はじめに

車載または産業用の設計を最適化する方法のひとつは、電源ユニットのサイズを小さくすることです。その結果、必要な物理的部材とディスクリート部品点数が減り、システム レベルのコスト削減につながります。

プッシュプル コンバータやフライバック コンバータのような絶縁型バイアス電源ソリューションには従来、重く、かさばり、振動が発生しやすいトランスが必要でした。そのため、設計では複雑なレイアウトが必要でした。外部トランスを使って絶縁型バイアス電源ソリューションを設計すると、性能効率に影響を及ぼし、放射電磁干渉 (EMI) が増加する可能性もあります。

トランス設計におけるブレークスルーにより、IC 設計者はトランスとシリコンを 1 つのパッケージに完全に統合できるようになり、絶縁型 DC/DC 電源の高さとサイズを大幅に減らすことができました。エンド ユーザーは、超小型で軽量の絶縁型パワー モジュールを入手でき、トランスを設計する必要もシステム性能で妥協する必要もなく、高い電力密度を実現できます。

この記事では、これらの車載および産業用アプリケーションの基本機能、この機能を実現するための絶縁型 DC/DC 電源の重要性、効果的な絶縁型 DC/DC 電源を設計する上でテキサス・インスツルメンツの新しい UCC33420-Q1 パワー モジュールを活用する方法について説明します。

BMS 内の絶縁型 DC/DC 電源

バッテリ管理システム (BMS) の主な機能は、パック電圧、パック電流、セル電圧を監視することです。安全規格に準拠するには、高電圧バッテリ (>60V) のリーク電流と、バスとシャーシ グランドとの間の絶縁抵抗を監視する必要があります。絶縁型 DC/DC 電源は、BMS 内の高電圧および絶縁診断サブシステムにあって、絶縁された電力をデジタル アイソレータと電流センサに供給します。

絶縁型 DC/DC 電源の入力は、機能安全対応パワー マネージメント IC から 5V 電源電圧を受け入れ、バッテリ切り離しユニット アプリケーション内の高電圧側にあるデジタル アイソレータ、電圧 / 電流センサ、A/D コンバータに 5V の出力電力を供給します (図 1 を参照)。

1 つの電圧 / 電流 / 絶縁抵抗モニタを使ったインテリジェントなバッテリ ジャンクション ボックス内で、絶縁型 DC/DC 電源は 5V の電圧をバッテリ モニタに出力します。統合型トランス技術の進歩により、その他のプッシュプル ディスクリート ソリューションに比べてプリント基板の占有面積が小さくなったため、電力密度の最適化、システムの部品表 (BOM) 点数の低減、開発期間の短縮が実現されました。

電気自動車（EV ） 充電

自動車の電動化が進むにつれて、手ごろな価格設定と充電時間の短縮の要求が高まっています。EVの充電パワー モジュールのサイズが小さくなると、効率を向上させ、総システム コストを低減させることができます。

図 2 に示すように、EV 充電ステーションには、コントローラ エリア ネットワーク、RS-485 などのデータ通信インターフェイスと、電圧 / 電流検出用絶縁アンプが備わっており、これらはすべて絶縁型 DC/DC 電源を必要とします。充電時間を短縮するには、出力電力を増やす必要があります。その結果、システム全体のサイズが大きくなる可能性があります。小フットプリントと高効率を特長とする UCC33420-Q1 は、基板の総面積を低減しながら、より高い効率の絶縁型電源システムを設計するのに有効です。AC 入力ラインからの高電圧に対応しながら、外付け部品点数を最大 50% 低減できます。

PLC I/O モジュール

図 3 に示すように、高性能プログラマブル ロジック コントローラ (PLC) システムには、小さなスペースに複数のモジュールが含まれています。これらの PLC システムは、集中型入出力 (I/O) モジュールを使用して、センサ、ソレノイド、バルブと通信します。PLC システム内の絶縁型バイアス電源には、小さいサイズ、精密な出力電圧レギュレーション、EMI の低減、電磁両立性が求められます。高い電力密度と出力電圧精度も一般的な要件です。

非常に小さい 4mm x 5mm の外形のリードなしパッケージに封止された UCC33420-Q1 は、1.5W の出力電力を供給できるため、複数の IC に電力を供給できます。UCC33420-Q1 は、ポスト レギュレータも低ドロップアウト レギュレータも必要とせずに、VIN = 3～3.6V および 4.5V～5.5V において、<±3% の精度で、5V と 3.3V の出力電圧を供給できます。

まとめ

トランスの設計の分野では、出力電力レベルが同じディスクリート トランス ソリューションに比べて、UCC33420-Q1 は 8.5 倍以上の電力密度を実現します。ディスクリート トランス ソリューションに対するその他の利点として、ソリューション サイズの >89% 低減、高さの >75% 低減、BOM 点数の半減が含まれます。図 4 に、UCC33420-Q1 とプッシュプル コンバータのサイズ比較を示します。

UCC33420-Q1 は、絶縁型電源トランス、1 次側および 2 次側ブリッジ、制御ロジックを 1 つのパッケージに統合しているため、車載および産業用アプリケーションの小型化と軽量化の要求に対応できます。

UCC33420-Q1 は EMI 最適化トランスを使用して設計されています。このトランスの 1 次側と 2 次側の間の静電容量は 3pF であり、この値は、EMI フィルタを使用せずに CISPR (国際無線障害特別委員会) 32 規格に適合できる値です。本デバイスは、より少ない部品点数とより簡単なフィルタ設計で、CISPR 25 規格にも適合できます。

その他の資料

• UCC33420-Q1 の詳細については、データシートをダウンロードしてください。
• テキサス・インスツルメンツの絶縁型 DC/DC コンバータおよびモジュールのページをご覧ください。