MPSとSemidriveによるスマートコックピット・ソリューションの開発

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本稿では、MPSおよびSemidriveとの共同事業を利用した自動車スマートコックピット・ソリューションをサポートするハードウェアについて説明します。次に、主電源、二次電源、バックライト駆動の3つの主要な電源方式について説明します。

自動車用スマートコックピットの計算能力

2021年 自動車インテリジェントコックピットのホワイトペーパーは、メインシステムオンチップ (SoC) の計算能力が、コックピットの機能と性能を決定するために不可欠であると提案しています。中央処理装置 (CPU) の計算能力は、主にDMIPS (Dhrystone million instructions per second) で測定され、1秒間に数百万の機械語命令が処理されます。このますます広範なアプリケーション幅に対応するために、必要なCPUの計算能力は増大しています。現在、20kDMIPSを超えるSoCはスマートコックピット・プロセッサに十分ですが、計算能力への需要は増加し続けています。

自動車のスマートコックピットは、ヘッドアップディスプレイシステム、視覚認識システム、音声対話システムなど、さまざまな機能を提供します。図1に、スマートコックピットの代表的な機能の概要を示します。

図1 : スマートコックピットの代表的な機能

高性能なSemidrive X9チップを使用して、スマートコックピットソリューションのハードウェアアーキテクチャを調査します (図2参照)。

図2 : Semidrive X9シリーズコックピットチップ (画像出典 : Semidrive)

X9シリーズプロセッサは、新世代のカーエレクトロニクス・コックピット用の車載グレードチップです。最新のスマートコックピット技術は、高性能CPU、グラフィック処理装置 (GPU)、AIアクセラレータ、ビデオコーデックプロセッサ、追加加速ユニットなどを統合したものです。X9プロセッサは、最大10台の高解像度ディスプレイ (計器、中央制御、バックミラー、リアビューエンタテインメントなど) を同時に駆動することができ、将来の自動車スマートコックピットの機能要件を満たすマルチスクリーンの共有とインタラクションに対応します (図3参照)。X9プロセッサは、PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)、USB、CAN FD (Controller Area Network Flexible Data-Rate)、イーサネットなどの豊富なインタフェースとバスプロトコルを統合しています。その結果、X9シリーズプロセッサは、様々なオンボードシステムとシームレスに接続することができます。

図3 : X9Uは最大10画面まで駆動可能

X9シリーズには、X9E、X9M、X9H、X9HP、X9Uが含まれます。これらのプロセッサは、さまざまな数のCPUとCPUコアで構成されており、最大計算能力は100kDMIPSです。これは、液晶ディスプレイ (LCD) 機器、中央制御ナビゲーション、ハイエンド・スマートコックピットなど、さまざまなコックピットアプリケーションのシナリオをカバーします。さらに、X9シリーズ全体が幅広いソフトウェアおよびハードウェアと互換性があるため、お客様は開発コストの削減、開発サイクルの短縮、1つの設計で複数モデルのアプリケーションに対応できます。

MPSとSemidriveの協力によるX9Hリファレンスボードの開発

いくつかのR5コアに加えて、X9Hは6コアのA55を採用し、最大36kDMIPSの計算能力のCPU、最大140GFLOPSの計算能力のGPUを備えています。MPSとSemidriveは、最大4画面のスマートコックピット・ソリューションを実現するためのX9Hリファレンスボードを開発しました。リファレンスボードの入力端は、12Vバッテリから直接給電されます。SoC電源レールは一般に1V未満であるため、システムの変換効率を改善し、クランクおよびロードダンプ条件中のバッテリ電圧変動に対応するために、2段階の電源構造が推奨されます。

一次側電源の構造

一次側回路はMPQ4436-AEC1使用して12Vを5Vに変換します。これは、最大入力電圧 (V_IN) が45V、最大出力電流 (I_OUT) が6Aで、並列構成に対応している可変周波数同期整流・ステップダウン・車載グレード・スイッチングレギュレータです (図4参照)。

図4 : MPQ4436-AEC1一次側電源構造

MPQ4436-AEC1の特長を以下に示します :

• 超小型 (4mm x 4mm) のパッケージサイズにより、レイアウト面積を減少させる。
• 変換効率が非常に高く、車室内での複雑な放熱に対応。
• 動的性能が後続回路に安定した出力を提供する。
• マルチフェーズ機能により、複数の並列デバイスをサポートすることで、柔軟でスケーラブルな顧客設計が可能になる。
• 豊富な内部保護機能には、システムの信頼性を保証する、ヒカップモードによる過電流保護 (OCP) と入力不足電圧保護 (UVP) を含む。

MPQ4436A-AEC1車載グレード・スイッチングレギュレータは、MPQ4436-AEC1の1つのバージョンであり、周波数拡散スペクトラム (FSS) を提供します。これにより、システム内のEMIを低減し、ボード全体がEMI要件を満たすことが容易になります。お客様は、ニーズに合ったレギュレータを選択できます。

二次側電源の構造

MPQ2177-AEC1 (1A出力電流 I_OUT)、MPQ2178-AEC1 (2A I_OUT)、およびMPQ2179-AEC1 (3A I_OUT) を含むMPQ 2179 x車載グレードスイッチングレギュレータシリーズは、X9E、X9M、X9Hに対して柔軟なピン間互換性を実現するために使用できます。これらのデバイスは、異なるプラットフォームに対して統一されたハードウェアレイアウトをサポートします。

X9Hレールの現在の要件に従って、二次回路が複数のMPQ2179-AEC1デバイスとMPQ2167A-AEC1 (6A I_OUTを有する)で構成されるX9Hを考えましょう。

図5に二次電源の構成を示します。

図5 : 二次側電源ソリューションシステム構造

MPQ2179-AEC1とMPQ2167A-AEC1を使用した二次回路の利点を以下に示します :

• 高速過渡応答、超低ノイズ、高精度出力、優れた熱特性を必要とする、5Vアプリケーション (インフォテインメントシステム、先進運転支援システム (ADAS)、カメラ、スマートコックピットなど) 向けの特別な設計。
• MPSの最新BCD (Bipolar-CMOS-DMOS) 低抵抗プロセスと先進のフリップチップ実装プロセスを採用し、高いシステム効率を実現。
• MPQ2179-AEC1の高い2.4MHzスイッチング周波数 (f_SW) は、インダクタのサイズを小さくし、AM無線帯域を避け、自動車無線帯域への干渉を低減。
• MPQ2167A-AEC1は小型 (3mm x 3mm) のパッケージで提供され、その動作周波数は最大2.2MHzまで外付け抵抗で設定可能。さらに、デバイスは、サイクル・バイ・サイクル OCP、出力短絡保護 (SCP)、入力UVP、および出力過電圧保護 (OVP)を含む豊富な保護機能を統合。

バックライト駆動構造

X9Hは、最大4チャンネルのフルHDディスプレイに対応できます。バックライトドライバチップは、スクリーンのライティングと調光に必要です。最大動作周波数 2.2MHz、1チャンネルあたり最大駆動電流150mA、最大出力 (V_OUT) 50Vまでサポート可能なブーストWLEDドライバMPQ3364-AEC1を考えてみましょう (図6参照)。

図6 : MPQ3364-AEC1の代表的なアプリケーションブロック図

MPQ3364-AEC1特長を以下に示します :

• 3つのI²Cアドレスを持つI²Cインタフェースに対応。これは、I²Cインタフェースが3つのチップをサポートできることを意味し、動作中に複数のデバイスを簡単に設定可能にする。
• パルス幅変調 (PWM) 調光、アナログ調光、混合調光 (PWMとアナログ調光) の3つの調光モードを提供し、外部ピンで調光方法を選択可能。一方、PWM調光比とアナログ調光比はそれぞれ15000 : 1と200 : 1になる。この比率により、ユーザーは画面の明るさを微調整可能。
• サイクル・バイ・サイクル電流保護、LED開回路保護とSCP、インダクタSCP、出力OVP、過熱保護 (OTP) に対応。豊富な内部保護機能により、バックライト駆動システムの安全で確実な動作を保証。

図7は、パネルがMPQ3364-AEC1によって駆動される、X9Hリファレンスボードのマルチスクリーン・インタラクティブソリューションのデモです。

図7 : X9H リファレンスボードのマルチスクリーン・インタラクティブ・ソリューション (出典 : Semidrive)

結論

自動車用スマートコックピットのSoC技術の進歩には、演算能力、主周波数、動的応答速度の向上が必要です。また、より高いI_OUTと追加の安全機能を備えた単相および多相ソリューションも必要になります。これらの複合的な要因は、パワーチップを選択し設計する際の課題になります。

これらの課題に対処するため、MPSとSemidriveはX9Hリファレンスボードを使用したスマートコックピット・ソリューションを開発しました。次に,バックライト駆動方式に加えて、システムの変換効率を改善し、電池電圧変動に対応するための2段階の電源方式を検討しました。MPSは、自動車用電源業界の継続的な発展に基づいて、スマートコックピット革命をリードする競争力のある製品ラインのために製品の革新と発売を続けています。MPQ2179-AEC1などの自動車グレード製品の詳細については、こちらをクリックしてください。

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