新エネルギー自動車産業の急速な発展により、さまざまな産業チェーンが爆発的に成長しており、自動車の知能化および自動運転は、新エネルギー自動車における最も重要なコア競争力の方向性となっています。これにより、高度に統合された中央制御装置（セントラルブレイン）およびドメインコントローラーには新たな課題と機会がもたらされており、特にDC-DCスイッチング電源における信頼性、高出力密度、EMC、高効率性、コストパフォーマンスに対して高い要求が求められています。
知能化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は重要な位置を占めており、中央ドメイン制御SOCの一次電源（バッテリー入力から変換される主電源）における過渡電流、定常運転電流、待機効率、コスト、スイッチング電源EMC設計の間の矛盾は、BUCK電源設計にとって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IC、インダクタ、MOSFET、コンデンサメーカー各社が共同で取り組む技術的課題です。
本論文では、大規模な動的スイッチング電源（100〜300％）の中央ドメイン制御用主電源設計におけるDC-DCスイッチング電源の設計について、電源方式、インダクタ、コンデンサの選定その他の設計手法を含めて検討しており、サイズ、コスト、効率および性能上の課題を考慮しています。
本章では、Qualcomm SA8295ドメインコントローラを例に取り、1段目のBUCKスイッチング電源の実用設計について議論および実装します。
この章では、第1シリーズ（詳細なBUCKスイッチング電源の理論と計算）を読み、LM25149に基づいてBUCK電源を詳細に設計する必要があります。
この一連の記事は3つのシリーズから構成されています（継続的に更新中）：
01-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：電源設計と計算
02-Qualcomm自動車用ドメインコントローラ1段目電源設計の解説：回路図設計およびPCB設計（本章）
03-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：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
注意: 最新のSA8295設計要件は21A（1 NPU）および24A（2 NPUs）であり、この設計は（30Aの過電流保護）をカバーできます
1.2 設計の目的
この設計では LM25149設計ドメインコントローラ一次電源 を使用しており、24A（100μs）の過渡電流要件を満たし、10A以上の定常運転動作条件にも対応できるため、体積、コスト、性能の包括的なバランスを実現できます。
注意: 過渡電流では発熱問題は発生しません（Qualcomm SA8295の場合、過渡電流は100μsのみ）。定常状態の大電流では温度上昇が増加する可能性があり、その影響は実測する必要があります（設計案は実際の環境条件に応じて選択されます）。
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の主電源スイッチング電源部品を選定する際の基準：性能を最優先とし、コストを考慮しつつPCB面積を削減すること。BUCKスイッチング電源のEMC問題および電流ループ問題を考慮し、一般的なBUCKスイッチング電源の設計理論および規則に準拠しており、一般的な設計手法を参照できる。
電子部品の選定および計算の詳細については、第1章（ 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：電源設計と計算 )
本設計におけるオプション2（47μF、C1210パッケージのセラミックコンデンサを8個使用）。この選定に限定されるものではなく、実際の状況に応じて製品設計を調整でき、実際の試験結果に基づいて設計の最適化を行うことができる。
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
インダクタの選定はモデル：VSEB0660-1R0MVを採用
表4: インダクタ選定
2.1.3 BUCK電源用出力フィルタコンデンサの選定
表5：BUCK電源用出力フィルタコンデンサの選定
2.1.4 BUCK電源 - 入力フィルタコンデンサの選定
表6: BUCK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：JLC Technology EDA（ https://lceda.cn/)
図1 Caritron EDAの紹介
JLC Technology EDAは中国で最も利用されている無料EDA開発ツールであり、強力な機能と高い開発効率を備えています。本設計では、JLC Technology EDAを使用して回路図およびPCBを設計しています。
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
回路原理設計はLM25149-Q1の仕様書および公式評価ボードを参照しており、BUCKスイッチング電源の基本理論および高帯域ドメインコントローラの主電源設計要件を満たしています。
図2 LM25149の回路図
2.3.2 BUCK電源 - 回路設計における主要技術
入力EMC回路：
技術的ポイント：
① L1の主な機能は、スイッチング電源による入力電源への伝導性雑音の影響を低減することです。スイッチング電源のスイッチング周波数は2.2MHzであり、L1とC23はLCフィルタ回路を構成しています（C16は電解コンデンサで、主に500kHz以下の低周波用）。これにより、2.2MHzのノイズを60dB低減します。
② C21はスイッチングノイズ（パワートランジスタの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジでのリンギング）を低減し、特に10〜100MHz帯のEMCノイズを主に抑制します。
③ C21およびC23を一次電源（保護回路前）で使用する場合、フレキシブル端子付きコンデンサのモデルを選択する必要があります。保護回路がある場合は、自動車グレードのコンデンサを選んでも構いません。同様の保護機構は、2つのコンデンサを直列に配置して実装することも可能です。
電力MOSFETおよびLM25149の入力コンデンサ用デカップリングコンデンサについても同様の要件が求められます。本設計は性能検証用として使用されるものではなく、単一のセラミックコンデンサを使用しています。製品レベルの設計は自動車グレードの設計要件に従っています。
注意: LM25419のアクティブEMCキャンセルおよびデュアルランダムスプレッドスペクトラム技術は、EMC振幅をある程度まで低減するものであり、EMCを完全に除去できるわけではありません。スイッチング周波数2.2MHzに関連するエネルギーおよび高電流（≥10A）以上のアプリケーションでは、依然として規格超過のリスクがあります。実際のデバッグ結果が優先されます。C23を取り外しても伝導放射が通過する場合は、C23の使用を省略してコストを削減することが可能です。
BUCK電源入力コンデンサ:
① C2、C3はBUCK電源入力コンデンサであり、スイッチング電源のEMC性能にとって極めて重要です。10μFのコンデンサは約2MHzでのインピーダンスが5mΩ以下となるものを選定してください。CGA4J1X8L1A106K125ACおよびCGA6P1X7S1A476M250ACは参考になる良好な技術指標を持っています。コンデンサの選定ではX7R、耐圧35V/50V、パッケージはC1210またはC1206を使用可能です。本設計ではC1210パッケージを採用しており、幅広いモデルによる検証が可能です。
② C4は高周波スイッチング用EMCコンデンサであり、50V X7R、C0402パッケージのものを選んでください。
C2、C3、C4のレイアウトでは電流ループに注意が必要です（レイアウトの詳細を参照）。BUCK電源入力コンデンサの基本要件および設計理論を満たすようにしてください。入力コンデンサに関する理解を深めるために、BUCKスイッチング電源の理論を学ぶことをおすすめします。
③ TP7、TP9、TP13はスイッチのTG、BG、SW信号をテストするために使用され、MOSFETのデッドタイム、リンギング特性、および立ち上がり・立ち下がりエッジ性能の妥当性を評価するために用いられ、これらはスイッチング電源における重要な電気的性能試験指標です。
GNDのTPテストポイントはオシロスコープの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ます。LAYOUTでは、テストポイントを関連するテスト信号にできるだけ近い位置に配置することを検討する必要があります。
MOSFETゲート駆動抵抗：
① R1およびR2はMOSFETのゲート駆動抵抗であり、パワーモスフェットの立ち上がり・立ち下がりエッジに対して重要な影響を与えます。
② R1およびR2の選定は、制御されたBUCK電源コントローラの出力電流（コントローラ（プルアップおよびプルダウン抵抗）、ゲートインピーダンスおよびパワーMOSFETのチャージ特性（入力容量CISS））という複合的な要因に影響されます。初期設計では全抵抗値の合計が≤10Ωとなるように選ばれますが、これはチャージ特性にも依存しており、適切な抵抗値を選定するために微調整が必要です。
③ R1およびR2は、スイッチングノイズEMCに最も影響を与える重要なパラメータであり、スイッチング損失に影響する主要な回路要因でもあります。
注意: スイッチ特性およびデッドタイムを測定するために6つのテストポイントを使用します。
出力電力ループ：
① インダクタの選定：インダクタの選定では主に以下の2つの要因を考慮します。
- 瞬時動作電流：瞬時に24Aの出力が可能（時間：100μs）；
- 定常状態動作電流：10Aで安定して動作可能（周囲温度85℃条件を含む）；
過渡的な動作電流の持続時間は ≤ 100μs であり、起動フェーズ中に発生し、インダクタンスが飽和していない状態を保証することでのみ要件を満たすことができます（電流に対するインダクタンス値を満たすこと）。
② サンプリング抵抗器の選定：R1206パッケージのサンプリング抵抗器を選択し、放熱電力は ≥ 0.5W とします。
③ コンデンサの選定：参考：第1部の章における出力フィルタコンデンサの項。
フィードバック回路：
LM25149には固定出力構成およびフィードバック出力構成があり、詳細内容は仕様書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
出力電圧は、空欄ステッカー上のR14、R9およびR10で設定されます。
R19および予約されたTP3、TP4：テスト用、位相余裕、通過周波数などの測定に使用。
注意: TP3およびTP4は、位相余裕、通過周波数などの測定に使用します。
機能設定：
① EN：イネーブル信号。電源投入時に ≥ 1.0V 以上でオンになり、精密な低電圧保護が可能です。
② Sync-PG：同期出力またはPower Good（電源正常）信号。本設計ではPower Goodとして使用しています。
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へ短絡ジャンパ、強制CCMモード；
④ チップ動作モード設定：合計5種類の動作モード（仕様書を参照）。
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 BUCK電源 - PCB設計におけるキーテクノロジー
入出力コンデンサーループ：
① BUCK電源の入出力コンデンサーは最小ループを維持し、EMCに重要な影響を与える。
② C4は主にスイッチの立ち上がり・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る。
MOSFETおよびインダクターループ：
① 一体型MOSFETの使用により実装面積とコストを削減できるが、欠点はレイアウトSWが最小ループを維持できないことである。
② 2-in-1 MOSFETのSWポイントは同一層でのPCBトレーサビリティを実現できず、連続した電力電流を得るためには層の配置を変更する必要がある。
電流サンプリング：
① サンプリング電流は差動トレースである必要があり、リファレンスGND平面が必要です。
② インピーダンスおよび等長制御は不要であり、トレースはレイアウト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、サンプリング抵抗器については、平面領域での放熱を適切に強化でき、GNDビアを増やすことで基板全体の放熱条件を改善できます。
3- ドメイン制御対象一次級BUCK電源設計 - 概要
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では4層構造を採用し、PCB厚さは1.6mm、サイズは30×65mmです。
② 出力電流はQualcomm SA8295の最大過渡電流24Aを満たすことができ、10A以上の定常出力能力をサポートします。
4- 概要 コダカ 電子機器
Codacaはインダクタの独立した研究開発、設計および製造に注力しており、VSEB0660-1R0MはQualcommプラットフォームの開発と応用に適しています。この製品は高コストパフォーマンス、強力な磁気飽和防止特性、低発熱などの技術的優位性を持ち、業界トップクラスの電力対体積比を実現しています。Codacaは技術開発と技術革新に力を入れ、インダクタ業界向けの優れた製品を開発し、電子製品の発展と応用を支援しています。
5- テストと検証
後続のテストおよび検証については、以下を参照してください：03- 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：性能試験測定分析 .
[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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