どう熱を制するか ―― 車載デュアルUSBチャージャー考察：電源設計（1/3 ページ）
自動車での搭載が当たり前になりつつあるUSB充電ポート。そのポート数は増加傾向にある。ただ、ポート数の増加は、熱などの設計上の課題を招く。本稿では、そうした課題を克服しつつ、デュアルポートのUSBチャージャーを搭載する方法を考えていく。
USBポートの自動車への搭載が広まっています。適切なケーブルを仲介として、多数のポータブル機器、スマートフォンおよび、タブレットPCを出先で充電することが可能です。これらの機能を実装する電子モジュールは、過熱することなく小型のスペース内に収まる必要があります。
デュアルポートの専用充電ソリューション（図1）の場合、部品数とソリューションサイズの増大なしに2つのコネクターに対応する必要があるため、問題が悪化します。デュアルUSBチャージャーは、コネクター当たり5Vで最大3Aの充電に対応する必要があり、AEC-Q100認定済みかつAppleおよび、USB仕様に準拠する必要があります。サイズと温度の課題に加えて、このソリューションは2つのレガシーUSBエニュメレーション技術を内蔵し、EMI放射を最小限に抑え、40Vのロードダンプに耐え、車載フィールドリターンを防ぐための保護を備える必要があります。
ここでは、標準的な方式の欠点を概説し、これらの課題を克服する新しい技術を紹介します。
熱の問題
USBチャージャーモジュールの温度仕様は単純明快です。周囲温度が40℃を上回ってはいけません。
標準的なソリューションで、フリップチップパッケージの5Vチャージャーの接合部−周囲間熱抵抗ΘJ-A＝20℃/W、14Vの車載バッテリーから電力を取得し、効率が91％で、ポータブル機器を6Aで充電する場合を考えてみます。出力電力は次の通りです。
POUT＝5V×6A＝30W
効率が91％の場合、入力電力は次の通りです。
PIN＝POUT/η＝30/0.91＝32.92W
電力損失は次の通りです。
PD＝PIN−POUT＝32.92−30＝2.92W
したがって、IC内の温度上昇は次のようになり、規定された制限を超えます。
ΔT＝ΘJ-A×PD＝20×2.92＝58.4℃
明らかに、ここで要因となっているのはチャージャーの効率と熱抵抗です。
図2に示すように、58.4℃のΔTを25℃の周囲温度に加えると、ピーク温度は83.4℃に達します。
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