この記事では、アナログ・デバイセズが、特に自動車の電動化において、増加する電気部品とシステム間の絶縁の必要性の高まりについて考察します。
電気コンテンツが増加中
自動車の電動化を代表例として、電気システムの小型化と軽量化への傾向は否定できません。プロフェッショナル サービス会社PwCは、ハイブリッド車と完全電気自動車が2024年までに世界の売上の40% を占めると予測しています。車両の電動化が進むにつれて、増加する電気部品とシステム間の分離の必要性が高まります。たとえば、400 V DCバッテリー スタックを搭載した電気自動車は一般的になりつつありますが、安全性への影響は明らかです。
電気的な内容が増えると、より高い絶縁性が必要になる
次世代の隔離ソリューションの提供により、課題の数と種類が増加しています。これらのシステム、特に分離に関しては、俊敏性と柔軟性を制限し、変更に対する障壁を生み出す複雑なアーキテクチャとプロセスが含まれます。競争とグローバル化の加速により、企業は市場投入までの時間 (TTM) と投資収益率 (ROI) にさらに重点を置く必要に迫られています。つまり、開発チームは圧縮されたスケジュールに従って完璧に実行する必要があるということです。設計と開発のリソースがますます精査され、限界に達しているため、すべての重要な分野において豊富な経験が蓄積されているわけではありません。目標ROIを達成するには反復を最小限に抑える必要がありますが、同時に、競合他社からのプレッシャーにより、製品の差別化をさらに図るためにパフォーマンス目標が急激かつ容赦なく押し上げられる可能性があります。また、アプリケーションのテストと認証の層をさらに追加する新しい規制機関やより厳しい規制もあります。要求は厳しく、リスクも高いです。
隔離設計を理解する
分離は分離設計の重要な部分ですが、設計の単純な部分ではありません。必要な分離レベルの決定から、分離されたデータ パスを補完する分離された電源の提供、利用可能なスペースにソリューションを適合させることまで、多くの設計上のトレードオフを評価する必要があります。ただし、新しいプロジェクトごとに、独自の設計目標と設計要件が伴います。技術的な難しさ、以前の設計との類似性、スケジュール、リソースなどの複数の要因が組み合わさって、グリーンフィールド設計オプションと比較して再利用をどの程度採用できるかが決まります。以前の設計やアーキテクチャのアプローチを最小限の変更で再利用すると、通常はリスクが低減し、実行が速くなります。ただし、新しい機能やパフォーマンス レベルの向上により、新しいアプローチの調査が必要になることがよくあります。また、設計の付加価値部分を提供するために、新しい改良されたテクノロジーを評価するために、限られた開発リソースを費やすことも問題になる場合があります。
従来のアプローチの限界
統合型絶縁型DC/DCコンバータの登場により、安全性認証が文書化されたコンパクトで使いやすいソリューションが提供され、これらの考慮事項の多くがより簡単に解決できるようになりました。新しいプロジェクトが承認され、以前の設計が追加機能によってより高いパフォーマンス メトリックにアップグレードされるというシナリオを考えてみましょう。チームメンバーはすぐに元気になり、仕事に取り掛かる準備が整います。しかし、技術プロジェクト リーダーは、問題が発生する可能性のあるさまざまな事柄をすべて心配し、厳しい予算とスケジュールの制約の下で、増大する複雑さを管理する必要があります。
プロジェクト管理の課題の中には、ますます厳しくなる電磁両立性 (EMC) 要件を満たすことが挙げられます。ますます多くの新しいアプリケーションや市場では、多数のEMC仕様への準拠が求められており、パフォーマンス制限が厳しくなるにつれて基準も上がり続けています。
絶縁型フライバック コンバータなどの既存のディスクリート ソリューションには、部品表 (BOM) コストが低いなどの利点がありますが、欠点もあります。一般的なフライバック設計 (図1) には、絶縁トランスフォーマーを駆動するコントローラ、二次側の整流およびフィルタリング、および光学的に絶縁されたフィードバック ネットワークが含まれています。エラー アンプは、電圧ループを安定させるための補償ネットワークを開発するためのエンジニアリング作業を必要とし、オプトカプラのパフォーマンスの変動に依存します。多くの場合、電源で使用するための安価なアイソレータとして見られるオプトカプラは、電流伝達比 (CTR) の変動があり、電圧フィードバック性能と有効な動作温度範囲が制限されます。CTRパラメータは、出力トランジスタ電流と入力LED電流の比として定義され、非線形であり、ユニットごとに大きなばらつきがあります。オプトカプラは通常、初期CTRに2:1の不確実性があり、高出力および高密度電源などの高温環境で何年も使用すると、最大50% 低下する可能性があります。プロジェクト マネージャーにとって、コストの観点からは個別のフライバック アプローチの方が優れているように思われますが、エンジニアリングの労力と技術的リスクのトレードオフがあります。
図1. 一般的な絶縁型フライバックDC-DCコンバータ。
個別アプローチに関するもう1つの懸念は、安全基準を満たすかどうかです。安全機関は個別設計をより厳密に精査するため、個別システム設計に必要な認証を取得するには、多くの場合、複数回の設計の繰り返しが必要になります。
システム内の分離により、電源設計も複雑になります。一般的な非絶縁設計には、入力および出力電圧範囲、最大負荷電流、ノイズとリップル、過渡性能、起動特性などの通常の制約があります。絶縁バリアはその性質上、入力と出力の状態を同時に簡単に監視する能力を排除し、パフォーマンス メトリックの達成をより困難にします。個別のグランド ドメインもダイポール アンテナを形成し、バリアを通過する共通モード電流はダイポールを励起し、不要な放射エネルギーを引き起こします。
テストに合格する
個別電源設計がEMC認証に合格するには、正しく完了するまでに数回の反復作業が必要になる場合があります。EMCテストは時間がかかり、費用もかかるため、チームは外部のEMCコンプライアンス施設でテストの準備と監視に多くの時間を費やす必要があります。問題が発生した場合は、ラボに戻ってトラブルシューティングを行い、変更を加えます。次に、変更によって標準のパフォーマンス メトリックが損なわれていないことを確認するために、設計を完全に再評価する必要があります。その後、再テストのためにEMC施設に戻ります。
最終段階は必要な安全認証を取得することです。これは、外部の安全機関によって実行される、時間と費用がかかるプロセスです。設計チームは大量の文書を準備する必要があり、代理店が慎重に検討する必要があります。新しいものはすべて特別に精査されるため、以前に認定された回路の再利用が非常に望まれます。安全要件を満たさないと当局が判断した場合、個別絶縁電源設計を変更する必要があるかもしれません。変更後は、設計を再度評価し、EMCテストを実施する必要があります。
より良い解決策
これらの問題に対する答えは、EMCパフォーマンスが文書化された、完全に統合され、安全性が認定されたコンポーネントです。一例としては、isoPowerを利用したADuM5020/ADuM5028低エミッション絶縁型DC-DCコンバータが挙げられる。® テクノロジー。これらは5 V DC電源から最大0.5 Wの絶縁電力を供給し、-40°C ～ 125°Cで動作します。これらの製品は、UL、CSA、VDEによる複数のシステムおよびコンポーネントの安全仕様の認定を受けています。また、シンプルな2層プリント回路基板 (PCB、図2) 上の全負荷状態で、CISPR 22/EN 55022クラスB放射エミッション要件を満たしています。
図2. ADuM5020を使用したコンパクトでシンプルなレイアウト。
小型パッケージ (16ピンおよび8ピンのワイド ボディSOIC) はPCB面積をほとんど消費せず、放出目標を満たすために安全容量は必要ありません。これにより、適切な静電容量を生成するためにカスタマイズされた間隔を持つ4層以上の層を必要とする埋め込みスティッチング コンデンサなどのディスクリート アプローチよりも、絶縁型電源回路が小型化され、コストも削減されます。
複雑さを増すことなく、さらなる分離のニーズを満たす
自動車やその他の車両の電動化が進むにつれて、絶縁の必要性が高まっています。同時に、競争の激化により、コストと市場投入までの時間を削減する必要性が高まっています。これらの要因に加えて、より厳しい規制要件と分離設計の固有の複雑さが存在します。市場の要求と課題のこの融合は、従来の分離アプローチではうまく対応できません。完全に統合され、安全認証を受け、EMCパフォーマンスが文書化された絶縁型DC/DCコンバーターは、システム設計者に優れたソリューションを提供します。設計の複雑さを大幅に軽減し、EMCテストとコンプライアンスの向上を実現します。再設計、再特性評価、再テストに費やす時間が短縮されるため、設計者はボードスペースを削減し、リスクを軽減し、コストを削減し、市場投入までの時間を短縮できます。