システムがよりコンパクトで効率的、かつモジュール化されるにつれて、設計者は異なる電圧ドメイン間の通信を管理するという新たな課題に直面しています。主な例として、<100 V_DC のアーキテクチャ (例えば、電気自動車 (EV)、ロボット、エネルギー貯蔵システムで使われる 48V システムなど) の普及が挙げられます。これらのアーキテクチャにより、高電圧設計の複雑さを回避すると同時に、電力供給効率を維持することで、より小型で統合性の高い設計を実現できます。この傾向と並行して、特定の機能に合わせて最適化され、相互に交換可能な部品を用いるモジュール設計の原則も広がっています。たとえば、電動工具などのコンシューマ製品では、1 つの交換可能なバッテリを複数の機器で使うことが一般的です。これにより、複数のデバイスの充電や管理がより簡単になります。

モジュール式の低電圧システムがより一般的になるにつれて、新たな統合の課題が出てきます。新たな課題とは、「異なる電圧やグラウンドのドメイン間で、シームレスな通信を可能にすること」です。図 1に示す TI の ±80V グランド レベル シフタは、異なるグランド電位のシステム間で 1.71V から 5.5V までの電圧変換をサポートし、信頼性が高くコンパクトでスケーラブルなシステム設計を実現します。

80V 未満の電圧範囲におけるグランド オフセットの対応として、設計者はこれまでガルバニック絶縁やディスクリート レベル シフタを使うのが一般的でした。

• ガルバニック アイソレータは高価でかさばり、多くの場合、データ レートやタイミング性能には制限があります。表 1 では、このソリューションとグランド レベル シフタの違いを示します。
• ディスクリート レベル シフタは単方向の低速信号を処理できますが、信頼性が低く、拡張性はありません。低コストであると同時に、このソリューション サイズはおよそ10mm² ～20mm² です。

グランド オフセットの課題

モジュール設計における各サブシステムは、それぞれ独自の電圧とグランド リファレンスで動作します。ただし、これらのシステムを組み合わせると、グランドの小さな違いでさえも、信号の整合性の問題や通信エラーを引き起こすことがあります。図 2および図 3に示すように、グランド オフセットは DC シフトまたは AC グランド ノイズに起因する可能性があります。

DC グランド シフト

配線抵抗または長いケーブル配線に起因する電圧差があります。複数のドメインが存在するシステムでは、局所的な負荷電流や非対称なグラウンディング構成のために、あるドメインが別のドメインより数ボルト高く (または低く) 「フロートする」場合があります。たとえば、あるサブシステムはメイン グランドに短く太い配線で接続されている一方で、別のサブシステムは長く細い配線でグランド プレーンに接続されているといった状況です。

AC 接地雑音

デジタル回路、アナログ回路、電源回路が共存する混合信号システムでは、AC グランド ノイズがよく発生します。電源側では、このノイズはスイッチング電源部品によって発生する、大きくて急激に変化するリターン電流が原因となっています。デジタル側では、高速信号遷移によって過渡電流がデジタル グランドに注入される可能性があります。これらの変動によって局所的なグランド電位がずれ、共通のグラウンド基準を前提としたサブシステム間の通信が妨げられることがあります。

低電圧システム向けに設計されたグランド レベル シフタ

TI のグラウンド レベル トランスレータは、1.71V～5.5V までの I/O 電圧のレベル シフトをサポートし、±80V までの DC グラウンド オフセットと、1MHz での 140Vpp までの AC ノイズ除去の両方に対応しますが、より複雑なソリューションの 7 分の 1 のサイズ、かつ半分のコストで実現されています。TXG8041は、プッシュプル出力に対応しており、伝播遅延は <5ns、チャネル間のスキューは 0.35ns と非常に小さいため、システム間のリアルタイム通信において最大 250Mbps で高速なデータ処理が可能です。TXG8122 は、I²C などのオープン ドレイン構成をサポートしており、既存のソリューションの消費電力を半分に抑え、消費電力を最小限に抑えることで、バッテリ寿命の延長と熱負荷の低減を実現します。これらのレベル シフタは最小 2.25mm ²のフォーム ファクタ パッケージを通じて小型化を実現し、複数のチャネル タイプと構成に対応するスケーラビリティを提供します。

アプリケーションを 48V アーキテクチャに採用

48V アーキテクチャが EV メーカーで急速に普及する中、エレクトロニクス設計は国際標準化機構 21780 の最新規格に基づいて進められています。この規格ではグランド オフセットに関する特定のテストが義務付けられており、異なるグランド電位で動作するデバイス間の信頼性の高い通信が確保されるようになっています。このようなシステムでは、48V で動作するコントロール モジュールが、レイアウトや負荷条件によって数ボルトのグランドオフセットが発生している場合でも、12V のセンサと通信する必要があります。

TXG8041は、±80V のグランド オフセットまで異なる電圧ドメイン間の通信をサポートしており、これは 48V バッテリ システムのトランジェントもカバーします。また、高速なデータ レートと低い伝搬遅延により、より高速な SPI 通信にも対応しています。図 4に示すように、グランド レベル シフタは、1 チャネルで2.25mm ²、4 チャネル構成で 4mm²のパッケージで供給されており、標準的なガルバニック アイソレータに比べて大幅に小型です。

バッテリ スタックの監視を実現

家電製品や電動自転車、エネルギー貯蔵システムなどのバッテリ駆動システムでは、より高い電圧や長時間の稼働を実現するために、複数のバッテリ モニタを積み重ねて使用するケースが増えています。これらのアーキテクチャでは、各モニタがスタックの一部を測定します。最上部のバッテリ モニタは、しばしば全体のバッテリ パック電圧の半分付近 (たとえば 24V) を基準としたグランドに接続されています。そのため、システムの MCU とは異なるグランドを基準にしており、直接通信することができません。この意図的なトポロジによってグランド オフセットが発生します。TXG8122 は I²C 通信を可能にし、多くの場合、MCU とバッテリ モニタ間の通信に使用されます。また、このデバイスは静的バス条件時の消費電力を低減し、4mm²のフットプリントにより小型化が容易でモジュール式システムへの柔軟な統合が容易になります。

まとめ

システム間のグランド オフセットは以前から存在していましたが、低電圧のモジュラ アーキテクチャが広まりつつある現在、こうしたオフセットはますます一般的になっています。TI の ±80V グランド レベル シフタは、SPIやI ² C などのインターフェイスを通じて、さまざまなグランド レベルにまたがって電圧変換を可能にし、この課題に対する簡単なソリューションを提供しますこのテクノロジを使えば、従来の方法と比べて大幅に小型化や低コスト化しつつ、最大 2x の高速動作を実現でき、なおかつ信号の整合性やシステムの信頼性も保つことができます。

その他の資料

• アプリケーション ノートを読み、すべてのグランドが 0V であるとは限りません。
• TXGx04x 4 チャネル グランド レベル トランスレータの評価基板を使用して開発を開始します。
• TI の新しグランド レベル トランスレータをご確認ください。
• アプリケーション ノート『フォトリレーをアナログ スイッチで置き換える際に重要となる電圧に関する主なポイント』をご覧ください。