自動運転車向けパワー・システムの現状を把握する

技術記事 | Share on Twitter | Share on LinkedIn | Email 自動運転車向けパワー・システムの 現状を把握する 著者: Tony Armstrong　　 Power by Linearグループ、マーケティング・ディレクタ、アナログ・デバイセズ はじめに 事故が起きたとき、自動運転に対応するこの車両の運転席には ドライバが座っていました。ただ、その人は実際に車両を制御 自動運転車に対応する準備は既に整っているのでしょうか。こ しているわけではありませんでした。地元当局によると、事故 れは、筆者が最近自身に頻繁に問いかけている質問です。もし が発生した際、他には人は乗っていなかったそうです。アリゾ かしたら、読者の中にも同じ思いを持っている方もいるかもし ナ州では、必要に応じて車両を運転するための人が運転席に座 れません。筆者の場合、10代の娘が運転を始めたばかりなの っていなくても、自動運転車の試験を行うことが法的に許され で、個人的な関心も少し含まれています。初めて運転の練習を ています。そのような地域は、米国内にはごくわずかしかあり 行った後に「どうだった？」と尋ねたところ、彼女からはやや ません。この事故は、自動運転車の能力に対する世間の信頼を 思いがけない答えが返ってきました。車を運転すること自体に 揺るがすものになったと言えるでしょう。 はそれほど不安はなかったようですが、自分の周囲で車を運転 する人々のことが気になったというのです。後部車両は必ずリ 自動運転車が完成するまでのタイムライン ア・バンパーに近づいてくるし、方向指示器は絶対に出さない いくつかの問題に遭遇したとしても、将来的に自動運転車が実 し、自分の都合で突然前に割り込んでくるし、といった具合に 現されることは間違いありません。では、自動運転車はいつ完 不満を訴えていました。実際、そうした不満は筆者も感じてい 成するのでしょうか。それまでには、現時点から見てどれだけ ました。特に、カリフォルニア州北部で運転したときの経験か の時間が必要なのでしょうか。 ら言えば、彼女の訴えに共感するしかありません。 自動車業界では、現状の自動車から自動運転車への移行は、2 その話から、筆者は、自動運転車のことに思いを巡らせまし つの標準的な取り組み方によって進められています。1つは、既 た。自動運転車では、運転席に必ずドライバが座るというわけ 存の車両を少しずつ移行させる段階的な進め方です（例：Tesla ではありません。もちろん、実際にはその席には誰かしら座る のオートパイロット機能）。もう1つは、最初から完全な自 のでしょうが、その人が制御機構を使用することはないでしょ 動運転車を開発して提供しようという革新的な進め方です（ う。自動運転車は、車両内外に設置された様々なセンサーが接 例：Googleの自動運転車）。どちらが成功につながる方法なの 続された小型メインフレーム・コンピュータのようなものにな か、筆者にはわかりません。おそらく、最終的には両者が共生 ります。そのコンピュータ上で、ドライバによる操作の代わり 的に融合していくのだろうと考えています。 に、一連のコードが実行されます。そのコンピュータはクラウ ドに接続されており、車両周辺の外部環境について、リアルタ では、次の数年間のうちにどのようなことが行われるのでしょ イムにシミュレーションを実施できます。そして、その時点の うか。筆者がこの分野の主要な専門家から収集した情報による 周囲の交通条件に基づいて、とるべき動作を予測することが可 と、以下のような進展が見込まれます。 能です。このような処理が、気候、環境、交通条件などの条件 XX ナビゲーション・システム／GPSシステムとの同期がとられ を加味して行われます。 た、より高度な運転支援機能が開発されます。 2018年に、アリゾナ州で自転車を押していた歩行者が、自動運 XX Googleなどの企業により、自動運転車が遭遇し得るあらゆ 転のテストを行っていた車両（SUV）と衝突するという事故が る状況に関するデータの収集と蓄積が行われます。 発生しました。地元の警察によると、被害者は横断歩道がない XX 地図を製作する企業により、主要な都市の3Dマッピング・デ 場所で道路を横断していたそうです。事故の現場には自転車が ータの拡充が図られます。 ありましたが、事故が発生したときには、被害者はその自転車 には乗っていなかったとされています。被害者は近くの病院に XX 自動車メーカーとハイテク車載システム・プロバイダの緊 救急搬送されましたが、残念なことに搬送直後に死亡が確認さ 密な連携により、光検出、ライダー、レーダー・センサ れました。 ー、GPS、カメラといったあらゆる要素の協調的な動作が実 現されます。 XX 上記のすべての機能を搭載する車両について、あらゆる地域 と気候の下で試験が実施されます。 analog.com/jp

2 自動運転車向けパワー・システムの現状を把握する 2020年頃には、先に挙げた半自動運転機能を搭載する車両によ される1つ目の能動部品になるので、レギュレータ回路全体の り、交差点、信号、渋滞時の走行に対応できるようになってい EMI（電磁妨害）性能に多大な影響を及ぼします。 るはずです。しかし、それだけの自動運転能力を備える車両で あっても、緊急時に備えて人間が注意を払わなければならない EMIには、伝導性のものと放射性のものがあります。伝導性の 状況に変わりはありません。2024年頃になれば、そうした半自 EMIは、製品に接続されるワイヤや、プリント回路基板のパタ 動運転車によって、悪天候や夜間など、より厳しい条件下でも ーンを伝わります。ノイズは回路内の特定の端子やコネクタに 正常な走行が行えるようになります。また、その頃までには、 局在するので、伝導性のEMIについては、多くの場合、適切な 無人車両の配車サービスが始まっているかもしれません。当然 レイアウトやフィルタを設計することによって、開発初期の段 のことながら、自動車メーカーは、歩道や交差点において、手 階で対応できます。 を上げるといった歩行者からの合図を理解する車両を製造する 一方、放射性のEMIは、それとは全く性質が異なります。基板 必要があります。また、それ以外にも多数の自動運転機能を車 上では、電流が流れるすべての場所に電磁場が生じます。基板 両に搭載しなければ、上記のような事柄を実現することはでき 上のすべてのパターンがアンテナになり、すべての銅プレーン ません。2030年代の半ばまでには、完全な自動運転車が路上を が共振器になります。純粋な正弦波やDC電圧以外のあらゆる信 走行するようになっている可能性があります。 号は、周波数スペクトル上の至るところにノイズを発生させま このようなタイムラインに沿った進展が実際に見られるとした す。電源をどれだけ慎重に設計したとしても、どの程度の放射 ら、当然のことながら、半導体業界にもその恩恵がもたらされ 性EMIが発生するかは、システムをテストしてみなければ、は ます。自動運転車の実現に必要な多数のシステム向けに、多様 っきりとしたことはわかりません。また、放射性EMIのテスト なデジタルICやアナログICを数多く供給することになるからで は、基本的に設計が完了するまでは正式に実施することはでき す。 ません。 重要性を増すパワー・マネージメントIC EMIを低減するためには、フィルタがよく用いられます。フィルタによって、特定の周波数または周波数範囲のノイズを減衰 完全な自動運転車は、多数の異なる電子システムで構成される させるということです。ノイズのエネルギーのうち、空間を ことは明らかです。先進運転支援システム（ADAS）、自動運 伝わる（放射される）ものは、金属製の電磁シールドを追加 転用コンピュータ、自動駐車支援システム、ブラインド・スポ すれば弱まります。パターンを伝わる（伝導する）ものは、フ ット・モニタリング（BSM）システム、インテリジェント・ク ェライト・ビーズなどのフィルタを追加することで抑えられま ルーズ・コントロール・システム、夜間暗視システム、ライダ す。EMIを完全に除去することはできませんが、他の通信用部 ーなどが代表的な例です。それぞれのシステムは、数多くのデ 品やデジタル部品が許容できるレベルまで減衰させることは可 ジタルICとアナログICを使用して構成されます。各ICを正しく 能です。また、EMIについては、いくつかの規制機関が、満た 動作させるために必要な電圧と電流のレベルは、それぞれに異 すべきレベルを規格として定めています。 なります。そうしたすべての電力は、自動車のバッテリやオル タネータから直接供給することが求められる可能性がありま EMI/EMC性能に優れる高電圧対応の す。1つの電源電圧を生成するレギュレータを基に、別の電源 レギュレータ・ソリューション 電圧を生成しなければならないこともあるでしょう。その代表 上述したようなアプリケーション上の制約を踏まえて、アナロ 的な例が、FPGAやGPUといったVLSIレベルのデジタルICのコア グ・デバイセズのPower by LinearTMグループは、1つの製品を 部に供給する電圧を生成するケースです。この用途では、1V未 開発しました。それがモノリシックの同期整流方式降圧コンバ 満の動作電圧と数十Aの電流の供給を求められることがありま ータ「LT8650S」です。3V～42Vという広い入力電圧範囲に対 す。 応するデュアルチャンネル製品であり、EMI/EMC（電磁両立 ADASを例にとると、システム設計者は、車内のノイズに関す 性）性能に優れる点を1つの特徴とします。ADASを含む車載ア る様々な規格に確実に準拠するように設計を行わなければなり プリケーションでは、コールド・クランクやアイドリング・ス ません。車載環境の中でも放熱量が少なく効率が高いことが重 トップからの再始動時に、最も低い3Vという入力電圧に対応 視される領域では、リニア・レギュレータではなくスイッチン する必要があります。一方で、ロード・ダンプの際に過渡的に グ・レギュレータが使われるようになりつつあります。通常、 発生する40V以上の最大入力電圧にも対応しなければなりませ スイッチング・レギュレータは入力電源バス・ラインに配置 ん。同ICは、このような車載アプリケーションにとって理想的 な製品です。 V V IN1 V V IN2 5.4V～42V IN1 IN2 4.7µF EN/UV1 EN/UV2 4.7µ 3.7V～42V F V OUT1 1µH 1µH VOUT2 5V SW1 SW2 3.3V 4A 47µF 4.7pF 1MΩ Ω 47µF 4A1M 4.7pF ×2 ×2 FB1 FB2 LT8650S 191kΩ VCC VC1 VC2 VCC 316kΩ SS1 SS2 10nF 10nF BIAS RT VCC GND SYNC 15kΩ 1µF f = 2MHz SW 図1. LT8650Sの使用例。2MHzのスイッチング周波数、 5V/3.3Vの出力電圧、4Aの出力電流に対応します。

3 自動運転車向けパワー・システムの現状を把握する 図1に示すように、LT8650Sは高い入力電圧、4Aの出力電流に LT8650Sの入力電圧範囲よりも更に広い入力電圧範囲が必要 対応する2つのチャンネルを備えています。最小で0.8Vを出力で になるアプリケーションに向けて、アナログ・デバイセズは きるので、現在製品化されている最も動作電圧が低いマイクロ 「LT8645S」を開発しました。このICも、モノリシックの同 プロセッサ・コアでも駆動できます。また、同期整流方式を採 期整流方式降圧コンバータです。EMI/EMC性能に優れると共 用しており、2MHzのスイッチング周波数で最大94.4%の効率を に、3.4～65Vの入力電圧に対応するため、一般車両にもトラ 実現します。加えて、Burst Mode®動作により、無負荷、スタ ックにも適用できます。コールド・クランクやアイドリング・ ンバイ状態における静止電流を（両チャンネル共に）6.2μA未 ストップからの再始動時の3.4Vという低い入力電圧から、ロー 満に抑えられます。したがって、常に電源が投入された状態で ド・ダンプの際に過渡的に発生する60V以上の入力電圧にも対 運用されるシステムに最適です。 応できるということです。図3に示すように、シングルチャンネ LT8650Sのスイッチング周波数は、300kHz～3MHzの範囲でプ ルの製品であり、5V/8Aを出力可能です。同期整流方式を採用 ログラム可能であり、いずれの周波数でも同期をとることがで していることから、2MHzのスイッチング周波数で最大94%の きます。最小オン時間が40ナノ秒であることから、高電圧を扱 効率を実現できます。また、Burst Mode動作によって無負荷、 うチャンネルにおいて、2MHzのスイッチング周波数で、16V スタンバイ状態における静止電流を2.5μA未満に抑えることが の入力電圧VINから2.0Vの出力電圧VOUTへ降圧することが可能 可能です。そのため、常に電源が投入された状態で稼働するシ です。2つの内蔵入力コンデンサに加えて、BSTピンとINTV ステムに最適です。CC ピンに付加するコンデンサを内蔵する独自のアーキテクチャ 2.2µH V 「Silent Switcher（サイレント・スイッチャ）® 2」により、ホ V OUT IN1 V 5.5V～65V IN SW 5V ット・ループの面積が最小限に抑えられています。また、適切 4.7µF 8A EN/UV BIAS に制御されたスイッチング・エッジと、一体型のグラウンド・ LT8645S プレーンとボンディング・ワイヤの代わりに銅ピラーを使用す 2.2pF 1MΩ る内部構造が組み合わせられていることから、LT8650のEMI/ 100µFRT FB EMC性能は、非常に優れたレベルに達しています。図2は、同 ICのEMI出力の特性を示したものです。この優れたEMI/EMC性 41.2kΩ 243kΩGND 能は、基板レイアウトの影響を受けにくく、2層基板を使った f = 1MHz 簡素な設計を採用した場合でも、性能面のリスクが軽減されま SW す。車載部品に関する規格であるCISPR25のクラス5では、EMI 図3. LT8645Sの使用例。2MHzのスイッチング周波数で、 の テ ス ト で 使 用 す る ピ ー ク ・ リ ミ ッ ト 値 が 定 め ら れ て い ま 5Vの電圧、8Aの電流を出力することが可能です。 す。LT8650Sは、スイッチング周波数が2MHzの場合に、負荷に 関する動作保証範囲内において、同規格で定められたEMIのテ LT8645Sのスイッチング周波数は、200kHz～2.2MHzの範囲で ストに余裕を持って合格します。スペクトル拡散周波数変調を プログラム可能であり、いずれの周波数でも同期をとること 併用すれば、EMIノイズのレベルを更に引き下げることも可能 ができます。2つの内蔵入力コンデンサに加えて、BSTピンと です。 INTVCCピンに付加するコンデンサを内蔵するSilentSwitcher 2に より、ホット・ループの面積を最小限に抑えています。また、 50 垂直偏波 適切に制御されたスイッチング・エッジと、一体型のグラウン 45 ピーク検出 ド・プレーンとボンディング・ワイヤの代わりに銅ピラーを 40 使用する内部構造が組み合わせられていることから、LT8645S 35 のEMI/EMC性能は非常に優れたレベルに達しています。図4 30 は、同ICのEMI出力の特性を示したものです。この優れたEMI/ 25 EMC性能は基板のレイアウトの影響を受けにくく、2層基板を 20 使った簡素な設計を採用した場合でも、性能面のリスクが軽 15 減されます。LT8645Sは、負荷に関する動作保証範囲内におい 10 て、CISPR25のクラス5で定められたEMIのテスト（ピーク・リ 5 クラス5のピーク・リミット値 ミット値）に余裕を持って合格します。スペクトル拡散周波数 0 スペクトル拡散モード 変調を併用すれば、EMIのレベルを更に引き下げることも可能 固定周波数モード –5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 です。 周波数〔MHz〕 DC2407A 50 垂直偏波 （デモ用ボード、EMIフィルタを実装済み） 45 ピーク検出 入力は12Vでスイッチング周波数fswは2MHz。出力1は5V/4Aで、出力2は3.3V/4A。 40 35 図2. LT8650Sの放射性EMI 30 25 LT8650Sは、高い効率を実現するハイ・サイド／ロー・サイド のパワー・スイッチを内蔵しています。また、必要な昇圧用ダ 20 イオード、発振器、制御用のロジック回路を1つのダイ上に集 15 積しています。リップルの小さいBurst Modeで動作させること 10 により、出力リップルを10mVp-p未満に抑えつつ、少ない出力 5 クラス5のピーク・リミット値 電流で高い効率を維持することができます。パッケージとして 0 スペクトル拡散モード は、外形寸法が4mm × 6mmで、熱特性が強化された32ピンの 固定周波数モード–5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 小型LGAを採用しています。 周波数〔MHz〕 図4. LT8645Sの放射EMI 振幅〔dBμV/m〕 振幅〔dBμV/m〕

LT8645Sは、高い効率を実現するハイ・サイド／ロー・サイド のパワー・スイッチを内蔵しています。また、必要な昇圧用ダ 著者について イオード、発振器、制御用のロジック回路を1つのダイ上に集 Tony Armstrong（anthony.armstrong@analog.com） 積しています。リップルの小さいBurst Modeで動作させること は、アナログ・デバイセズのPower by Linearグループ により、出力リップルを10mVp-p未満に抑えつつ、少ない出力 でマーケティング・ディレクタを務めています。2000 電流で高い効率を維持することができます。パッケージとして 年5月に入社しました。パワー・コンバージョン製品 は、外形寸法が4mm × 6mmで、熱特性が強化された32ピンの やパワー・マネージメント製品の構想から生産終了ま 小型LQFNを採用しています。 でのあらゆる側面に対応する役割を担っています。リニアテクノロジー（現在はアナログ・デバイセズに統 まとめ 合）に入社する前は、Siliconix、Semtech、Fairchild Semiconductor、Intel（欧州）において、マーケティン 上述したようなアプリケーション上の将来の自動運転車（トラ グ、販売、オペレーションなどの部門で様々な役職に就 ックを含む）に必要な車載システムが、急速なペースで開発さ いていました。1981年に英国マンチェスター大学で応用 れています。このことは、現時点でも明らかな進化として確認 数学の学士号を取得しています。 できます。もちろん、必要な電圧と電流のレベルは今後も変化 していくでしょう。しかし、高いEMI/EMC性能を実現すると いう要件がなくなることはありません。また、動作環境の条件 が厳しいという事実が変わることもありません。幸い、アナロ オンライン・ グ・デバイセズのPower by Linear製品を使ったソリューション サポート・ は拡充され続けています。2030年代の半ばまでの道のりはとて コミュニティ も長く感じられますが、当社は将来にわたってシステム設計者 アナログ・デバイセズのオンライン・サポート・コミュ を支援し続けます。 ニティに参加すれば、各種の分野を専門とする技術者 との連携を図ることができます。難易度の高い設計上 筆者の娘による運転の話に戻りましょう。既に、今日の車両シ の問題について問い合わせを行ったり、FAQXを参照し ステムは、彼女が周囲のドライバと容易にやり取りできるよう たり、ディスカッションに参加したりすることが可能 支援してくれています。彼女が運転席でくつろぎ、自動運転を です。 楽しむことができるようになるのは、それほど遠い未来の話で はないでしょう。 ez.analog.comXにアクセス ＊英語版技術記事はこちらよりご覧いただけます。 本　　　　社 〒105-6891 東京都港区海岸1-16-1　ニューピア竹芝サウスタワービル10F 大阪営業所 〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原3-5-36　新大阪トラストタワー10F 名古屋営業所 〒451-6040 愛知県名古屋市西区牛島町6-1　名古屋ルーセントタワー38F ©2018 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本紙記載の商標および登録商標は、 各社の所有に属します。 Ahead of What’s Possible は アナログ・デバイセズの商標です。 www.analog.com/jp TA20690-0-9/18