メルセデス・ベンツ EクラスにおけるUSB充電モジュールの分解 : MPQ448xファミリが設計を簡素化する方法

Zhu Yulong
Zhenzhen Jia / Monolithic Power Systems テクニカルエディタ
編集 : Ariel Potter / Monolithic Power Systems マーケティング・テクニカルライター

今回はじめて中国のメルセデス・ベンツ車の新しいEクラスラインで12-USB充電ポートのデザインを見ました。車の内部に12のUSBポート? これは可能だとさえ知らなかった信じられないほどの偉業でした。車内に単一のUSB充電ポートを設計することさえ非常に特別で、保護と電圧変換機能を考慮することは困難であることを知っていましたから、驚くべきことでした。では、その12のポートはどのように設計するのでしょうか?

一般的に、USBポートは非常に慎重に設計する必要があります。この場合、車の周りにそれらのポートのすべてを配置することは困難であるに違いありません。特定のポートの位置によってモジュールの形状が不規則になる可能性があり、非常に多くのポートを使用すると、設計全体が複雑になります。USBポートには、低電圧への変換、各種携帯電話のハンドシェイク認識、携帯電話の保護など、多くの機能も含まれており、設計に取り組むために非常に重要です。これらの機能を考慮しないと、USB電圧が電圧出力の不安定性を引き起こし、モバイルデバイスのバッテリの限界を超える可能性があります。

車のバッテリの電圧範囲は8〜16Vで、電流が非常に大きく、負荷がくずれていつでも切断する可能性があります。12V電源バスは、電源電圧の数倍以上のサージ電圧を生成します。バッテリの接続ミスや二重電圧ジャンプスタート (24V) などの大規模な動作では、USBチャージャの電源電圧が限界値を超える可能性があります。

ほとんどの設計では、カーバッテリから直接近くに位置するDC/DCコンバータは、過渡抑制の問題と争う必要があります。コンバータの過電圧保護 (OVP) 機能は、過電圧の問題を解決できますが、サージ保護には対応していません。さらに、TVSダイオードは、長時間にわたって、サージ保護を実行できますが、OVPを実行することはできません。理想的な状況は、OVPデバイスとTVSダイオードを組み合わせることですが、コストとパッケージは、それぞれの独自のものよりもはるかに高くなります。

それでは、メルセデス・ベンツはどのようにして非常に多くのUSBポートの設計に対応することができたのか? それを調べるために、USB充電モジュールの1つを手に入れなければなりませんでした。この特定のモジュールは、12.3インチのオールインワンLCDインストルメントパネル、大きな中央制御スクリーン、および84のLEDを含むマルチビームヘッドライトに反映される最先端の技術により新しいEクラスモデルで使用されています。

これらの高度な機能に加えて、コックピットは、高レベルの消費者用電力が含まれています。新しいEクラスの最前列は、Qi規格をサポートするワイヤレス充電面を提供し、後列には特別なUSB充電ボックスが装備されています。私の知る限りでは、E300L以上のモデルだけがこれらの機能を備えていました。

それでは、このUSB充電モジュールを分解して、それがどのように動作するかを見てみましょう。

外面

ABSプラスチックシェルの内部には、モジュールに内部プラグインボタンが装備され、簡単に取り付けできます。さらに、モジュール内には、より一般的なType-Aポートと一緒に、めったに見られないUSB Type-C充電ポートがあります。

モジュール背面の入力インタフェースには3つの入力ポートがあります。

USB充電モジュール全体はくさび状で、挿入が容易です。これは、車の中のトリッキーな場所にポートを設置することへの疑問に答えます。かなりの思慮がこのデザインに盛り込まれていました。

仕様を見ると、かなり簡単な構成が示されています。

動作入力電圧範囲 : 9〜16V

出力電圧 : 4.75〜5.25V

電流の最大値 : 3A

内部

背面の2本のネジを外すと、USB充電モジュールの内部構造が露出します。構造自体は複雑ではなく、PCBは面積の3分の1しか占めていません。設計は非常に小さく、外部部品は必要ありません。これはモジュールを非常に小さした方法を明らかにします。機械的な構造と設計の厚さに制限があるため、メルセデス・ベンツは高度に集積されたソリューションを選択しなければならなかったようです。

PCBは放熱のために露出した銅と4層の設計を使用しています。

PCBは5つのプラスチックポイントで固定されており、簡単に取り外すことができました。

一番下の層には、入力フィルタと逆極性保護回路だけで、そう多くの部品はありません。重要な回路は、EMIのコンプライアンスのために非常に重要である金属カバーによってシールドされています。メルセデス・ベンツの要件を満たすためにはEMCとの厳格な互換性が必要であることを考えると、このシールドは外部部品を放射から保護するための大きな助けとなります。

金属カバーを取り外すと、インダクタ、コンデンサ、メインチップが現れます。

メインチップとインダクタ回路は非常に簡単です。

メインチップは、メルセデス・ベンツの設計上の課題に対する自然なソリューションであるMPSのMPQ448xファミリの車載グレードソリューションです。

テスティング

Type-Aポートの充電テストでは、Apple 2.4A、Samsung 2A、DCP 1.5Aなどのさまざまなプロトコルがデバイスでサポートされている様子が示されました。

20%のバッテリ電源を搭載したiPhone 7 Plusでの実際のテストでは、5.1V出力、1.97A電流、最大10W。

Type-Cポートは4.76Vの電圧、3A電流、最大14.3Wの電力を示しました。測定値は3A出力能力と一致します。

Type-CとType-Aのポートを同時にテストした際には、それぞれ3Aと2.4Aの出力を得ました。出力容量は非常に大きいです。

チップの電力密度は非常に高く、26.6Wの総電力を単独で供給できます (14.3W Type-C プラス12.3W Type-A)。みごとです！

まとめ

私の意見では、BMW、メルセデス・ベンツ、アウディなどの高級車のエンジニアは、デザインについて非常に厳しく、進んでより高度なソリューションを採用しています。ことわざでは「安物買いの銭失い」と言いますが、MPQ448xの場合、支払ったお金に対して大きな価値が得られます。

車では、お金は通常、目には見えない場所に費やされています。分解した車のUSB充電モジュールは、高い集積とエレガントなミニマリズムを示しましたが、主流のType-Aと先進的なType-Cポートを備えた洗練されたデュアル出力デザインの採用も見られました。MPQ448xは、メルセデス・ベンツの多数の充電ポートに可能な限り簡単なソリューションを使用して対応できるワン・アンド・ダン（1つで全てカバーする）デバイスです。中国の一部の国内車には多くのUSB充電ポートが装備されていますが、モジュールは多くの場合、はるかに集積されていない方法で設計されています。彼らもまた、MPSソリューションの恩恵を受けることができるはずです!

MPS USB充電製品の詳細については、車載用USB充電ポートのページをご覧ください。または、MPSの自動車ソリューションページをご覧ください。

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