高信頼性インダクタで自動車の安全を確保する方法
著者 Art Pini 氏
DigiKeyの北米担当編集者 提供
2023-06-30
マルツ掲載日：2023-10-09
先進運転支援システム(ADAS)や自動運転システム(ADS)は、複数のセンサからの入力に基づいて重要な判断を下す1つまたは複数の高度なプロセッサで構成される、セーフティクリティカルな自動車の自律走行システムです。これらのプロセッサは通常、さまざまな低電圧レベルで動作しますが、2桁アンペア(A)台の電流を消費することがあります。
電源管理集積回路(PMIC)は、プロセッサに複数の電圧を供給するために使用されますが、安定した電力を確保するためには高信頼性のインダクタが必要になります。これらのインダクタは、最大10MHzの電力スイッチング周波数で、低い電力損失で大電流を処理できなければなりません。
インダクタはまた、プリント回路(PC)基板でのフットプリントが小さく、薄型で、体積効率が高い必要があります。自律走行システムのすべてのコンポーネントと同様、AEC-Q200などの自動車業界が求める厳しい信頼性と安全基準を満たす必要があります。
この記事では、ADAS/ADSの処理要件について簡単に説明します。次に、この用途のために特別に設計されたTDKのインダクタを紹介し、そのユニークな特性が、堅牢で安全な車載設計にどのように役立つかを示します。
自律走行システム
典型的なADAS/ADSは、自律走行に必要な迅速な判断を下すために、複数のセンサとインターフェースができる専用プロセッサを使用します(図1)。
図1：ADAS/ADSのプロセッサには、センサ入力に基づいて車両を制御するために、PMICから供給される大電流レベルの信頼性の高い低電圧電源が必要です。(画像提供：EPCOS-TDK)
これらのプロセッサの電源レール電圧は一般的に約1Vと低いですが、電流レベルは数十アンペアにもなり、PMICの負荷が大きくなります。図1の2次コンバータは、PMICとともに8個のパワーインダクタを使用してプロセッサに電源を供給します。
パワーインダクタは電磁界にエネルギーを蓄える受動素子で、電源回路やDC/DCコンバータに広く使われています。降圧コンバータ(ステップダウンまたはバックコンバータとも呼ばれる)としてPMICとともに使用されるパワーインダクタは、電力変換プロセスの性能を左右する重要な部品です(図2)。
図2：単一降圧コンバータの簡略回路図で、パワーインダクタの役割が強調されています。(画像提供：EPCOS-TDK)
降圧コンバータは、入力電圧よりも低い出力電圧を生成します。降圧コンバータでは、スイッチが入力電圧源(VIN)と直列に配置されます。入力源はスイッチとローパスフィルタを通して出力に供給されます。フィルタはパワーインダクタと出力コンデンサで構成されます。
TONの期間、スイッチがオンしている定常動作状態では、入力はパワーインダクタと同様に出力を駆動します。このTON期間中、VINと出力電圧(VOUT)の間の電圧レベルの差は、「スイッチオン」の矢印が示すように、順方向でインダクタに印加されます。インダクタ電流(IL)はIpeakまで直線的に上昇します。
スイッチがオフ(TOFF)になると、「スイッチオフ」の矢印が示すように、インダクタからの蓄積エネルギーが整流ダイオードを介して負荷に電流を供給し続けるため、インダクタ電流は同じ方向に流れ続けます。このTOFF期間中、インダクタには出力電圧VOUTが逆方向に印加され、インダクタ電流はIpeak値から減少します。その結果、三角形のリップル電流が発生します。
リップル電流の大きさは、パワーインダクタのインダクタンスに関係します。インダクタンスの値は、一般的に定格出力電流の20～30%のリップル電流になるように設定されます。出力電圧はスイッチのデューティサイクルに比例します。
負荷が急激に増加した場合、出力電圧が低下し、出力コンデンサを充電するために短時間でパワーインダクタに異常な大ピーク電流が流れることになります。パワーインダクタの値はコンバータの過渡応答に影響し、インダクタの値が小さいと回復時間が速くなり、大きいと回復時間が長くなります。
車両環境では、これらのインダクタは非常に高い電気的、機械的基準を満たさなければなりません。その最たるものが高い信頼性です。車載向けの受動部品の信頼性と品質は、車載電子部品評議会(AEC)が定めた規格の下で認定されます。
受動部品は、すべての受動電子部品が自動車産業での使用を対象とした場合に満たさなければならない応力耐久性の世界標準であるAEC-Q200の下で認定されています。試験には、衝撃、振動、湿度、溶剤、はんだ付けの熱、基板の曲げ、静電気放電(ESD)に対する耐性が含まれます。また、－40℃から＋125℃までの温度試験も含まれており、極端な温度や熱サイクルにさらされます。
車載用途では、インダクタはコンパクトな寸法で、予想される車載温度範囲で動作できなければなりません。後者の能力は、電力損失と温度上昇を最小限に抑えるために、直列抵抗を小さくする必要があります。インダクタはまた、PMICで一般的に使用される2～10MHzの範囲の電力スイッチング周波数で動作でき、さらに高飽和電流の可能性のある高過渡負荷に対応できるものでなければなりません。
車載用に設計されたパワーインダクタ
EPCOS-TDKのCLT32シリーズのパワーインダクタは、ADAS/ADSアプリケーション向けに設計されており、高信頼性、大電流定格、低直列抵抗、高飽和電流、小型サイズを特長としています(図3)。
図3：TDKのCLT32シリーズのパワーインダクタは、内部接続のない太い銅巻線を使用した一体成形コイル/端子構造を特徴としています。磁性モールド材料は、ソフト飽和特性を保証します。(画像提供：EPCOS-TDK)
CLT32パワーインダクタは、一体型端子構造の太い銅コイルを中心に形成されています。これは、信頼性の低い動作の原因となる内部接続がないことを意味します。また、太い銅コイルにより、直列抵抗を0.39mΩと低く抑え、電力損失を最小限に抑えています。また、抵抗値が低いため、負荷による発熱も少なくなります。
コイルは新開発の強磁性プラスチックコンパウンドでオーバーモールドされ、コイルのコアと外側ハウジングの両方を形成します。このコア材は、高温や高周波用途でも優れた電気特性を発揮します。特筆すべきはコア損失の低さです。また、この材料は低圧、低温で加工できるため、生産時にコイルにかかるストレスを最小限に抑えることができます。
このコア材は、代替フェライト材と比較してソフトな飽和特性を提供できます。磁気飽和によるインダクタンスの変化は飽和ドリフトとして表され、インダクタンスの変化率として測定されます(図4)。
図4：磁気飽和に対して、CLT32コアは低い飽和ドリフトを示し、ソフトな応答を示します。(画像提供：EPCOS-TDK)
CLT32コア材は、特に高温での飽和によるインダクタンス値の変化を大幅に低減します。最大飽和電流は60Aと高くなっています。
インダクタ全体が3.2×2.5×2.5mmの薄型パッケージに収まります。この高い体積効率により、より大きなプリント基板に設計を変更しなくても、複数のインダクタを使用できます。このインダクタの定格動作温度範囲は、－40℃～＋165℃です。この温度範囲は、前述のAEC-Q200の最高試験温度125℃要件を上回っています。
TDKのCLT32パワーインダクタのインダクタンス値は、表1に示すように17～440nHです。
表1：TDKのCLT32パワーインダクタの仕様特性と対応する注文コードを示します。すべて同じ3.2×2.5×2.5mmの薄型パッケージに収まります。(表提供：EPCOS-TDK)
表1を参照すると、RDCはインダクタの直列抵抗です。高インダクタンスになるほど必要な巻数が多くなるため、インダクタンス値とともに直列抵抗も増加することに注意してくださいISATは、飽和によるインダクタンス値の減少に基づく飽和電流で、インダクタンスに反比例して増減します。Itempは、パッケージの温度上昇に基づく最大定格電流です。Itempもまた、インダクタンス値に反比例して増減します。
パワーインダクタの損失には、コイルの直列抵抗に比例する直流損失が含まれます。また、表皮効果、ヒステリシス損失、渦電流損失による交流損失もあります。渦電流による交流損失は、コアの材質に関係しています。
薄膜インダクタや金属複合インダクタなどの代替技術と比較して、CLT32インダクタはリップル電流の電力損失が低くなります(図5)。
図5：CLT32パワーインダクタは、薄膜や金属複合インダクタ技術よりもリップル電流の電力損失が低くなります。(画像提供：EPCOS-TDK)
ACリップル損失が低いということは、より高いリップル電流を許容できるということであり、DC/DCコンバータの静電容量値を下げることができます。損失が少ないことは、他のインダクタタイプに比べて効率が高いことにもつながります(図6)。
図6：単一出力降圧コンバータにおけるパワーインダクタの性能比較は、CLT32パワーインダクタの効率の高さを示しています。(画像提供：EPCOS-TDK)
軽負荷では、コア損失がパワーインダクタの効率を支配します。負荷が重くなると、抵抗損失により効率が低下します。すべての場合において、CLT32パワーインダクタは代替技術よりも優れています。
まとめ
TDKのCLT32シリーズのパワーインダクタに採用されている革新的な設計コンセプトは、競合技術よりも小型で電気的性能に優れ、高い信頼性を保証します。その広い温度範囲と広い周波数範囲により、次世代ADAS/ADS設計に理想的な部品となっています。
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