車載用SoCコアレールに電力供給する場合の課題とチャンス
はじめに
自動車業界は、電気自動車 (EV)、自動運転、ハイエンド インフォテインメントシステム、車両コネクティビティおよびソフトウェア デファインド ビークルに対応するために大きな変革を迎えようとしています。EV変革の目標とメリット、および自動車サプライチェーンへの影響は、現在では十分に理解されています。
ただし、自動運転とハイパフォーマンス コンピューティング (HPC) に向けたデジタル変革は初期段階で、まだ進化し続けています。この変革は、EVと内燃機関 (ICE) 車両の両方に適用されます。こうした将来有望なトレンドによる技術の混乱は、自動車のサプライチェーンに課題とチャンスをもたらすでしょう。
人口増加と都市化が続くため、現代の交通機関は渋滞、事故、移動手段の不足に悩まされており、社会経済に悪影響を及ぼしています (図1参照)。個人使用向けの自動運転車やコネクテッドカー、公共交通機関向けのロボタクシーの開発により、利便性、安全性、経済的流動性が向上します。
図1 : 運転時の問題
車両をデジタル化する必要性が高まるにつれ、高度なテクノロジー、新しいアーキテクチャ、革新的な部品とソリューションの開発が全面的に必要とされています。自動運転車は、車両自体だけでなく、サポートするインフラストラクチャにも膨大な量の高性能な計算能力を必要とします。
デジタル化されたモビリティを実現するために、自動車の相手先商標製造業者 (OEM) とTier1は、システムオンチップ (SoC) サプライヤーと提携して、自動車業界の進歩に必要な計算能力を提供しています。このパラダイムシフトは、メーカーにとって、現代の消費者のニーズを満たすための新しい機能や特徴を生み出すとともに、自社の製品を競合他社と差別化するチャンスです。
車載コンピューティングの進化
図2は、車載コンピューティングのアーキテクチャの進化を示しています。
以前は、車両全体に分散された数十の電子制御ユニット (ECU) が、局所的なデータを処理するために使用されていました。現在、ドメインコントローラは車両の選ばれたデータを集約して処理しています。将来の車両には、高度な運転支援機能、ハイエンドのインフォテインメントシステム、コネクティビティ、その他の最先端の機能をサポートするために必要な計算能力を提供するセントラルコンピュータが搭載されます。
図2 : 車載コンピューティングの進化
将来の車両用セントラルコンピュータは強力なSoCによって実行されることになります。これらのSoCは、大量のデータを処理し、車両がリアルタイムで意思決定を行えるようにする複雑な計算を実行する高度なCPUおよびGPU機能を備えています。これらのSoCには、特にコア電圧レール用の高度な電源管理ソリューションが必要です。
SoCコアレールは数百アンペアの電流を必要とし、厳しい過渡性能と効率の要件があります。サーバー、データセンター、AIアプリケーションでは、すでに数世代にわたって強力なSoCと高度な電源管理ソリューションが使用されてきましたが、これらのソリューションは車載アプリケーションにとっては新しいものです。車載電源ソリューションには、エンタープライズSoCコア電源ソリューションと同じ高効率、高速過渡応答、設定可能性、拡張性、モニタリング、システム保護機能を維持しながら、AEC-Q100認定やASIL-Dの機能安全を提供するなどの、さらなる課題もあります。
車載システムオンチップ (SoC)
図3は、高電力コアレールと低電力システムレールに分割した車載用SoCの簡略化された電源ツリーを示しています。低電力レールでは、電源管理IC (PMIC) またはディスクリートのポイントオブロード (PoL) コンバータを使用できます。高電力コアレールには、SoCに埋め込まれたCPUとGPUに必要な電力を供給するための厳しい仕様があるため、特殊なソリューションが必要です。さらに、SoCは、そのアーキテクチャとパフォーマンス仕様に応じて、複数のコアレールを必要とする場合があります。本稿では、SoCコアレールの電源ソリューションに焦点を当てます。
図3 : 車載SoCの一般的なパワーツリー
SoCコアレールの従来のソリューションでは、アナログパルス幅変調 (PWM) コントローラ、ディスクリートMOSFET、およびディスクリートの電流および温度検出回路が使用されています (図4参照)。これらのソリューションには多くの外付け部品が必要となるため、コストが上昇し、車載アプリケーションの信頼性が低下し、より大きなPCB面積が必要になります。これにより、従来のソリューションの設計が難しくなり、先進運転支援システム (ADAS)、インフォテインメント、ハイパフォーマンス コンピューティング (HPC) アプリケーションに使用される種類のSoCにとって重要な要件である柔軟性と拡張性が欠如しやすくなる可能性があります。
図4 : 従来のSoCソリューション
図5は、デジタルマルチフェーズコントローラとモノリシックなDrMOS電力段を使用した最先端のSoCコア電源ソリューションを示しています。DrMOSには、ゲートドライバIC、電流検出回路、温度検出回路が統合されています。これにより、従来のソリューションで必要とされたいくつかの外付け部品が不要になり、よりシンプルなソリューションが可能になります。
図5 : デジタルPWMコントローラとモノリシックなDrMOS
DrMOSはモノリシックな設計で、信じられないほど高い電力密度、正確な電流検出、正確なオンダイ温度検出を提供します。MPSは22Vおよび6VのDrMOSポートフォリオを持っており、単段の電力変換と2段の電力変換に対応します。
これらのデジタルコントローラは、特定のSoCコアレールの電流定格に応じてフェーズの数を設定できるため、柔軟性と拡張性を提供します。デジタルコントローラは外部フィードバックループ補償を必要としないため、設計作業が簡素化され、開発時間が短縮されます。また、レジスタ設定を最大1,000回設定、および再設定できる不揮発性メモリ (NVM) も備えています。最後に、コントローラとDrMOSは、システムレベルのテレメトリの実装に使用できるさまざまなモニタリングおよび保護機能を提供します。
車載用SoCとバッテリー
最新の自動車には、12Vバッテリーとして鉛蓄電池またはリチウムイオン電池の2つのオプションがあります。リチウムイオン電池は20Vまでの最大出力電圧 (VOUT) を持っています。鉛蓄電池は、過渡時に最大40VのVOUT電圧を持っています。
図6は、22V定格のDrMOS製品を使用した単段電力変換の実装を示しています。リチウムイオン12Vバッテリーを使用する車両は、バッテリー電圧をSoCコアレール電圧に変換するためのプリレギュレータを必要とせずに、バッテリーから直接22VのDrMOSを使用できます。これは、最高の効率、より小さなPCB面積、より低いコスト、および最適化された電気的性能を実現する理想的な実装です。
鉛蓄電池を使用する車両の場合、ロードダンプまたはダブルバッテリー状態では、最大電圧が最大40Vに達することがあります。このシナリオでは、過渡時にDrMOSを保護するために、プリレギュレータがDrMOS上の入力電圧 (VIN) を最大20Vに制限するために使用されます。
図6 : 22V定格のDrMOSとオプションのプリレギュレータを使用した単段電力変換
車両に鉛蓄電池が搭載されている場合は、プリレギュレータを電圧リミッタとして使用できます。このプリレギュレータは100%のデューティサイクル比で動作できます。これは、通常の動作条件下では、99%を超える効率を提供する単なるパススルーであることを意味します。プリレギュレータは、電圧過渡時に降圧コンバータのように機能し、バッテリー電圧 (VBATT) が、プリセットされた20Vの制限を超える場合、数ミリ秒の間DrMOSのVINを20Vに制限します
電気的性能の点では、VBATTの過渡電圧が20Vを超える時のみ、プリレギュレータはアクティブになるため、プリレギュレータを使用した実装は単段電力変換と同様になります。さらに、プリレギュレータを備えたトータルPCB面積は、単段変換に高電圧ディスクリートFETとアナログPWMコントローラを使用する従来の実装よりもさらに小さくすることができます。
図7は、2段階の電力変換を備えた12V鉛蓄電池駆動の車載アプリケーションの実装を示しています。最初の段では、VBATTを5Vまたは3.3Vの中間バス電圧に変換します。第2段では、6V定格のDrMOSデバイスを使用して、中間バス電圧をSoCコアレールに変換します。
図7 : 6V定格DrMOSを使用した2段電力変換
2段変換には追加の半導体部品が必要ですが、低～中電力レベルのSoCコアレールでは、単段のソリューションと比較して、SoC電源ソリューション全体が小型で安価になります。システム設計者は、すべての要素 (12Vバッテリーの化学的性質やSoCコアレールの電力仕様など) を考慮して、設計に最適な電源アーキテクチャを選択する必要があります。
図8は、MPSのデジタルの、マルチフェーズコントローラでモノリシックなDrMOS電力段を使った簡略化されたアプリケーション回路を示しています。MPQ2977-AEC1は2つの出力レールと各レール用の3フェーズ用に構成されています。この包括的なソリューションでは、必要な外部部品が少なくなり、同時に過電流保護 (OCP)、過電圧保護 (OVP)、過熱保護 (OTP) などのいくつかのモニタリングおよび保護機能が実装されます。
図8 : MPQ2977
さらに、デジタルコントローラはISO26262機能安全規格に準拠して開発された自動車認定製品である、安全志向のMPSの車載用MPSafeTMポートフォリオの一部です。ISO26262の国際規格は、自動車市場がますます自動運転車、コネクテッドカー、電動自動車を追求する中で、電気および電子システムの故障リスクに対処するための中核要件となっています。MPSafeTM 製品開発プロセスにより、該当する自動車製品がASIL-Dまでのさまざまな自動車安全度レベル (ASIL) 要件を満たすのに役立つことが保証されます。
結論
自動車市場は、今日のドライバと同乗者が直面している問題を解決するために、自動運転、ハイエンド インフォテインメントシステム、コネクティビティ、共有モビリティに向けたデジタル変革を進めています。
その結果、自動車のコンピューティングアーキテクチャは、分散型アーキテクチャから、強力なSoCによって可能になる集中型アーキテクチャへと進化しています。セントラルコンピューティングで使用されるSoCには、特にコア電圧レールに対して高度な電源管理ソリューションが必要です。従来の電源ソリューションは、次世代のセントラルコンピューティング電源アプリケーションにはもはや適していません。
車載SoCコア電源アプリケーションで使用される最先端の電源管理ソリューション、デジタルマルチフェーズコントローラ、DrMOS電力段は、高効率と高速過渡応答を備えた、スケーラブルで柔軟かつコンパクトな電源ソリューションを提供する必要があります。本稿では、単段または2段の電力変換を備えた電力アーキテクチャを実装する方法について説明しました。MPSの車載用SoCコア電源ソリューションの詳細については、AEC-Q100グレード、多相デジタルコントローラーおよびDrMOS電力段をご覧ください。
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