自動車のコールドクランク状態に対応する、簡単で費用効果の高い事前昇圧
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2020年3月 - スタートストップ機能は、どのメーカーの新しい車モデルでも期待される機能です。ただし、寒い時期にモータを始動すると、バッテリの電圧降下が3Vまで低下する可能性があるため、自動車用電子機器の設計に課題をもたらします。これは「コールドクランク」と呼ばれます。
ほとんどの12V自動車システムの電力段は、通常、出力電圧を5Vまたは3.3Vに調整するシングル降圧コンバータで構成されています。レギュレータが低ドロップアウトモードで動作を開始した場合でも、ほとんどの回路は入力電圧の低下の影響を受け、機能を停止する可能性があります。
この記事では、例として一般的な5V、5W～15Wの電源を使用して、事前昇圧がこの問題の最良の解決策になる理由について説明します。
事前昇圧の実装
このシナリオでは、コールドクランクがシステムに影響を与えるのは総作業時間のごくわずかであることに留意しながら、入力電圧に関係なく、電力段の出力電圧を一定レベルに保つことが目標です。つまり、優れたソリューションは、コスト、効率、およびEMIへの影響を最小限に抑える必要があります。
図1: コールドクランク電圧過渡に対するMPS製事前昇圧デモボードの応答。試験条件: VO = 5V、IO = 1.5A
事前昇圧は、降圧コンバータの前に直列に接続された昇圧コンバータで構成されています。名前が示すように、事前昇圧は、レベルが特定のしきい値を下回った場合に、降圧コンバータの入力電圧を上げます。これにより、12Vハーネスのトランジェントに関係なく、降圧コンバータの入力電圧を安定させ、出力を一定レベルに正しく調整することができます。 図1は、システムの出力電圧が入力レールの摂動の影響を受けない事前昇圧の例を示しています。
この設計の利点は、車載アプリケーションで通常すでに使用されている入力フィルタインダクタと極性保護ダイオードを採用し、それらを昇圧コンバータに使用することです。これにより、事前昇圧を使用しなかった場合と同じ効率とEMI特性を維持しながら、追加のコンポーネントとボードスペースの点でコストを節約できます。
図2 に、一般的な降圧コンバータ回路を示します。この回路では、D1ダイオードがシステムを逆極性のバッテリ接続から保護します。C1、C2、およびL1は、伝導EMI用のπ（パイ）フィルタを形成します。C3は、フィルタとコンバータの間のダンピングコンデンサです。C4、C5、L2、および降圧ICは、降圧コンバータ自体を形成します。
図2: 簡略化された自動車用降圧コンバータ
事前昇圧は、いくつかのコンポーネントを再配置し、非同期昇圧コンバータと保護ダイオードを追加することで簡単に実装できます（図3を参照）。
図3: 事前昇圧を備えた簡略化された自動車用降圧コンバータ
この構成では、D1は昇圧コンバータの非同期整流器として機能し、L1は昇圧インダクタです。C1とC2はそれぞれ入力コンデンサと出力コンデンサであり、C3はバッファとして機能し、コールドクランクが発生した場合に昇圧が動作を開始する間、電圧を短時間保持します。D2は、昇圧ICを逆極性バッテリ接続から保護するために追加されており、コールドクランク中にのみ導通するため、効率に影響を与えません。極性保護とフィルタリング機能も維持されます。
MPSのMPQ3426は、45V、6A、AEC-Q100認定の非同期整流昇圧コンバータであり、3.2Vという低い入力電圧で動作できます。小型の3mm x 4mm QFNパッケージと最小限の外付け部品要件により、コストとパフォーマンスへの影響を最小限に抑えながら、事前昇圧を簡単に実装できます。
MPQ3426のVINピンは内部回路のバイアス電源であり、降圧コンバータの出力レールに接続する必要があります。これにより、内部LDOの損失が減少し、昇圧ICのバイアス電源がシステム入力電圧から独立し、昇圧前の動作電圧範囲が45Vに拡張されます。
一方、システムは常に約12Vのバッテリ電圧で起動するため、降圧コンバータがオンになり、事前昇圧に電力を供給します。これにより、入力電圧が常に3.2Vより高くなり、コールドクランク時の出力電力能力が向上します。事前昇圧が調整できる最低の過渡電圧は、昇圧ICのスイッチ電流によってのみ制限されます。
事前昇圧の出力電圧を7.5V～9.5Vに設定すると、通常の状態では事前昇圧がスイッチングを開始しませんが、コールドクランク状態が発生したときに高速応答が得られます。事前昇圧は通常の状態では切り替わらないため、損失が発生したり、EMIが発生したりすることはありません。この事前昇圧設計は、AEC-Q100認定の同期降圧コンバータであるMPSの36VのMPQ4430ファミリの降圧コンバータと組み合わせたデモボードで実証されています（図4を参照）。
図4: MPS事前昇圧デモボード
事前昇圧を設計するときは、インダクタとダイオードの選択に特別な注意を払う必要があります。コールドクランクトランジェントの間、入力電圧は非常に低くなりますが、出力電力は同じままです。したがって、インダクタには、事前昇圧が過渡時に良好な性能を発揮できるように十分に高い飽和電流が必要です。この飽和電流は、コールドクランク中のピークインダクタ電流(IPEAK) よりも大きくする必要があります。 IPEAK は、コールドクランク (ILDC) の間の最大入力電流によって、また、それぞれ、式（1）、式（2）、および式（3）を用いて計算したインダクタリップル電流 (ΔIL)によって決定されます。
(1) $$I_{PEAK}= I_{LDC} +{\Delta I_L\over2}$$ (2) $$I_{LDC}= {V_{OUT} ・I_{OUT}\over V_{IN}・^η}$$ (3) $$\Delta I_L={V_{IN}・(V_O-V_{IN})\over V_O・f_{SW}・L}$$このアプリケーションでは、飽和電流が9.2Aの2.2μHインダクタが選択されています。
一方、ダイオードには、コールドクランク中の事前昇圧出力電流よりも高いDC電流定格が必要です。これは、降圧コンバータの公称入力電流よりも約25％高くなる可能性があります。さらに重要なことは、コールドクランク中のピークインダクタ電流 (IPEAK) よりも高いピーク電流定格も必要です。
自動車用途では、コールドクランク電圧プロファイルに関してさまざまな要件があります。いくつかの典型的な要件は、図5にあり、通常のプロファイルと厳しいコールドクランクプロファイルがあります。事前昇圧の出力電力容量は、コールドクランク中に達成される最小電圧レベルに大きく依存します。これは、入力電圧が低いと、ピークインダクタ電流が高くなる可能性があるためです。これは、システムが供給できる最大出力電流と、コールドクランク中の最低電圧を比較した表です。
| コールドクランク時の最低入力電圧 | 5V出力電圧での最大出力電流 |
| 3.0V | 1.8A |
| 3.5V | 2.5A |
| 4.0V | 3.2A |
| 4.2V | 3.5A |
表1: 昇圧前のデモボードの電源能力
図5: コールドクランクテスト電圧プロファイル
Tコールドクランクイベントに対するボードの応答をテストするために、公認された自動車用電圧過渡発生器があり、電圧プロファイルはすでにプログラムされています。また、ほとんどの電子機器研究所で一般的なプログラム可能な電源で簡単にテストできます。図6は、チャネル1のコールドクランク電圧トランジェントの開始、チャネル2の事前昇圧の出力電圧、およびチャネル3のシステムの出力電圧の詳細を示す波形を示しています。
図6: コールドクラン ク電圧過渡に対するMPSの事前昇圧デモボードの応答のクローズアップ。試験条件: VO = 5V、IO = 1.5A
結論
チャネル3の波形は、入力電圧が約3.2Vになるコールドクランクの影響を受けずに、出力電圧が5Vで一定に保たれることを示しています。チャネル2は、事前昇圧が過渡電圧にすばやく反応し、出力電圧を9.5Vに調整する方法を示しています。これは、事前昇圧が過渡電圧中の連続動作を必要とする自動車システムにとって優れたソリューションであることを示しています。
高電力アプリケーションでは、MPQ3910Aなどの昇圧コントローラを使用して事前昇圧を実装できます。このコントローラは、外部トランジスタを駆動し、より高い電流能力を備えています。事前昇圧を実装すると、コールドクランクの設計上の課題が解決され、既存のいくつかの選択肢よりも多くのコストとスペースが節約されます。これにより、シームレスにスムーズなスタートストップ機能が可能になり、エンドユーザーの経験が向上します。
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