新エネルギー自動車産業の急速な発展は、さまざまな産業チェーンにわたって爆発的な成長を牽引しています。車両の知能化と自動運転は、新エネルギー車において最も重要な競争優位性となる分野となり、高密度で高度に統合された中央制御ユニットやドメインコントローラーに対して、信頼性、高出力密度、スイッチ電源のEMC、高効率、および高いコストパフォーマンスといった新たな課題と機会をもたらしています。
Qualcommはインテリジェントコクピットドメインコントローラーのサプライヤーとして、SA8155およびSA8295で重要な地位を占めています。中央ドメインコントローラーSOC主電源（バッテリー入力から一次変換への電源）における過渡電流、定常動作電流、待機電力効率、コスト、スイッチング電源（SMPS）のEMC設計の間には、矛盾が生じやすく、これがBUCK電源回路設計における大きな課題となっています。これらの矛盾をどのように解決し、バランスを取るかが、スイッチング電源アーキテクチャ、電源用チップ、インダクタ、MOSFET、コンデンサが協調して働く技術的方向性となります。
本記事では、自動車用途における中央ドメインコントローラの主電源設計と、大きな動的スイッチング電源電流（100〜300％）を組み合わせることで、DC-DCスイッチング電源の設計、電源ソリューション、インダクタおよびコンデンサの選定方法について探求しています。また、実用的な設計の検討と実装に加え、サイズ、コスト、効率、性能における課題にも対処しています。
本記事では、QualcommのSA8295ドメインコントローラを例に取り、主BUCKスイッチング電源の実用設計について探求および実装します。
この一連の記事は3つのパートから構成されています（継続的に更新予定）：
01- Qualcomm自動車用ドメインコントローラ第1段階電源設計の解説：電源設計と計算 （この章）
02- Qualcomm自動車用ドメインコントローラーの一次電源設計を解説：回路図設計とPCB設計
03- Qualcomm自動車用ドメインコントローラ第1レベル電源設計の解読：性能試験測定分析
1- 設計目標と課題
1.1 SA8295の過渡電流要件
表1：SA8295電源設計要件
1.2 SA8295 スタンバイ電流要件
Qualcomm SOC 3.3V 電源スタンバイ消費電力は4〜7.5mA以内（メモリセルフリフレッシュ消費電力を含む）。スタンバイからのウェイクアップに対応。
中央脳（キャビンドメインコントローラー）の車両全体の電流予算は7〜10mA（13.5V）であり、4G/5Gモジュール単体で4〜5mAを消費する。Qualcomm SA8295は13.5Vで3mA（40mW）以下。
1.3 三つの課題
1.3.1 チャレンジ1：QualcommドメインコントローラーSA8295のスイッチング電源電流出力
大規模な過渡電流、3.3V、18アンペア（0.1ms）。0.1msはDC-DCスイッチング電源にとってすでに長い期間の定常状態出力であり、降圧電源が安定して18アンペア出力できるように設計される必要がある。
1.3.2 チャレンジ2：高品質ドメインコントローラーSA8295スイッチング電源の動的特性
SA8295ドメインコントローラーの定常動作電流は5〜9アンペアであり、これによりスイッチング電源のインダクタンスにおいて、体積、コスト、周波数の面で定格電流に対するインダクタンス（インダクタンスは定格電流に反比例）の差異が300％以上となり、大きな課題が生じる。
1.3.3 チャレンジ3：高品質ドメインコントローラーSA8295スイッチング電源のマイクロ電力効率
13.5V 3mAで効率が70%というスタンバイ電力消費は、電源コントローラアーキテクチャおよびインダクタ選定設計にとって大きな課題です。
本設計は、最大SA8295主バッキング電源設計の課題に基づき、スイッチング電源およびDC-DC技術ソリューションの核心的難点を探求しています。
2- ソリューション選定比較
2.1 Qualcomm SA8295ドメインコントロール電源技術仕様
表2に示すように：
表2：Qualcomm SA8295 電源設計技術仕様要件
2.2 設計方案および技術資料
MPQ2918、MPQ2930、LM25141-Q1、MAX20098、LTC7803、LM25149-Q1などはすべて設計要件を満たします。本設計では、LM25149-Q1を本プロジェクトの中央脳域コントローラ主電源設計方案として採用しています。
2.2.1 公式LM25149-Q1アドレス：
https://www.ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1?keyMatch=LM25149-Q1
表3：LM25149-Q1 設計参考資料
2.2.2 LM25149-Q1 規格書：
LM25149-Q1 42-V 自動車用同期式降圧DC/DCコントローラー 超低消費電流と統合型アクティブEMIフィルター搭載 データシート (Rev. B)
2.2.3 LM25149-Q1 開発ボード:
LM25149-Q1 EVM ユーザーガイド (Rev. A) (ti.com.cn)
2.2.4 アクティブフィルターの安定性と性能:
アクティブEMIフィルターの安定性と性能を確保する方法 (ti.com.cn)
2.2.5 LM5149-LM25149 設計ツール :
LM5149-LM25149DESIGN-CALC 計算ツール | TI.com
3- 同期式降圧電源回路設計および計算
3.1 LM25149の主な仕様と設計パラメーター
表4：Qualcomm SA8295 電源設計技術仕様要件
効率
アクティブEMIフィルター
EMI試験
リファレンスデザイン回路図
リファレンスデザインソリューション評価ボード
3.2 LM25149 シンクロナスBUCKインダクタ選定計算
3.2.1 シンクロナスBUCK方式電源計算式:
表5：同期式BUCK電源設計計算式
3.3 最小インダクタンスの計算
（計算式は表5を参照）
表6：最小インダクタンス計算用曲線図 (∆I=0.3)
表7：最小インダクタンス計算
3.3.1 インダクタンス計算データのまとめ：
① 設計が6-20Aの範囲（AI=0.3で計算）をカバーする場合、16V入力、6A出力において、インダクタンスは≥0.69μHであるべきです。
② スイッチング電源インダクタンスLminの理論的計算： ≥ 0.69μH（理論値）；
③ 実際の設計選定およびインダクタの許容誤差±20%を考慮し、0.82μHおよび1.0μHを最適な設計とする（インダクタンス値を増加させると、インダクタのサイズおよびコストが増加し、SRFが低下します）。
3.4 インダクタ電流の計算
（式：表5の項目1および2を参照）
表8：0.82μH インダクタ電流計算
表9：1.0μH インダクタ電流計算
3.4.1 理論計算によるインダクタンスの飽和電流 ≥ 20.76A、丸めると21A：
表10：インダクタの仕様
4- スイッチング電源用インダクタの選定
表11: インダクタ選定
4.1 LM25149向けスイッチング電源の電流検出抵抗の計算
表12：電流検出抵抗の理論計算
表13：電流検出抵抗の選定
4.2 同期整流BUCKスイッチング電源の出力コンデンサの計算
（出力コンデンサの計算：表5の式を参照）
表14：同期整流BUCKスイッチング電源の出力コンデンサの計算
同期整流降圧スイッチング電源の設計において、入出力フィルタコンデンサの性能、サイズ、コストの間にはトレードオフが存在します。コンデンサの仕様試験は特定の条件下で実施されますが、試験中の測定器の差異により、同一仕様でも10～50％の誤差が生じる可能性があります。最終的な設計性能は、デバッグプロセスを通じた科学的な検証と試験によって確認する必要があります（最適解は一つではなく、特定の用途に適した方式を選択することが重要です）。
スイッチ用コンデンサは以下の条件を満たす必要があります：容量 ≥ 320μF（オーバーシュート要件）、セラミックコンデンサの容量は2.435μF以上（主要な条件ではないが、要件を満たせば可）。
表15：スイッチング電源用出力フィルタコンデンサモデルの推奨選定
表16：スイッチング電源用出力フィルタコンデンサの設計
4.3 LM25149電源装置用入力コンデンサの計算
4.3.1 入力容量計算
表17：スイッチング電源用入力フィルタコンデンサの計算
表18：スイッチング電源用出力フィルタの選定
4.4 LM25149 モスフェット選定計算
4.4.1 MOSFET 計算
LM25149のデータシートには多くの計算や選定計算が記載されていません。QGの計算および選定は経験則による推定値と逆算に基づいています。計算結果から、Vgsは4.5～5.0V、≤22nCであることが示されています。計算手順は以下の表に示す通りです。ミラー・プラットフォームは2～3V（3Vに近い値でも可）とし、Rdsonは≤8mΩとします。
表19: モスフェット選定および計算
4.5 モスフェット選定推奨事項
表20: モスフェット選定モデル
4.6 LM25149 FBおよび補償計算
表21: FBおよび補償計算
4.7 LM25149 EMC設計計算
あまり詳細な分析を行わず、仕様書を参照してください。
5- 設計概要
5.1 LM25149 BUCK電源設計および部品選定のまとめ
表22: 設計および選定
5.2 解決策のまとめ
同期式スイッチング電源の性能と効率は、多くの要因によって影響を受けます。性能および仕様は実用上の要因を考慮に入れる必要があります。この章では理論計算を行い、実際の設計に対する理論的指針を提供することを目的としています。設計の性能および仕様は、部品の性能、使用条件、配置などと密接に関連しており、厳密な試験および検証が必要です。
Qualcommドメインコントローラー向けの同期式バック電源設計は、パフォーマンス、サイズ、コストのバランスを取る必要があるため、コントローラー設計における難しい分野です。CODACAは、電力用インダクタおよび共通モードチョークの独自の研究開発と設計に注力しています。CSEB0660-1R0MはQualcommプラットフォームの開発およびアプリケーションに適しており、高いコストパフォーマンス、優れた飽和電流耐性、低発熱、業界トップクラスの高出力対体積比を実現しています。CODACAは技術的な研究開発と革新に取り組み、インダクタ業界に優れた製品を提供し、電子製品の開発と応用に貢献することを目指しています。
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