新エネルギー車産業の急速な発展により、各産業チェーンが爆発的に成長し、自動車の知能化・自律走行が新エネルギー車両の最も重要なコア競争力となる方向に進んでおり、高統合型セントラルブレインおよびドメインコントローラーに新たな課題と機会をもたらしています。特にDC-DCスイッチング電源の信頼性、高出力密度、スイッチング電源EMC（電磁両立性）、高効率、コストパフォーマンスにおいて新たな機会と挑戦が生じています。
インテリジェントなコクピットドメインコントローラのサプライヤーとして、SA8155およびSA8295は重要な位置を占めています。センタードメイン制御SOCレベル1電源（バッテリ入力から変換されたレベル1電源）の過渡電流、安定動作電流、スタンバイ動作効率、コストにおいて、スイッチング電源のEMC設計に関する矛盾がBUCK電源設計における巨大な課題となっています。これらの矛盾をいかに解決しバランスを取るかという点が、スイッチング電源アーキテクチャ、電源チップ、インダクタ、Mosfet、コンデンサなどの技術的方向性です。
本論文では、大規模な動的スイッチング電源電流（100〜300％）を必要とする自動車用センタルドメイン制御レベル1の電源設計を例に、DC-DCスイッチング電源設計について説明しています。具体的には、電源方式、インダクタ、コンデンサ選定など設計方法を含み、小型化、コスト、効率性、性能といった課題を考慮した実用的な設計の検討を行います。
本論文では、Qualcomm SA8295ドメインコントローラを例として、1段式BUCKスイッチング電源の実際の設計について探求・実装しています。
この記事シリーズは今後3つのシリーズを含みます（将来更新予定）：
01- Qualcommオートモーティブドメインコントローラ レベル1電源設計の解読：電源設計と計算 （この章）
02- Qualcommの自動車用ドメインコントローラーレベル1電源設計の謎を解く：回路図設計およびPCB設計
03- Qualcommオートモーティブドメインコントローラーレベル1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 トランジェント電流要件
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。
セントラルブレイン（コックピットドメインコントローラー）全体の全車電流予算は7〜10mA（13.5V）、4G/5Gモジュール単体で4〜5mA、Qualcomm SA8295電流は13.5Vで3mA（40mW）以内。
1.3 三つの課題
1.3.1 QualcommドメインコントロールSA8295スイッチング電源電流出力の課題1:
大過渡電流、3.3V、18アンプ（0.1ms）、DC-DCスイッチング電源の定常状態出力にすでに長周期に属しており、18アンプの定格出力設計に基づいて降圧電源を設計する必要があります。
1.3.2 Qualcommドメイン制御SA8295スイッチング電源における高電流ダイナミック課題2：
SA8295ドメイン制御の定常動作電流は5〜9アンプであり、これによりスイッチング電源インダクタンス（インダクタンスと電流容量は逆比例関係）が選定され、定格動作電流に対して300％以上の差異が生じるため、体積、コスト、周波数において大きな矛盾が発生します。
1.3.3 Qualcommドメイン制御SA8295スイッチング電源におけるマイクロパワー効率課題3：
待機消費電力において、13.5V 3mAの消費効率70％が必要であり、これは電源コントローラーアーキテクチャにおいてインダクタンス選定設計にも非常に大きな課題があります。
この設計は、最も複雑なSA8295ワンレベルドッキング電源の設計に基づき、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課題を探求しています。
2- 選定プログラムの比較
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電源設計仕様要件
2.2 プログラム設計および技術情報
MPQ2918、MPQ2930、LM25141-Q1、MAX20098、LTC7803、およびLM25149-Q1は設計要件を満たしています。本設計では、このセンターブレインドメインコントローラーの一次電源設計方式としてLM25149-Q1が選定されています。
2.2.1 LM25149-Q1公式アドレス：
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データシート:
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: シンクロナスBUCK電源設計計算式
3.4 最小インダクタンス計算
（計算式は表5を参照）
表6: 最小インダクタンスの計算グラフ（∆I=0.3）
表7：最小インダクタンス計算
3.4.1 インダクタンス計算データの概要：
① 設計範囲が6〜20A（AI=0.3 計算）をカバーする場合、16V入力、6A出力、インダクタンス ≥ 0.69μH。
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 実際の設計選定とインダクタンス誤差±20%を考慮し、0.82μHおよび1.0μHを最適な設計として選定（インダクタンス値が増加すると、インダクタンス体積が増加し、コストが増加し、SRFが低下する）。
3.5 インダクタ電流計算
（式：表5の表1および表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
3.5.1 理論的に計算されたインダクタ飽和電流 ≥ 20.76A、小数点以下切り上げて21A：
表10: インダクタンス指標
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 スイッチング電源インダクタ電流検出抵抗計算
表12: インダクタ電流検出抵抗の理論計算
表13: インダクティブ検出抵抗の選定
4.2 同期式BUCKスイッチング電源 出力容量計算
(出力容量の計算: 表5の数式を参照してください)
表14: 同期式 BUCK スイッチング電源 出力容量計算
同期式BUCKスイッチング電源設計において、入力および出力フィルタコンデンサの性能、体積、コストには矛盾が存在し、容量仕様指標のテストは特定条件下で完了します。テスト工程における計測器の違いにより、同一指標であっても10〜50％の差が出る可能性があります。最終的な設計性能は、科学的な実践と試験のデバッグ工程で検証する必要があります（最適な設計解は存在せず、シナリオに合った選択肢を選ぶだけです）。
スイッチングコンデンサは以下の条件を満たす必要があります： 容量 ≥ 320uF（過剰電圧要求）、セラミックコンデンサ容量は2.435uF以上（主要条件ではありませんが、満たすことができればよい）
表15: スイッチング電源出力フィルタコンデンサ向け推奨モデル選定
表16: スイッチング電源出力フィルタコンデンサ設計
4.3 LM25149 電源入力容量計算
4.3.1 入力容量計算
表17: スイッチング電源入力フィルタ容量計算
表18: スイッチング電源出力フィルタ選定
4.4 LM25149 モスフェット選定計算
4.4.1 モスフェット計算
LM25149のデータシートには多くの計算や選定計算は記載されておらず、経験則に基づく逆算によりQGの計算および選定を行います。計算結果により4.5-5.0V Vgs、≤22nC を選定します。計算プロセスについては以下の表を参照してください。ミラー平坦部は2-3Vで選定（3Vに近い値でも可）、Rdsonは≤8mΩを選定します。
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
過剰に分析せずに、仕様を参照してください。
5- 設計概要
5.1 LM25149BUCK電源設計選定概要
表22: 設計および選定
5.2 プログラム概要
同期式スイッチング電源の性能および効率には多くの要因が影響します。性能および指標に関しては実際の要素を考慮する必要があります。この章では理論的な計算および実際の設計に対する理論的ガイドラインを使用します。設計された性能および指標は部品の性能、使用条件、レイアウトなどと密接に関係しており、厳密な試験および検証が必要です。
高域コントローラー用の同期式降圧電源設計は、コントローラー設計技術における難しい技術分野であり、性能・体積・コストのバランスを取る必要があります。コダック カーフォーカス社はインダクターの独自研究開発および設計に注力しており、CSEB0660-1R0M は高域プラットフォームの開発および応用に適しており、高いコストパフォーマンス、強力な飽和電流耐性、発熱が少ないなどの技術的利点を持ち、業界トップクラスの高出力対体積比を実現しています。コダック カーフォーカス社は技術開発および技術革新に注力し、インダクター業界向けに優れた製品を開発し、電子機器製品の開発および応用を支援しています。
EN