車載アプリケーションにおけるスイッチング周波数の選択

図1 : 必要な周辺機器パラメータ

スイッチング損失と温度上昇

図1と同じ動作条件下で、異なる周波数での効率曲線が得られました (図2参照)。これらのパラメータは、設計者がデバイスの温度上昇を判断できるため有益であり、効率が低いと温度上昇が高くなります。

図2 : さまざまな周波数での効率曲線

最小オンおよびオフ時間制限

入力電圧 (V_IN) が増加すると、チップのスイッチングオン時間が減少します。この状況では、f_SWが小さくなると、デバイスの最小オン時間 (t_{ON_MIN}) のトリガーを回避できます。V_INが減少すると、チップのスイッチオフ時間が減少します。この状況で、f_SWを小さくすると、デバイスの最小オフ時間 (t_{OFF_MIN}) のトリガーを回避できます。

スイッチング周波数の選択

3つの異なるf_SWレベル (100kHz、500kHz、2Mhz) でのパフォーマンスを分析して、これらの周波数が車載アプリケーションにどのような影響を与えるかを判断します。さまざまなf_SWレベルに対応するため、f_SWは300kHz未満、300kHzと530kHzの間、または1.8MHz以上に設定されました。

1. 100kHz : 車載用アプリケーションでは、低いスイッチング損失のこの周波数で優れた効率を達成できます。100kHzでは、アプリケーションは発熱を大幅に抑え、周囲温度が85°Cで安定した動作を実現できます。ただし、この周波数はスペースに制約のあるアプリケーションには推奨されません。
2. 500kHz : ほとんどの車載用USB充電およびLEDライティングアプリケーションは、効率とソリューション サイズの間のトレードオフを最適化するため、500kHzで動作します。
3. 2MHz : 2MHzでは、AM周波数帯域で重大なEMIは生成されません。ただし、この周波数は高周波数帯域で EMIを悪化させる可能性があります。

f_SWの選択は、車載アプリケーションでのDC/DCコンバータ用のEMIを管理するには重要です。図3は、CISPR25 クラス3 CEの標準制限チャートを示しています。3つのf_SWレベル (100kHz、500kHz、2MHz) は、これら3つの断続的な領域内に収まります。

図3 : CISPR25 クラス3 CE制限規格チャート

次のステップは、さまざまなアプリケーションの3つのf_SWレベルを評価して、車載カメラセンサ、車載モバイル充電機器、自動運転コントローラの3つの例を使用して必要なf_SWを選択することです。

オンボードカメラセンサ

図4に、車載カメラセンサの図を示します。

図4 : オンボードカメラセンサ

オンボードセンサは通常、できるだけ小さくなるように作られています。これは、周辺部品 (インダクタやコンデンサなど) も小さくなければならないことを意味します。スイッチング電源の場合、インダクタとコンデンサを確実に小さく保つためには、f_SWは高い必要があります。スペースに制約のあるアプリケーションの場合は、f_SWを2MHzに設定することが推奨されます。 これは発熱とカメラの電力消費を最小限に抑えながらEMI問題を軽減できるためです。

12V入力の場合、電流は通常100mA～200mAであり、DC/DCコンバータの導通損失は比較的小さくなります。したがって、たとえf_SWが増加しても、高いスイッチング損失による、電源の大幅な温度上昇は生じません。同時に、カメラモジュール全体の消費電力も最小限に抑えられます。ここでの電源は、高度に統合された電源管理IC (PMIC) ソリューションです。これらの要因により、高周波のdI/dtループが最適化され、EMI性能が向上します。

f_SWを2MHzに設定することで、小型のソリューションでも優れた効率とEMI性能を得ることができます。

オンボードモバイル充電デバイス

図5は、オンボードUSB充電を示しています。

図5 : オンボードUSB充電

USB充電はオリジナルのシングルポートUSB Type-Aから始まり、デュアルポートUSB Type-Aにアップデートされました。デュアルポートUSB Type-Cが続き、現在のUSB Type-C電源供給 (PD) ポートへとつながりました。これらの充電デバイスには、PCBボードのサイズ要件があります。ただし、カメラモジュールとは異なり、製品のサイズは通常約50mm x 50mmに制限されます。

PCBボードのサイズもレイアウトとデバイスのサイズによって制限される場合、2MHzのf_SWレベルは最適な解決策ではありません。各充電ポートが3Aで5Vに到達できるデュアルポートUSB Type-Cを検討してください。総電力は30Wに達し、94%の効率を考慮しても、PCBボードにはまだ約2Wの熱が残っています。車載環境でのテストでは通常、85°Cでの安定した動作が考慮されます。

消費電力とサイズの要素を考慮すると、500kHzのf_SWレベルが、オンボードモバイルデバイスチャージャ用の最も適したf_SWオプションです。

自律運転コントローラ

図6は、360度サラウンドビューの電子制御ユニット (ECU) を示しています。

図6 : 360度サラウンドビューECU

自律運転コントローラの場合、基板面積がさらに広くなります。カメラモジュールやUSB充電と比較して、自律運転コントローラには十分なPCBレイアウト面積と放熱スペースがあります。その結果、f_SWの選択はそれほど厳密ではありませんが、チップのt_ONOFF制限を考慮する必要があります。

たとえば、商用車のバッテリーシステムは24Vで、定常状態の最高電圧は32Vに達します。360度サラウンド ビュー システムでは、通常 3.3Vの電源が必要であり、大きな電圧差が生じます。もしf_SWが2MHzに設定されている場合、オン時間 (t_ON) は式 (1) で計算できます。

$$T_{ON}=\frac{3.3V}{32V} \times \frac{1}{2.0MHz}\approx 51ns$$

図7にMPQ4323-AEC1の最小オン時間 (t_{ON_MIN}) の仕様を示します。 このアプリケーションでは、t_{ON_MIN}のトリガーを避けるために、より低い周波数を選択する必要があります。

図7 : 最小オン時間仕様

場合によっては、カメラ モジュールの入力電源として機能するために、サラウンドビューシステムに8V電源レールが提供されることがあります。乗用車用の12Vバッテリーシステムを想定すると、多くの場合、V_IN = 9V とV_OUT = 8Vの動作条件で、9V～16VのV_IN動作範囲を考慮する必要があります。 2MHzのf_SWレベルを選択すると、オフ時間(t_OFF) は式 (2) で計算できます。

$$T_{OFF}=(1-\frac{8V}{9V})\times \frac{1}{2.0MHz}\approx 55.6ns$$

図8に最小オフ時間 (t_{OFF_MIN}) の仕様を示します。最大時間は70nsです。つまり、t_{OFF_MIN}がトリガーされることになります。

図8 : 最小オフ時間の仕様

設定されたf_SWでチップの安定した動作を保証するため、特定のV_INおよび出力電圧 (V_OUT) 条件に基づき最適なf_SWを選択する必要があります。

結論

本稿では、エネルギー変換プロセス全体を検討し、3つのf_SWレベル (2MHz、100kHz、500kHz) のさまざまな特性について説明しました。車載センサ、車載モバイル充電機器、自律運転コントローラなどのアプリケーション例を用いて、安定したスイッチング電源性能を実現する最適なf_SWレベルを取得しました。

詳細については、MPSのADASとインフォテイメント アプリケーションをご参照ください。

_______________________

興味のある内容でしたか? お役に立つ情報をメールでお届けします。今すぐ登録を!