自動車の知能化と電動化の進展で、車両に搭載されるコンピュータやシステムでの消費電力が急増している。
これに応える取り組みとして注目を集めるトレンドが、電源電圧の48V化だ。
一方で、48V化に伴うノイズ起因の信頼性低下が懸念されている。
日清紡マイクロデバイスは、48V対応の車載用電源ICをいち早く開発・投入し、48V時代の信頼性とクルマの進化を支える。
48V対応のEMC対策
知能化・電動化で必須に
市場投入される多くのクルマに高度な先進運転支援システム（ADAS）が搭載されるなど、高レベルな自動運転車の実現が視野に入ってきた。さらには、世界中の自動車メーカーがSDV（ソフトウエア定義車両）の開発を加速すると同時に、パワートレインの電動化も着実に進展している。
他方、あらゆる車両に知能化のために多様な電気・電子制御機能が搭載され、車載システムで消費する電力が急増大している。従来の直流12Vの給電システムのままでは、多くの不都合が生じ始めた。
これまで12V給電システムが採用されてきたのは、「電源である鉛蓄電池の出力電圧に合わせていた」というのが主な要因である。このまま増大する車内電力需要に対応すれば、給電時の電流量を高めざるを得ず、同時にハーネスは太く・重たくなっていく。結果的に、コスト上昇や配線作業の難化、設計難易度向上、さらには電力損失の増大や走行性能の悪化まで招くことになるだろう。
これらの問題を顕在化させることなく大電力に対応するために、電力システムの高電圧化が求められている。そこで自動車メーカー各社が抜本的解決として推し進めているのが、車載給電システムの48V化だ。
ただし、「数々の問題を解消する48V化ですが、確実に対処しておくべき別の技術的課題が浮上してきます。車載システムで発生するノイズの影響が増大するため、これを最小限に抑える『EMC（電磁両立性）』対策に新たな手段が求められることです」と日清紡マイクロデバイスの梶谷繁樹氏は言う。
EMC対策は、自動運転車などの安全な走行を担保し、SDVにおける高い利便性と快適性を実現するための大前提である。日清紡マイクロデバイスは、チップレベルで抜本的なEMC対策を施した、高い基本性能と業界最高水準のEMC対策を両立させた電源ICやアナログICの開発・供給を進めている。
外付け部品不要で
低電力・高耐性を両立
日清紡マイクロデバイス
車載ASSPプロジェクトチーム
プロジェクトマネージャー
梶谷 繁樹氏
クルマに搭載される多様な車載システムでは、それぞれスイッチング電源であるDC-DC変換器によって給電電力を半導体駆動電圧（3Vや5Vなど）に降圧し、電子回路を駆動する。
給電システムが48V化すれば、降圧幅は広がり、スイッチング時に発生する高周波ノイズの強度が増大。周辺回路に伝播しやすく、悪影響がおよびやすくなる。加えて、車両内には電子制御・ソフトウエア制御する機能が年々増加しており、誤動作や通信障害を引き起こすリスクは高まる一方だ。
「車載システムの安全性・信頼性の確保には、48V化に見合った適切なノイズ対策が必要条件です。ノイズに耐える工夫（イミュニティ）とノイズ発生そのものを最小限に抑える工夫（エミッション）の両面が欠かせません。近年、高度な電子回路が数多く車両に搭載されるようになり、とりわけ回路を駆動する電力を安定供給する役割を担う電源にはより高い信頼性が求められるため、抜本的EMC対策が求められています」（梶谷氏）
これまでのEMC対策は、機能を実現する電子回路に 対策部品を別途付加する必要があった。ところが、ノイズの発生や回路の誤動作などは、複合的要因が絡み合って起きるのが一般的。何らかの課題・不安要素が残ってしまうことが多かった。
日清紡マイクロデバイスでは、ECUや車載システムに定電圧電源を安定供給するための電源IC、LDO（Low Drop Out）リニアレギュレータにおいて、外付け対策部品不要の48V対応のノイズイミュニティ対策を施した製品を、先駆けて開発・投入した。
「当社は12V対応製品においても、独自回路技術の投入で外付け対策部品不要で150kHz～1GHzと広範囲での高いノイズ耐性を実現し、なおかつ消費電力が低いLDOの製品を供給してきました。48V対応製品においても、培ってきた強みを継承しています」と同社の高橋恵輔氏は言う。
（図左上）12V対応製品での同社製品（赤丸「R1525」「R1526」「R1540」）と他社製品（灰丸）の特性。（図左下）48V対応製品「R1560」「R1561」の特性。（図右）48V対応製品と12V対応製品のノイズイミュニティ特性比較。灰色の線は他社製品。
電源回路でのノイズによる誤動作は、ICのパッケージやチップ内部のパワー素子およびESD素子などの寄生成分によって共振ノイズが発生し、それがIC内部を伝搬することで引き起こされる。同社の車載用LDOでは、チップ内部の回路構成・レイアウトなどを徹底改善することで、共振ノイズが伝搬しない根治的対策を導入。誤動作の発生を最小化している。
一般に、低消費電力と高ノイズ耐性を高レベルで両立させることは困難だ。電源回路では状況に応じて電圧など電力の仕様を変換することで安定供給しているが、この機能自体で大きな電力を消費したのでは、電源としての価値が損なわれてしまう。同社のLDOでは、40年以上にわたり民生用モバイル機器向け技術で培った低消費電力化技術をノイズイミュニティ対策にも応用し、ノイズ耐性と低消費電流の両立を実現する。
AM・FM帯での
ノイズレベル増大を抑制
日清紡マイクロデバイス
営業本部 企画営業部
ＥＭ企画営業課 課長
高橋 恵輔氏
一方、ノイズエミッションでも、同社は48V対応の対策を施した製品を開発・投入している。「48Vシステムのノイズエミッション対策として、特に重要視されるのが、AM帯やFM帯周波数のノイズ発生の最小化です」と高橋氏は話す。
同社では、EVのインバータの動作や充電制御などに適用するコントロールユニットの定電圧源で利用される48V対応の車載・産業機器向け同期整流型の降圧DC-DCコントローラ「R1260」に高レベルなノイズエミッション対策を施した。R1260は、48Vバッテリの出力を、マイコンやSoC、センサーなどに直接給電できる電源用コントローラである。入力最大電圧60V、最大定格80Vと高い電圧を、1～16Vの範囲内へと高効率に直接変換し、安定的に出力できる特徴を持つ。
この製品では、周辺部品選定や部品配置、基板レイアウトを工夫することで、車載受信機の保護に向けた限度値および測定法に関する規格のCISPR25に基づくEMI伝導エミッション評価において、AM帯とFM帯共に最も高レベルなClass 5を実現している。ノイズ対策の負担を軽減して、設計時の実装自由度や信頼性を高めることが可能な製品である。
さらに同社は、製品の供給を最低10年維持する「長期供給プログラム」を運用しており、安心して応用機器の長期生産計画を立てることが可能だ。設計段階からのFAE支援、EMC測定支援体制も整備しており、応用機器開発時の技術支援も行う。今後は対策部品の取り込みに注力し、ノイズ対策を完結させたICまたはモジュールの提供を推し進めていく見通しだ。
「ノイズの原因や対策がわからない」という悩みを抱える機器開発者は少なくないだろう。日清紡マイクロデバイスは、長年培ったアナログ半導体技術の粋を注いで車載システムの未来を支えていく。
電話番号：81-3-5642-8222
https://www.nisshinbo-microdevices.co.jp/
