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・自動運転技術は新エネルギー車両分野における最も重要なコア競争力となっており、高集積のセントラルブラ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、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まれています。
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は重要な地位を占めています。中央ドメイン制御SOCレベル1電源（バッテリー入力レベルから変換された電源レベル1）における過渡電流、定常動作電流、スタンバイ動作効率、コスト、およびスイッチング電源EMC設計の矛盾は、BUCK電源設計において大き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させるかが、スイッチング電源アーキテクチャ、電源IC、インダクタ、Mosfet、コンデンサの各メーカーが技術面で協力して取り組むべき方向です。
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ードメイン制御レベル1電源設計において、DC-DCスイッチング電源の設計方法について検討します。具体的には、電源方式、インダクタ、コンデンサの選定など、体積・コスト・効率・性能といった課題を考慮しつつ、現実的な設計の導入についても探求します。
Qualcomm SA8295ドメインコントローラを例に、本章ではプライマリBUCKスイッチング電源の現実的な設計について議論および実装します。
本章では、BUCKスイッチング電源理論と計算を詳細に解説したシリーズ第1部の内容を深く理解した上で、LM25149に基づいた詳細なBUCK電源設計へと進みます。
本記事シリーズは、3つの連載から構成されます（今後も継続的に更新予定）：
01. クアルコム自動車用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（公開済み）
02-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：回路図設計およびPCB設計 (この章 )
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：パフォーマンステスト測定分析（近日公開予定）
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
注記： 最新のSA8295設計では、21A（1 NPU）および24A（2 NPU）が要求されますが、本設計は（30A過電流保護）これに対応可能です
1.2 設計目標
本設計では LM25149を使用してドメインコントローラーの主電源を設計 , 瞬間電流24A (100µs) までサポート可能で、定常状態の動作要件である10A以上を満たしており、サイズ、コスト、性能の間でバランスの取れた設計を実現しています。
注記： 瞬間電流は熱的な問題にはなりません（Qualcomm SA8295の場合、瞬間電流は僅か100µs間のみ）。しかし、大きな定常電流により温度上昇が大きくなる可能性があるため、熱性能への影響を評価する必要があります（設計案は実際の環境条件に基づいて選定すべきです）。
2- 回路図およびPCB設計
2.1 コア部品の選定
ドメインコントローラーにおけるスイッチング電源部品の選定基準：性能を優先しつつコストを考慮し、PCB面積を縮小することを検討します。また、BUCKスイッチング電源に伴うEMC問題や電流ループの問題についても考慮し、一般的なBUCKスイッチング電源の設計理論および規則に従い、一般的な設計手法を参照することが可能です。
電子部品の選定と計算の詳細については第1章を参照してください（Qualcomm Automotive Domain Controller Level 1電源設計の解説：電源設計および計算）
本設計ではオプション2（C1210パッケージに8個の47μFセラミックコンデンサを使用）を選定しています。この選定に限定されるものではなく、製品設計は車種の実情に基づいて調整可能であり、実際のテスト結果に基づいた設計最適化が可能です。
表2: BUCK電源 - 方案設計
2.1.1 BUCK電源 - MOSFET選定
表3: BUCK電源 - MOSFET選定
2.1.2 BUCK電源 - インダクタ選定
インダクタ選定で使用する型番：VSEB0660-1R0MV
表4: インダクタ選定
2.1.3 BUCK電源 - 出力フィルタコンデンサ選定
表5: BUCK電源 - 出力フィルタコンデンサ選定
2.1.4 ブッキング電源 - 入力フィルタコンデンサの選定
表6: ブッキング電源 - 入力フィルタコンデンサの選定
2.2 回路図およびPCB設計ツールの設計
2.2.1 回路図およびPCB設計：Caritron EDA（ https://lceda.cn/)
図1 Caritron EDAの紹介
Jialitron EDAは、主要な無料EDA開発ツールであり、パワフルで効率的な開発が可能です。この設計では、Jialitron EDAを使用して回路図およびPCBを設計します。
2.3 ブッキング電源 - 回路設計
2.3.1 ブッキング電源 - 回路設計
回路設計はLM25149-Q1データシートおよび公式開発基板を参考にし、設計はブック式スイッチング電源の基本理論および高域コントローラーの一次電源設計要件に準拠しています。
図2 LM25149回路図
2.3.2 ブック電源回路 - 回路設計に焦点を当てた技術
入力ポートEMC回路：
技術ポイント：
① L1の主な役割は、スイッチング電源の伝導放射ノイズが入力電源に与える影響を抑えることである。スイッチング周波数は2.2MHzであり、L1とC23で構成されるLCフィルタ回路（C16は低周波域（500kHz以下）用の電解コンデンサ）により、2.2MHz帯域のノイズを60dB低減する。
② C21はスイッチングノイズ（電源トランジスタの立ち上がりおよび立ち下がり時のリンギング）を低減し、特に10〜100MHz帯域のEMCノイズを主に抑制する。
③ C21、C23が電源保護前段にある場合、フリップ端子コンデンサタイプを選定する必要がある。保護回路が存在する場合は、車載規格対応のコンデンサを選択可能である。また、2つのコンデンサを直列に配置して直交レイアウトを採用することで、同様の保護機構を実現することもできる。
パワーMOSFETおよびLM25149の入力容量・デカップリング容量は同じ要件を持つが、この設計は性能検証のために使用されない。単一セラミックコンデンサのみを使用する場合は、製品レベルの設計において自動車用グレードの設計要件に従うこと。
注記： LM25419のアクティブEMC除去機能およびダブルランダムスプレッドスペクトル技術は、EMC振幅をある程度まで低減するには効果があるものの、EMCそのものを完全に除去することはできない。スイッチング周波数が2.2MHzで関連するエネルギー、大電流（≥10A）以上の用途では規格超過のリスクがあるため、実際のデバッグに基づいて対応すること。C23を取り外しても伝導放射試験がパスできる場合は、C23を省略することでコストを削減可能である。
BUCK電源入力コンデンサ:
① BUCK電源入力コンデンサであるC2、C3はスイッチング電源のEMC性能において重要です。10μFのコンデンサ選定では2MHz近辺のインピーダンスが5mΩ以下となるようにします。参考として、CGA4J1X8L1A106K125ACおよびCGA6P1X7S1A476M250ACは良好な技術仕様を持ちます。コンデンサの選定にはX7R特性、耐圧35V/50V、外形サイズC1210およびC1206が使用可能です。本設計ではC1210外形サイズを選定しており、複数のモデルで性能を検証できます。
② 高周波スイッチングによるEMC対策用コンデンサであるC4には50V X7R特性のコンデンサを使用し、C0402外形サイズでも構いません。
C2、C3、C4の配置においては電流ループに注意が必要です（レイアウト詳細参照）。BUCK電源入力コンデンサの基本的な要件および設計理論に合致しており、BUCK方式スイッチング電源理論を学ぶことで入力コンデンサに関する理解を深めることができます。
③ TP7、TP9、TP13はスイッチTG、BGおよびSW信号のテストに使用され、デッドタイムの適正、リング性能、およびMOSFETの立ち上がりおよび立ち下がり特性を評価するために用いられ、スイッチング電源における重要な電気的性能指標です。
GNDのTPテストポイントはオシロスコープ測定時のGNDループを低減し、測定精度を向上させるために使用され、関連するテスト信号のテストポイントにできるだけ近いレイアウト配置が必要です。
MOSFETゲート駆動抵抗：
① R1およびR2はMOSFETゲート駆動抵抗であり、パワーMOSFETの立ち上がりおよび立ち下がり特性に重要な影響を与えます。
② R1、R2の選定はBUCK電源コントローラ出力電流（コントローラ（プルアップおよびプルダウン抵抗）、電源MOSFETゲートインピーダンスおよび充電特性（入力容量CISS)）などの総合的な要因によって影響を受けます。初期設計においては、全体の抵抗値の合計が10Ω以下となるように選定する必要がありますが、充電特性にも依存するため、最終的には微調整が必要であり、適切な抵抗値を選定する必要があります。
③ R1およびR2はスイッチングノイズEMCにおいて最も重要なパラメータでもあり、同時にコア回路のスイッチング損失に影響を与える要因です。実際の応用においては効率（MOSFET発熱）とEMCの矛盾をバランスさせ、均衡点を達成する必要があります。
注記： スイッチング特性およびデッドタイムをテストするための6ヶ所のテストポイントがあります。
出力電力ループ：
① インダクタンス選定：インダクタンスの選定には主に2つの考慮事項があります：
-過渡動作電流：最大21（24）Aの過渡出力電流を100μs間出力可能；
-定格動作電流：10A、10Aの電流で安定して動作可能（周囲温度85°の条件を含む）；
-過渡動作電流の継続時間 ≤ 100μs、起動段階でのみ発生し、インダクタが磁気飽和しない条件を満たせば仕様要件を満たすことができる（電流インダクタンス値を満たすこと）；
② サンプリング抵抗選定：R1206パッケージのサンプリング抵抗を選定、熱放電量 ≥ 0.5W；
③ コンデンサの選定：参考：第1部 出力フィルタ容量の章；
フィードバック回路：
LM25149は固定出力構成およびフィードバック出力構成があり、詳細についてはデータシートを参照してください；
① VDDAに接続されたR14l、出力3.3V
② R14=24.9K、出力5.0V
③ R14=49.9K、出力12.0V
R14を空実装し、R9およびR10で出力電圧を設定；
R19および予約されたTP3、TP4：テスト用（位相余裕、交差周波数など）
注記： TP3およびTP4は、テスト（位相余裕、交差周波数など）に使用されます
機能設定：
① EN：イネーブル信号、≥1.0Vで電源がオンになり、精密な低電圧保護に使用可能
② Sync-PG：同期出力またはPower Good。本設計ではPower Goodとして使用
③ PFM/SYNC
-デフォルト（NC）ジャンパ：ダイオードアナログ、小電流出力、高効率で動作可能
-GNDにジャンパを短絡させると、CCMモードに強制切替
④ チップ動作モード設定：全部で5種類の動作モード（仕様書参照）
2.4 BUCK電源－PCB設計
2.4.1 バック電源-PCB設計
① -TOP
② -GND
③ -Signal
④ -Bottom
2.4.2 バック電源-PCB設計技術の重点
入出力コンデンサループ:
① バック電源の入力コンデンサおよび出力コンデンサは、EMC（電磁両立性）に重要な影響を与える最小ループを維持する必要があります。
② C4は主にスイッチング時の立ち上がりおよび立ち下がりエッジのリングノイズを吸収するために使用されます。
MOSFETとインダクタループ:
① 2in1 MOSFETを使用すると、レイアウト面積を削減しコストを低減できますが、欠点としては、レイアウトSWが最小ループを維持できないことです。
② 2in1 MOSFETのSWポイントは同一層でのPCB配線が実現できず、電流経路の連続性を確保するために層を変更して平面を配置する必要があります。
電流サンプリング：
① 電流サンプリングには基準GND平面との差動配線が必要です。
② インピーダンス制御および等長制御は不要であり、配線はレイアウト上の最小間隔を維持します。
FB フィードバック：
抵抗などの部品はコントロールチップのピンに近接配置してください。
放熱とGND：
発熱デバイス：MOSFET、インダクタ、サンプリング抵抗などについては、適切に平面領域を広げて放熱を行い、GNDへのビアを増やすことで全体の放熱条件を改善できます。
3- ドメイン制御レベル1 BUCK電源設計 - まとめ
3.1 3D図面
3D図-1
3D図-2
3.2 設計概要
① スイッチング電源設計は4層設計を採用し、PCB厚みは1.6mmでサイズは30×65mmである。
② 出力電流はクアルコムSA8295最大24Aの過渡電流に適合し、定常状態で10A以上の出力能力をサポートする。
4- 概要 コダカ エレクトロニクス
コダカ インダクタの独自開発・設計・製造に注力しており、VSEB0660-1R0Mはクアルコムプラットフォームの開発および応用に適している。高コストパフォーマンス、高飽和電流耐性、発熱が少なく、業界トップクラスの高出力密度比などの技術的優位性を持つ。 コダカ インダクタ産業における技術研究開発、技術革新、優れた製品の研究開発に注力し、電子製品の開発と応用を支援することを目的としている。
5- テストと検証
今後のテスト検証については、以下の資料を参照してください：03-Qualcommの自動車用ドメインコントローラー第1レベル電源設計の解読：性能テスト測定分析（近日公開予定）
[参考]
1.LM25149-Q1：ti.com.cn/product/cn/LM25149-Q1
2.BUK9K6R2-40E： https://www.nexperia.cn/product/BUK9K6R2-40E
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