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。

[Nazzareno（Reno）Rossetti/Adrien Gambino（Maxim Integrated），EDN]

　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。

図1：デュアルUSBソケットを備えた自動車

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Θ_J-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。

P_OUT＝5V×6A＝30W

　効率が91％の場合、入力電力は次の通りです。

P_IN＝P_OUT/η＝30/0.91＝32.92W

　電力損失は次の通りです。

P_D＝P_IN−P_OUT＝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＝Θ_J-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。

図2：標準的なソリューションのピーク温度