実は課題が多い車載センサのための電源経路

最新の自動車には、運転を安全で事故のないものにするために、多数のセンサーが搭載されています。中でもイメージセンサーは、先進運転支援システム(ADAS)の重要な一部分であり、ドライバーの死角をなくすことを可能にするのみならず、交通信号の認識や歩行者の検出、さらには駐車支援機能までも提供してくれるようになってきました。車体の外周に沿って周到に配置されたこれらのセンサーはすべて、当然のことながら、駆動するための電力を必要とします。

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    図1. インテリジェントハイウェイ環境

駆動に必要な電力を賄う車載バッテリからこうしたリモートカメラへの電源経路には実は多く課題が存在しています。例えば車載バッテリに接続されるフロントエンドレギュレータは、コールドクランクやアイドリングストップに対応するとともに、「ロードダンプ」作用 (動作中に電源から切断されたDCモータによって生成される電圧)に耐えてASIL B-D安全性仕様を満たす必要があります。

また、同軸ケーブルを介してカメラモジュールに入力される電流および電圧は、さまざまなタイプのフォールトに対するモニタリングと制御が必要です。リモートカメラモジュールは、パワーマネージメントシステムを内蔵し、小型かつ効率的で、優れたコスト効率を備える必要もあります。

このレポートでは、車載バッテリからリモートカメラに至るパワーマネージメント経路について説明し、サイズ、効率、および安全性に関する電源経路の課題を満たすシステムレベルのソリューションとはどのようなものかを考えてみたいと思います。

リモートカメラシステムの電源経路

サラウンドビューカメラシステムの例を考えてみましょう。ここで、バックブーストコンバータは、バッテリに接続し、クワッドプロテクタIC、ACブロッキングコイル(L)のバンク、および4本の同軸ケーブルを介してDC電力をリモートカメラに供給します。クワッドデシリアライザは、ACカップリングコンデンサ(C)のバンクおよび同じ同軸ケーブルを介してマイクロプロセッサをリモートカメラに接続します。

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    図2. サラウンドビューカメラシステム

単一チャネルの電源経路

単一チャネルのパワーマネージメントセクションを、図3に明示します。バックブーストコンバータはバッテリに接続し、プロテクタICは同軸ケーブルに沿って発生するさまざまなフォールト状態から保護します。リモートカメラモジュールでは、2つのデュアルバックコンバータがイメージセンサーおよびシリアライザに給電します。

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    図3. リモートカメラの単一チャネルの詳細

以下の各項にて、電力チェーンの各要素について解説します。

アイドリングストップおよびコールドクランク用のバックブースト

内燃機関の自動車は、停車時にエンジンを停止することによって燃料消費量を最大10%ほど節約することができます。車載バッテリは、通常13.5Vですが、フル充電されたバッテリでは最大16Vになる場合があります。アイドリングストップ技術を採用した自動車は、エンジンのスタート時に大きい電圧低下を経験するため、電源の下限は標準の13.5Vを下回り、多くの場合6Vまたはさらに低くなる可能性があります。

コールドクランクは、内燃式エンジンに課せられる、さらに過酷な条件です。寒冷時、エンジン始動時の車載バッテリ電圧は5Vまたはそれ以下まで低下する可能性があります。

バックブーストコンバータは、その出力の上下への広い入力電圧振幅がある場合にも出力の安定化を維持します。図4は、パワートレイン用のバックブーストの構成とその動作表を示しています。VIN > VOUTの場合、ICはバック(ステップダウン)モードで安定化を行うのに対し、VIN < VOUTの場合はシームレスにブースト(ステップアップ)動作に遷移して、VOUT出力の厳密な安定化が維持されグリッチがないことを確保します。バッテリ電圧範囲全体がスイッチモード、高効率の方式でカバーされます。

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    図4. バックブーストコンバータ

STGおよびSTB保護

自動車で、車体全体に広がるケーブルおよびワイヤに関する最も一般的な問題の例として、ワイヤ自体の損傷と、車体グランドまたは主バッテリ電源への偶発的な接続があります。

グランドへの接続が潜在的に危険である理由は、ワイヤ上のデバイスが生成する大きい電力が車体グランドに流れた場合、過熱の原因となり、保護を内蔵していないデバイスは破損する可能性があるためです。

バッテリ電源ラインへの接続も潜在的に危険で、5Vでのみ動作する電気デバイスが許容限度以上の電圧の発生源に突然接続される可能性があります。これがさらに悪い状況へとつながると、バッテリは数百Aを生成可能なため、デバイスが車載バッテリによって損傷を受けたあと、さらに大量の電力が流れる可能性があります。爆発に至ることも十分に考えられます。

自動車用語では、グランドまたはバッテリへの偶発的な接続は、それぞれ「地絡」(STG:short-to-ground)または「天絡」(STB:short-to-battery)と呼ばれています。

STB保護は出力の過電圧を防ぎます。STG保護は短絡から生じるデバイスのシンク/ソース電流を制限します。

バッテリ電源のフロントエンドで直接STGおよびSTBに対する保護を行うことが重要です。フロントエンドの安全性機能は、すべての下流回路を損傷から保護するために役立ちます。

集積型バックブーストコンバータ

適切なバックブーストコンバータは、制御および低RDS(ON)と高効率を備えた4つのDMOSパワートランジスタの両方を小型パッケージに内蔵したものです。このICは最も厳格な車載品質および信頼性要件を満たす必要があります。

入力電圧の変動によって生じる出力の乱れは、レギュレータの高速ライン過渡応答によって最小限に抑えることができます。一例として、図5では、22μFの出力容量で、3.5Vから13.5Vへの正の入力過渡によって生じる5V出力の偏位が+50mVであることが示されています。逆に、図6では、負の入力過渡が出力に生成する偏位も同様に50mVであることが示されています。高速負荷過渡応答は、出力の受動部品のサイズを最小化するために役立ちます。また、このICは40Vのロードダンプ耐性も備えます。

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    図5. 正のライン過渡応答

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    図6. 負のライン過渡応答

4mm角パッケージでバックブースト基板を小型化

図7の例は、高集積化と4mm×4mmという小型のTQFN-20パッケージを採用したICによって、バックブースト機能全体も277mm2という小型面積に収めることが可能であることを示すものとなります。

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    図7. バックブーストコンバータのプリント基板面積(277mm2)

4つの出力それぞれを個別に保護

図8のMaxim Integratedが提供するクワッドカメラプロテクタICは、4つの出力チャネルそれぞれに対する負荷電流を制限することを可能とします。各出力は、個別にSTB、STG、および過電流状態から保護されます。

2つのバック・ツー・バックDMOSトランジスタの低RDS(ON)によって低消費電力が保証され、小型パッケージによってプリント基板サイズも削減されます。このICはイネーブル入力およびデバイスの診断ステータスを読み取るためのI2Cインタフェースを備えています。また内蔵ADCによって各スイッチを流れる電流の読み取りが可能です。ASIL B-D準拠バージョンは、ADCを介した追加の診断測定に対応し、より高いフォルートカバレージを確保します。

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    図8. 入力電流および電圧保護

リモートカメラの効率的な電源とは

リモートカメラモジュールはパワーマネージメントシステムを内蔵し、小型かつ効率的で、高いコスト効率を備える必要があります。このアプリケーションでは、両方が全負荷または全負荷に近い領域で動作するカスケード動作用の2つのバックコンバータが内蔵され、また高いデューティサイクルを持つ必要があります(図9)。

2つのカスケード接続されたデュアルバックコンバータICで4つのリモートカメラレールをカバーすることによって、スペースを節約し効率を維持することができます。

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    図9. デュアルバックコンバータのカスケード

MaximのICで考える課題解決手法

車載バッテリからリモートカメラへの電源経路に沿って、乗り越えなければならない、いくつかの技術的な課題があります。

バッテリとのインタフェース部分は、ロードダンプ、アイドリングストップ、およびコールドクランク動作によって過酷なライン過渡が発生します。長い同軸ケーブル上で電力およびデータを転送する場合、各種のショート(STG、STB)からの保護が必要です。リモートカメラは、小型で、スペース効率と電力効率に優れたソリューションを必要とします。

それぞれの課題に対して、車載の品質および信頼性の厳格な要件を満たし、電力効率に優れ、さらに占有プリント基板面積を小さくできるMaximのソリューションを以下に提案してみます。バックブーストコンバータ「MAX20039」は、Power-over-Coax用の電源として効果的です。クワッドカメラ電源プロテクタ「MAX20087」は、小型、効率的な保護ICです。デュアルバックコンバータ「MAX20019」のカスケード構成は、小型スペースで高効率を実現します。この3つのADAS ICの組み合わせは、車載バッテリからリモートカメラへの経路に電力および保護を効果的に実現することを可能とします。

著者プロフィール

Bryan Dick
Maxim Integrated
シニアアプリケーションエンジニア
オートモーティブ事業部門で高電圧パワーマネージメント製品を担当

Bryan Dick
Maxim Integrated
アプリケーションエンジニア
オートモーティブ事業部門で高電圧パワーマネージメント製品を担当

Chintan Parikh
Maxim Integrated
エグゼクティブビジネスマネージャ
専門は車載パワーマネージメントソリューション
サンタクララ大学で経営工学の修士号を取得

Nazzareno (Reno) Rossetti
Maxim Integrated
電気工学博士であり、アナログおよびパワーマネージメントに関する専門家
トリノ工科大学(イタリア)で電気工学の博士号を取得