 (IPHASE2) が増加すると、相1の電流 (IPHASE1) が減少します。したがって、相1の消費電力と温度はT1まで減少し、T2に等しくなります。
さらに、この回路はBOMコストを削減し、MOSFETとインダクタのサイズを最小にします。電流が2つの相間で不均等にシェアされる場合、設計者は、MOSFETやインダクタなどの物理的に大きな回路部品を使用して、電流測定の公差によって生じる大きな電流と電力に耐える必要があります。相間で電流が均等に分配されると、物理的に小さいMOSFETとインダクタに合わせて設計を最適化できるため、BOMコストが削減されます。
この回路では、2つの相の温度が2つの負の温度係数 (NTC) サーミスタを介して検出されます。次に、温度差が比例積分 (PI) 制御回路に供給され、相2の補償 (COMP) ピンに信号が出力されます。T2 < T1の場合、相2のCOMPピンの電圧は電流とともに増加します (またはT2 > T1の場合はその逆)。
相1はサーマルバランス回路に接続されていません。出力電流 (ILOAD) は両方の相電流の組み合わせ (IPHASE1 + IPHASE2) で、相の電流分布とは無関係に、負荷によって設定され、式 (1) で示されるように、出力電流は両相の電流分布に依存します。
$$I_{LOAD} = I_{PHASE1} + I_{PHASE2}$$このため、もしIPHASE2サーマルバランス制御により減少すると、IPHASE1は、自動的に増加します (逆も同様)。その結果、相1は直接接続されていないにもかかわらず、サーマルバランス回路の影響を受けます。
図5に、サーマルバランスの回路図設計を示します。
図5 : サーマルバランスの回路図設計
相1と相2のCOMPピンの間に配置された抵抗 (R8) は、2つの相間の電流差が重大または危険なレベルに達しないことを保証します。実験結果から、R8の最適値として270kΩが特定されました。
簡略化された回路では、温度制御を実現するためにPI回路部品のサイズを正しく設定するだけで済みます。PIの回路伝達関数 (H(s)) は、式 (2) を使用して計算できます。
$$H(S) = \frac {V_{OUT}(s)} {V_{IN}(s)} = - (\frac {R_7}{R_4} + \frac {1}{R_4 \times C_1 \times s})$$C1、R4、およびR7は、PI補償ループの部品です。
PI回路の比例ゲイン (KP) は、式 (3) を使用して計算できます。
$$K_P = \frac {R_7}{R_4}$$PI回路の比例ゲイン (KI) は、式 (4) を使用して計算できます。
$$K_I = \frac {1}{R_4 \times C_1}$$結果
サーマルバランスシステムを使用することで、カレントシェアリングと温度均等化の大幅な改善が見られます。具体的には、図3に示すように温度差 (約2°C) は 0.5°C未満まで低下します (図6で濃い青とピンクの線として表示)。
図6 : サーマルバランスシステムありのカレントシェアリング
結論
新しい車載用設計では、48V電源管理システムを採用して、車両のケーブルハーネスの重量と電力損失を削減しています。さらに、高負荷に耐えるために、要求された電力の増加にとってインターリーブトポロジーを使用することが重要です。
インターリーブトポロジーを使用する場合、MOSFETの劣化のバランスをとるために、すぐれた熱分布が必要です。本稿では、MPQ2908A-AEC1を組み合わせたシンプルで簡単なサーマルバランス回路を紹介しました。これは、多相設計におけるカレントシェアリングと温度分布を改善し、CISPR25 Class5などの標準化された電磁両立性の要件を満たします。マルチフェーズコンバータの相間の温度差は、よく知られた一般的に使用される部品を使用して、2°C〜0.5°Cに効果的に減らすことができます。
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