電源装置の電圧レベルの安定化

DCDC コンバーターは電圧レベル間を変換し、安定した正確な供給を提供するためにエレクトロニクスで使用されます。12V バッテリーで動作する自動車の公称電圧は 14V です。一部のインフォテインメント回路では、5V または 3.3V の電圧に下げる必要があります。逆にLED照明ストリングは 60V にブーストする必要があり、ハイブリッド車や完全な電気自動車で使用されるような永久磁石 DC モーターは、数百ボルトの大きな負荷を与えます。

これらの変換のために、通常、電源回路には MOSFET、インダクター (L)、抵抗 (R) およびコンデンサー (C) が含まれます。図1 に示すようにスイッチは MOSFET を表すことができます。この回路では配線の寄生インダクタンスと MOSFET のキャパシタンスが組み合わされて、回路の正常な動作を妨げる可能性があります。この干渉のリスクを最小限に抑え、コンバーターの設計が負荷に供給される電圧を上げるか下げるかにかかわらず、コンバーターとシステムの安定した動作を維持するために、コンポーネントを選択または挿入する必要があります。

一時的なイベント保護

さまざまな過渡現象から車載の電子機器を保護するために、多くの考慮がされています。車載の電子機器を脅かす過渡サージはよく知られており、ISO7637 ではイベントの種類に応じて分類されています。これらのイベントは最大数秒続き、数百A を発生させることがあります。表1 に ISO7637 のテスト仕様の詳細を示します。Ri は電圧発生器の内部抵抗を示します。各 ESA は、ISO7637 に従ってテストに合格するように設計する必要があります。設計者は、サージを制限するコンポーネントや電圧をクランプするコンポーネントを追加することで、必要な保護レベルに準拠する必要があります。

システム・インターフェースがもたらす新たな課題

スタンドアロンユニットとしての適切な保護は、ESA を車載システムに導入するための出発点です。インターフェースを介してシステムに接続されると、ESA はネットワーク電圧の上昇に寄与する可能性があります。たとえば、CANbus ネットワークに接続されているほとんどの ESA には、通信バス上の不要な高周波ノイズを制限し、EMC に対するトランシーバーのイミュニティーを向上させ、電磁干渉 (EMI) を低減するためのコモンモードインダクターが含まれています。そのすべての利点に加えてコモンモードインダクターは、ISO7637 テスト1 の電源からの切断で見られるように、CANbus トランシーバー全体に高電圧を誘導することもできます。この電圧は、過電圧状態が引き起こす可能性のある損傷からESAを保護するために、車載用バリスターなどのサプレッサーによってクランプされる必要があります。

選択したインダクターのコア、ワイヤー、構造および電流量は、ESA からの電磁エミッションに影響します。エミッションは車両メーカーが指定したガイドラインの範囲内である必要があります。場合によってはガイドラインが EN55022 クラスB よりも厳しい場合があります。この仕様では、エミッションレベルは、0 - 230MHz の周波数範囲では 30dB (mV/m)、230MHz ～1 GHz では 37dB (mV/m) です。

静電気放電現象に対する保護

最後に車載の電子機器を ESD による損傷から保護する必要があります。ESD イベントのリスクは、インフォテインメント用のユニバーサルシリアルバス (USB) が利用可能になるにつれて増加しています。ESD パルスの電流および電圧サージによって引き起こされる誤動作の分類には、次の3つのカテゴリーがあります。

　(i)   回路またはそのオペレーティングシステムによって自動的に修正される一時的エラー
　(ii)  回復して通常の動作を再開するためにオペレータの介入を必要とする一時的エラー
　(iii) 部分的な修理または完全な交換を必要とする永続的な損傷

過渡コンプライアンスと同様に、自動車業界では ESD 保護ガイドラインとしてよく知られた標準が使用されています。この人体モデル (HBM) は、表2 に示すように電流対時間曲線と静電サージを特徴づけます。組み立てラインでの取り扱い中に人と接触することで伝わるエネルギーをシミュレートします。テストでは図2 に示すように、サージ発生器は電圧源を 1.5kΩ 抵抗と 100pF コンデンサーに接続することで HBM 曲線を再現できます。これらのテストは、設計に適切な電圧抑制を組み込むのに役立ちます。例えば、Bourns® ChipGuard® チップバリスターなどです。

電源回路の抵抗

保護のために電源に挿入される最初のコンポーネントは抵抗です。MOSFET がスイッチされると、コンデンサー全体に電圧が誘起されます。計算式は以下です。

この正弦波のピーク振幅は電源電圧の 2倍であり、MOSFET を損傷する可能性があります。MOSFET と直列に抵抗 R を追加すると、これらの振動が減衰して MOSFET が保護されます。使用される抵抗の種類はコンバーターの出力電力によって異なります。設計に対する抵抗の適合性はいくつかの要因から判断できます。

まず平均消費電力1 LC T_pulse T_period は、以下の式から計算できます。

抵抗と基板の合計熱抵抗は、以下の計算式です。

回路の温度上昇は、以下の計算式です。

最後に、抵抗器が処理できるエネルギーをジュール対サージ時間で表したグラフです。サージのエネルギーを計算するにはサージのピーク電力にサージの持続時間と、方形パルスと比較したサージの相対面積を乗算します。

Bourns 社の固定抵抗器製品ポートフォリオには、さまざまなパッケージの AEC-Q200 認定 PWR シリーズパワー抵抗器が含まれています。これらの厚膜非誘導性抵抗器はバックプレートから電気的に絶縁されており、最大 50W の定格電力で使用できます。Bourns® PWR163 および PWR263 は低インダクタンスであるため、高周波アプリケーションに理想的であり、その優れたパルス特性は電流制限またはコンデンサー放電アプリケーションをサポートします。Bourns® 4816P SOIC 抵抗器ネットワークには、絶縁、バスおよび 0.5% という低い公差の標準終端オプションが用意されています。

電源回路用抵抗器の評価例として Pav=9.2W、動作温度 90℃ を想定します。電源抵抗器に Bourns® PWR263S-35 を使用し、熱交換器付きの一般的な高性能銅被覆回路基板を使用した場合、それぞれの熱抵抗 3.5℃/W と 2.5℃/W の合計は 6℃/W です。温度上昇は 55.2℃ です。部品全体の温度は温度上昇と動作温度の合計で与えられます。この例では抵抗器の温度は 145℃ となり、Bourns® PWR263S-35 データシートの最高温度 155℃ よりも低くなります。データシートで利用可能な時間対エネルギー曲線は、部品がサージの瞬時電力を処理できるかどうかを示します。抵抗器がこれらの仕様をすべて満たす場合、設計に組み込むことができます。

効果的な一時保護の実装

Bourns® Multifuse® PPTC デバイスは過渡保護に最適です。Bourns® Multifuse® デバイスは、非線形抵抗対温度特性を持つサーミスターです。Bourns® Multifuse® PPTC デバイスの選択は、動作電圧（通常、公称電圧 14V に対して 16V）、ESA アプリケーションの動作電流および仕様で定義されているトリップ時間に依存します。通常の動作中、デバイスの抵抗は非常に低く、基本的に回路からは見えません。PPTC の動作電流がトリップ電流に達すると、デバイスの温度が上昇し、抵抗が非常に高い値に急上昇します。

コンポーネントの製造時に異なるポリマーブレンドを使用して、高電流能力（低抵抗）、高動作電圧、高動作温度などのデバイスの特定の機能を実現できます。PPTC デバイスの一般的な最高動作温度は 85℃ ですが、一部の Bourns® Multifuse® デバイスは 125℃ に定格されています。Bourns® コンポーネントは、より広い温度範囲でより安定した抵抗を実現します。これは、サーミスターの抵抗が回路で役割を果たす状況で大きな利点となります。そのような例の一つは、カメラモジュールの差動ラインです。モジュールの帯域幅は、PPTC 抵抗の変化によって影響を受ける可能性があるため、回路の正常な動作を妨げたり、早期にトリップしたりしないコンポーネントを選択することが重要です。

コモンモードインダクターによる低 EMI レベルの実現

コモンモードノイズ (CMN) チョークでは、各インダクター巻線は入力ラインと直列に接続されます。インダクター巻線の接続と位相は、各巻線によって作成された磁束が他の巻線の磁束を打ち消すように配置されます。したがって、入力信号に対するインダクターの挿入インピーダンスは、漏れリアクタンスと巻線の DC 抵抗における小さな損失を除いて 0 です。

瞬時電流は図4 に示すように一方向に進んでいます。一方の入力ラインで、もう一方の入力ラインを通って戻ってきます。コアで発生する対向磁束により、どちらの巻線にも電圧が発生しないため、入力電流はほとんど電力損失なくコモンモードチョークを通過できます。コモンモードノイズ (CMN) と呼ばれる不要な高周波電流は図5 に示すように、一方または両方の入力ラインに発生する可能性があります。CMN 電流は、接地接続を介してノイズ源に戻ります。対向する戻りによってキャンセルされないため、この電流は CMN インダクターの一方または両方の巻線のフルインピーダンスを認識します。ライン上の不要なノイズを減らすには、コモンモードインダクターの巻線で CMN 電圧を減衰する必要があります。

電源インターフェースおよび CAN トランシーバーで使用されるインダクターは、高電流を処理できるシールド面実装部品である必要があります。Bourns は、SRP ファミリーのインダクターを多数取り揃えています。これらのシールドハウジングは、車載設計に必要な低EMIレベルの実現に役立ちます。Bourns® SRP ファミリーのインダクターは、フラットワイヤーテクノロジーと圧粉コアを組み合わせて、コンパクトで効率的なパッケージを実現しています。フラットワイヤーは、表面積を最大限に利用することで導電性が向上しているため、高周波スイッチングに対応できます。

過電圧損傷の防止

Bourns® ChipGuard® 多層バリスターは、車載システムの他の領域でクランプ装置として機能するだけでなく、最適な ESD 保護を提供するように設計されています。これらのデバイスは静電容量と漏れ特性が低いため、通常の動作中は回路からほとんど見えず、複数の ESD イベントに耐えることができます。

過電圧状態が発生すると、Bourns® ChipGuard® バリスターは電圧を安全なレベルにクランプし、ESA を過電圧損傷から保護します。図6 に示すサプレッサーは、ESA の端子間に接続されており、基板実装中またはその寿命を通じて発生するESDから電子機器を保護します。Bourns® CG0603MLC などの AEC-Q200 認定バリスターは、ISO7637 のテスト 1-3b を使用して認定されています。正しい Bourns® ChipGuard® デバイスの選択は、部品の電圧およびトリップ特性がアプリケーションの要件を満たすように、ESA の固有の特性に依存します。

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