Slide 1: 車載用SoC電源の課題と電源ソリューション提案
車載用SoC電源の課題と 電源ソリューション提案 MPSジャパン合同会社 FAEマネージャー 合屋 俊介 2024年2月
Slide 2: アジェンダ
アジェンダ 1. モビリティの問題 2. ADAS / AVの市場規模 3. 車載コンピューティングアーキテクチャの変貌 4. 従来型のパワーマネジメントソリューション 5. 次世代型のパワーマネジメントソリューション 6. MPSの製品例
Slide 3: 車載用SoC市場の概要
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Slide 4: モビリティの課題
モビリティの課題 モビリティは渋滞、事故、およびアクセス欠如に悩まされている • 先進運転支援システム (ADAS) • 自動運転車 (AV) 便利、安全、そして 実用的なモビリティへ • 自動運転タクシー / シェアードモビリティ
Slide 5: ADAS / AV: 車載マーケット最大の成長分野
ADAS / AV: 車載マーケット最大の成⾧分野 ADAS市場は年平均19%成⾧ 2030年には$90Bに ADAS成⾧の要因: 100 90 • 安全性への一層の関心 80 • 政府機関による先進安全機能使用の義務化 70 • 快適さとラグジュアリー需要の高まり 60 $ Billions 50 • テクノロジーとインフラへの多額な投資 40 30 20 10 0 2021 2022 2023* 2024* 2025* 2026* 2027* 2028* 2029* 2030*
Slide 6: 自動運転レベル
自動運転レベル 車両はより高いレベルの自動化を可能にするために「車輪付きサーバー」へと変化 出典：国土交通省「自動運転のレベル分けについて」 1000TOPS? ＞100TOPS 30-60TOPS 0-30TOPS 30-60TOPS 0-30TOPS 0-30TOPS ※TOPS (teraOPS): Tera Operation Per Second、整数演算の能力を表す。 コンピュータや内部のプロセッサの処理速度をあらわす単位の一つで、1秒間に実行できる演算回数を1兆回単位で表したもの。
Slide 7: 進化する車両コンピューティングアーキテクチャ
進化する車両コンピューティングアーキテクチャ ADASとAVは、ECUを統合して強化し、ゾーンアーキテクチャ (セントラルコンピューティング) に移行 将来 : ゾーンアーキテクチャ 過去: 分散型 現在 : ドメインアーキテクチャ (セントラルコンピューティング) Higher Power SoC
Slide 8: ドメインアーキテクチャ vs ゾーンアーキテクチャ
ドメインアーキテクチャ vs ゾーンアーキテクチャ ドメインアーキテクチャ ゾーンアーキテクチャ 機能に基づいてECUをグループ化 物理的な配置に基づいてECUをグループ化 ・複雑で⾧いワイヤハーネス ・シンプルで短いワイヤハーネス ・通信遅延が⾧い ・通信遅延が少ない
Slide 9: ADAS / AV用SoCの支出
ADAS / AV用SoCの支出 2022 2030 16% ADAS / AV用SoCの支出は、2030年までに 44% 車両全体のプロセッサの支出の44% 56% 84% 35 30 25 ADAS / AV用SoC市場は 20 2025年～2030年まで26%の年間成⾧率で、 15 2030年には $30B 10 5 0 2021 2025 2030
Slide 10: 車載用SoC電源アーキテクチャ
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Slide 11: ディスクリート部品を使用した従来のソリューション
ディスクリート部品を使用した従来のソリューション アナログ コントローラ • 部品点数: 多 • PCBサイズ: 大 • 設計・最適化: 難 ゲート ドライバ ゲート ドライバ ゲート ドライバ ゲート ドライバ • 設計サイクル: ⾧ ディスクリート ディスクリート ディスクリート ディスクリート • ソリューションコスト: 高 の電流 / 温度 センサ の電流 / 温度 センサ の電流 / 温度 センサ の電流 / 温度 センサ ディスクリー 50A トのFET VCore_Rail1 ディスクリー トのFET 車載 Max. 40V バッテリー 50A バッテリー フロントエンド ディス
Slide 12: デジタルコントローラ + DrMOSを使用した次世代型ソリューション
デジタルコントローラ + DrMOSを使用した次世代型ソリューション • 高度な機能集積 デジタル マルチフェーズ • 電力密度が高い コントローラ • 設計と最適化が簡単 • 設計サイクルが短い • 自由度が高くスケーラブル 50A DrMOS VCore_Rail1 DrMOS 車載 Max. 40V バッテリー 50A バッテリー フロントエンド 30A DrMOS VCore_Rail2 DrMOS 30A
Slide 13: PC用SoC電源のアーキテクチャ
PC用SoC電源のアーキテクチャ 19Vアダプタ 最大20V バッテリー PC用CPU 22V DrMOS CPU パワーステージ 100-200A デジタル マルチフェーズ コントローラ 22V DrMOS GPU パワーステージ 50-80A VR その他 22V POL 2-5A
Slide 14: スーパーコンピューティング用SoC電源アーキテクチャ
スーパーコンピューティング用SoC電源アーキテクチャ 最大14V 12Vバス スーパーコンピューティング用 SoC 16V DrMOS CPU パワーステージ 400-500A デジタル マルチフェーズ コントローラ 16V DrMOS DRAM (HBM) パワーステージ 100-200A VR その他 16V POL ＜10A
Slide 15: 車載用SoC電源アーキテクチャ
車載用SoC電源アーキテクチャ • PCおよびスーパーコンピューティング用SoCと類似した電源アーキテクチャ • 低電流レールはPMICまたはディスクリートのPOL (point-of-load) コンバータを利用可能 • 高電流パワーに必要とされる先進的パワーマネジメントソリューションが求められる • 高効率 • 高速な過渡応答 • ダイナミックな電圧 / 周波数スケーリング • リアルタイムのモニタリングとレポーティング コアレール (>15A) 車載 バッテリー バッテリー フロントエンド 車載用SoC A 低電力レール (<15A)
Slide 16: 車載用SoC電源の主要要件
車載用SoC電源の主要要件 • 高効率 • 高電力密度 • 高速な過渡応答 どの市場用途においてもSoC電源で重要なこと • ダイナミックな電圧 / 周波数スケーリング • リアルタイムのモニタリングとレポーティング • スケーラビリティとフレキシビリティ • AECQ認定 車載用SoC電源に求められる追加要件 • ASIL機能安全性
Slide 17: SoCコアレールの駆動に関するMPSの経験
SoCコアレールの駆動に関するMPSの経験 • PC、スーパーコンピュータ、サーバー、データセンター市場でのSoCコア電源を⾧期に わたって牽引 • 車載用SoCコア電源に実績のある同じテクノロジーを採用 • AECQ認定に適合するためゼロから設計 • MPSafeTM ASIL-D 機能安全性 ADAS インフォテインメント 高性能コンピューティング
Slide 18: デジタルコントローラ + DrMOS = 高効率で小型のソリューション
デジタルコントローラ + DrMOS = 高効率で小型のソリューション デジタル制御 • 補償回路設計が容易 • 高速な過渡応答 • 高精度な電流バランス • ブログラム可能でフレキシブル • リアルタイムのモニタリングとレポーティング • 包括的な保護機能 モノリシックDrMOS • モノリシックな設計 必要部品が少ない • スイッチング損失の低減 効率向上 • 精度の高い電流検知精度 少ない外付け部品 • コストを低減 • より小型な設計が可能
Slide 19: シングルステージ / 2ステージの電源アーキテクチャ
シングルステージ / 2ステージの電源アーキテクチャ
Slide 20: MOSFET性能指数 (FoM)
MOSFET性能指数 (FoM: Figure of Merit) • 低いFoMは、低耐圧パワーMOSFETによって実現できます。 - より低いRDS(ON) は、パワーMOSFETの導通損失を低減する - より低いQg値は、パワーMOSFETのスイッチング損失を低減する • パワーMOSFETのサイズは、同じRdson値であれば、低耐圧品の方が より小型なデバイスを選択可能です VDS_MAX 定格 25V 30V 40V 60V RDS(ON) × Qg 23.1 37 57.6 93.6 (mΩ∙nC) RDS(ON) (mΩ) 2.2 2.4 3.6 3.9 Qg (nC) 10.5
Slide 21: 12Vバッテリー: シングルステージの電力変換
12Vバッテリー: シングルステージの電力変換 プリバックコンバータ 複数の高電流SoCレール VIN < 20Vでパススルー 拡張性の高い22V DrMOSパワーステージ VIN 過渡電圧 > 20Vの間、ステップダウン MPQ29xx バイパスモード デジタル 付き降圧コン マルチフェーズ バータ コントローラ 12V バッテリー リチウムイオンには最大20V 最大20V ディスクリート Core Power バッテリー フロントエンド 鉛蓄電池には最大36V Core Power FET MPQ869x0 Core Power DrMOS SoCコアレール 位相ごとに 40A / 50A
Slide 22: MPQ2967 ‒ 2レール、4フェーズのデジタルコントローラ
MPQ2967 ‒ 2レール、4フェーズのデジタルコントローラ MPSafeTM ASIL-D 利点 量産中 CSBIASA • ACPTM (Advanced COT PWM): 少ない出力コンデンサと優れたEMIを実現 VI NSEN TEMPB TEMPA PHSEL VDD18 ADDR VSPB VSNB VDD5 • フレキシビリティ、チューニングの最適化、早い設計サイクルを可能にするデジタル制御 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 CSBIASB 1 30 FSW 特⾧ VDD33 2 29 PE • プログラミングおよびモニタリング用のデジタルインタフェ
Slide 23: MPQ86960 ‒ 50A Intelli-Phase DrMOS
MPQ86960 ‒ 50A Intelli-PhaseTM DrMOS 量産中 利点 TOUT/FLT PHASE PG ND PW M IOUT VIN BST EN • モノリシック設計でより高いスイッチング周波数を実現し、インダクタと 36 35 34 33 32 31 30 29 コンデンサのサイズを低減 VDD33 1 28 VIN • EVのバッテリー範囲を拡張するのに最適化されたプロセス技術 AGND 2 27 VIN 特⾧ VDRV33 3 PG ND 37 VIN 26 VIN • 広い動作入力電圧 (VIN) 範囲: 3V～22V VDD5 4 25 VIN • VDD入
Slide 24: 設計例: MPQ2967 + MPQ86960
設計例: MPQ2967 + MPQ86960 950mm2 PCBサイズで90%のピーク効率 試験条件: VIN = 12V、負荷ステップ = 100A/µsのスルーレートで30A～100A、 VOUT = 0.75V / 100A、過渡耐性 = ±22.5mV (3%)、 fSW = 500kHz オーバーシュート: 20.1mV アンダーシュート: 22.5mV
Slide 25: 4フェーズ PCBサイズ: シングルステージ
4フェーズ PCBサイズ: シングルステージ RBST CBST RBST CBST RBST CBST RBST CBST TOUT/FLT TOUT/FLT TOUT/FLT TOUT/FLT PHAS E PHAS E PHAS E PHAS E PGND PGND PGND PGND PWM PWM PWM PWM IOUT IOUT IOUT IOUT BST BST BST BST VIN VIN VIN VIN EN EN EN EN CVDD33 CVDD33 CVDD33 CVDD33 36 35 34 33 32 31 30 29 36 35 34 33 32 31 30
Slide 26: 12V / 48Vバッテリー: 2ステージの電力変換
12V / 48Vバッテリー: 2ステージの電力変換 複数の高電流SoCレール 拡張性の高い 1stステージ 6V DrMOSパワーステージ MPQ29xx デジタル MPQ29xx マルチフェーズ コントローラ 12V / 48V バッテリー 5V / 3.3V ディスクリート Core Power バッテリー フロントエンド のFET Core Power MPQ8676x Core Power DrMOS SoC用コアレール 位相ごとに 25A / 45A / 60A
Slide 27: MPQ86760 ‒ 45A Intelli-Phase DrMOS
MPQ86760 ‒ 45A Intelli-PhaseTM DrMOS 量産中 利点 TOUT/ AG ND PWM IOUT VDD BST FLT EN • モノリシック設計でより高いスイッチング周波数を実現し、インダクタと コンデンサのサイズを低減 21 20 19 18 17 16 15 • EVのバッテリー範囲を拡張するのに最適化されたプロセス技術 VI N 1 14 VI N 特⾧ SW 2 • 動作入力電圧 (VIN) 範囲: 3V～6V • VDRV / VDD入力: 3.3V 13 PG ND • 出力電流 (IOUT) : 45A SW 3 • Accu-SenseTM
Slide 28: 設計例: MPQ2946 + MPQ86760
設計例: MPQ2946 + MPQ86760 770mm2 のPCBサイズで88%のピーク効率 試験条件: VIN = 5V、VOUT = 0.7V、IMAX = 150ª、IDC = 90ª、IOUT = 100A/µsで20A～90A 、fSW = 2MHz Overshoot: 34.6mV (4.9%) Undershoot: 26.1mV (3.7%)
Slide 29: 4フェーズ PCBサイズ: 2ステージ
RSCL RSDA PWM1 PWM2 PWM3 PWM4 DRONA DRONB SDA CVDD33VDD33 CSBIASB 9 8 7 6 5 4 3 2 1 SCL 10 RN IRQ NIRQ CVDD5 CSBIASA 11 40 PGOODA RP GOODA VDD5 12 39 RVIN SEN 2 RVIN SEN 1 CVINSEN ENA VINSEN 13 38 VBOOT 14 37 VDD18CVDD18 PWMVIDA TEMPB 15 36 PAD AGND PGOODB TEMPA 16 35 PWMVIDB ADDR RADDR 17 34 CTEMP
Slide 30: 設計 / 開発用GUI
設計 / 開発用GUI 2 ① “Scan”ボタンをクリック。 ② ターゲットデバイスを選択。 ③ “Message”ウインドウが立ち上が るまで待ち、”OK”をクリックして選択 したデバイスをロードします。 3 • GUIは評価ボードで利用可能 • 容易なPCセットアップ 選択したデバイスのコンフィギュレーショ • レジスタの読み込みとモニタリング 1 ンコードをエクスポート。 選択したデバイスにコンフィギュレー • 書き込みと上書き ションコードをインポート。 NVMにRAMの内容を保存。 • 設計時間を短縮 MTPの内容をRAMにリストア。 コンフィギュレーションファイルの差
Slide 31: 評価ボード
評価ボード MPQ2967: 2レール、4フェーズデジタルコントローラ MPQ2946: 3レール、8フェーズデジタルコントローラ MPQ86960: 50A DrMOS MPQ86760: 45A DrMOS 2レール: 3フェーズ＋1フェーズ評価ボード 3レール: 4フェーズ＋2フェーズ＋2フェーズ評価ボード
Slide 32: ゾーンアーキテクチャのバッテリーフロントエンド
ゾーンアーキテクチャのバッテリーフロントエンド
Slide 33: 従来型 vs Smart E-fuse
従来型 vs Smart E-fuse 比較 ヒューズ + リレー Eヒューズ 耐障害性 高い 低い フォルトレスポンス時間 遅い 速い ファームウェアリセット なし あり フォルト診断 なし あり 可動部品 あり なし
Slide 34: MPS Eヒューズのi2t特性
MPS Eヒューズのi2t特性 Toff Fuse-Like Protection Fast off ILIM 200A Iout 負荷電流が大きいほどOFFまでの時間が短い
Slide 35: MPS E ヒューズの構成
MPS Eヒューズの構成 + + + NTC シャント抵抗 外部FET コントローラ オールインワン ソリューション
Slide 36: サマリー
サマリー
Slide 37: サマリー
サマリー • 自動車業界では、モビリティの課題を解決するためADAS / AV市場が拡大しています • ADAS / AV市場は、自動車の安全性と快適性の要求によって、急成⾧しています • 膨大な情報処理能力を持つSoCは、自動車のセントラルコンピューティングアーキテクチャの中心 • 車載用SoCには、コアレールのために先進的なパワーマネジメントソリューションが必要です • PC、スーパーコンピュータ、サーバー、データセンターのアプリケーションでは、⾧年デジタルマルチ フェーズコントローラ + DrMOSの組み合わせが使用されています • MPSはAECQ認定のデジタルマルチフェーズコントロー