ADASおよびインフォテイメントシステム向けPower over Coax（PoC）専用インダクタの選定

自動車システムの設計者は、単一のケーブルに電源と高速データを同時に重畳させるPower over Coax（PoC）アーキテクチャを採用する傾向が強まっています。このアプローチは配線量の削減と、システム設計の簡素化を実現し、特に、先進運転支援システム（ADAS）、インフォテイメント、センサ駆動型パワートレインなどのデータ集約型サブシステムにおいて効果的です。ただし、信頼性の高いPoCバイアス-T回路を実装するには、電源とデータ伝送の相反する要件を両立させるために、インダクタを慎重に選択する必要があります。

この記事では、PoCバイアス-T回路の設計概要について説明します。次に、Murataの自動車用のPoCインダクタを紹介し、 これらのインダクタがパワートレイン、車両安全、インフォテイメントシステムにおけるバイアス-T回路の最適化を支援する方法を説明します。さらに、2つの有用なインダクタ選択ツールについても説明します。

自動車用PoCにおけるバイアス-T回路設計の重要性

バイアス-T回路は、DC電源と高速データ信号を分離することで、PoCシステムにおいて重要な役割を果たします。自動車用の標準的なPoCアプリケーションでは、センサと制御ユニットを接続するために同軸ケーブルを使用し、両端にバイアス-T回路を配置し、電源と信号経路を管理します（図1）。これらの回路におけるインダクタは、高周波信号を遮断して電源をクリーンに保つ役割を果たし、一方コンデンサは、敏感なシリアライザ/デシリアライザ（SerDes）モジュールにDC電圧が印加されるのを防ぎます。

図1：標準的なPoCアプリケーションでは、同軸ケーブルの両端にバイアス-T回路を配置し、DC電源と高速データ信号を分離します。（画像提供：Murata）

バイアス-T回路の誘導部設計には、細部への十分な配慮が必要です。信号が電源線に漏れ出さないようにするため、インダクタは広範な周波数範囲において高インピーダンスを保つ必要があります。このインピーダンスが不十分な場合、残留信号エネルギーが電源の変動を引き起こし、システム性能を低下させる可能性があります。

実際、単一のインダクタでは、必要なすべての周波数帯域において十分に信号を遮断することができない場合があります。そのため、設計者は、複数のインダクタとそれに伴う抵抗器およびコンデンサを組み合わせて反共振を抑制します。反共振とは、インピーダンスが急激に低下し、フィルタリング効果が失われる狭い周波数帯域のことです。この現象は、異なる周波数特性を持つ複数の部品の相互作用によって生じます。

PoCバイアス-T回路の設計課題

複数のインダクタ構成は、バイアス-T回路の遮断領域を拡張できますが、追加される各インダクタが反共振のリスクを高めるため、複雑さが増します。これらの相互作用を管理するには、追加の抵抗器とコンデンサが必要となり、これにより部品点数と設計工数がさらに増加します。

この複雑さを軽減するため、設計者は通常、必要なインダクタ数を最小限に抑えることを目指します。単一の広帯域インダクタは、反共振現象の発生確率を低減し、フィルタリングの安定性を向上させ、貴重な基板スペースを節約します。後者は、コンパクトな自動車用サブシステムにおいて特に重要です。

課題は、インダクタのインピーダンス、周波数特性、その他の電気特性の適切なバランスを兼ね備えたインダクタを選択することにあります。これは、PoCアプリケーションが多様な要件を持つため、特に困難です。パワートレイン、ADAS、およびインフォテイメントシステムは、それぞれ電源供給とデータ帯域幅の要件が異なり、各カテゴリ内でもアプリケーション要件に大きなばらつきがあります。

PoCバイアス-T回路設計における単一インダクタのアプローチ

これらの要件に対応するため、Murataは自動車用PoCバイアス-T回路専用に設計されたインダクタの製品ファミリを開発しました。この製品ファミリは、幅広い性能特性を備えており、設計者がさまざまなアプリケーションの要件に対応できる柔軟性を持っています。

この製品ファミリ内の各ソリューションは、広範な周波数範囲において高インピーダンスを実現し、従来は複数のインダクタを必要とした性能特性を単一デバイスで提供します。この機能により、バイアス-T回路のサイズと複雑さを最小限に抑えながら、効果的な信号遮断を実現できます。自動車設計の目標をサポートする追加機能には、以下のものが含まれます。

• 定格電流最大1アンペア（A）：パワートレインやADASシステムにおけるセンサやアクチュエータなどの高電流負荷の駆動に適している
• 高飽和電流：負荷下でもインダクタンス値を保ち、大きな磁場下での性能低下を防止する
• 低DC抵抗：電源と信号を分離時の損失を低減し、全体の電力効率を向上させる
• シールド構造：電磁波干渉（EMI）を最小限に抑え、周辺回路の信頼性の高い動作をサポートする
• 小型のフォームファクタ：基板スペースを節約し、自動車の密集したレイアウトでの使用を可能にする
• -40°C～+125°Cでの動作温度範囲：過酷な自動車環境での性能を保証する
• AEC-Q200認証およびRoHS指令準拠：自動車業界の規格および環境基準に準拠する

これらの特長により、MurataのPoCインダクタファミリは、自動車安全システム、インフォテイメント、パワートレイン制御など、多様なアプリケーションに最適です。

パワートレインアプリケーション向けPoCインダクタ

パワートレインのサブシステムは、比較的低データレートのセンサ駆動型通信を伴うことが多くあります。このようなアプリケーションでは、LQW43FT180M0HL（図2）のような高インダクタンスソリューションが、安定した電源供給を確保するのに役立ちます。このデバイスの18µHというインダクタンス値により、低周波数域において高インピーダンスを実現し、不要な信号成分を効果的に遮断します。この性能は、40MHzの自己共振周波数により維持されており、これは一般的なパワートレインデータストリームの周波数範囲とよく一致しています。

図2：LQW43FT180M0HLは、自動車のPoCバイアス-T回路内で複数のインダクタの役割を果たす小型の広帯域インダクタです。（画像提供：Murata）

このインダクタは600ミリアンペア（mA）定格で、パワートレイン内の多くの周辺サブシステムに適しています。その低直流抵抗（160mΩ）により、電力損失を最小限に抑え、4.5mm × 3.2mm × 3.7mmサイズの1812パッケージは、複数インダクタ設計に代わる小型化の選択肢を提供します。

ADASアプリケーション用PoCインダクタ

ADASアプリケーションでは、高解像度カメラなどのセンサから送信される非常に高いデータレートの信号を処理する必要があります。LQW32FT2R2M0HL（図3）は、この用途向けに設計された中間インダクタンス（2.2µH）ソリューションです。その自己共振周波数200MHzにより、高帯域通信における効果的な信号遮断を実現します。

図3：LQW32FT2R2M0HLはPoCアプリケーション向けに設計されており、高電力と高データレートを両立しています。（画像出典：Murata）

高データレートに加え、ADASサブシステムは通常、大きな電力が必要です。このインダクタの1A定格は、LiDARセンサや自動車線維持システムに使用されるアクチュエータなど、高電力要件に対応するように設計されています。このデバイスは、3.2mm × 2.5mm × 2.5mmサイズの1210パッケージに収められています。

インフォテイメントアプリケーション用PoCインダクタ

インフォテイメントシステムは通常、高データレートで動作しますが、比較的少ない電力消費ですみます。LQW21FT2R0M0HL（図4）は、これらの要件に最適化された小型なソリューションを提供します。2µHのインダクタンスと230MHzの自己共振周波数により、高速オーディオ、ビデオ、ナビゲーションデータストリームで一般的に使用される周波数帯域において、効果的に信号を遮断します。

図4：LQW21FT2R0M0HLは、高データレート対応の自動車用PoCをサポートしています。（画像提供：Murata）

インダクタは400mA定格のため、インフォテイメントディスプレイやマルチメディア制御モジュールなどの低消費電力のエンドポイントに最適です。このデバイスは、0805パッケージに収められており、寸法はわずか2.0mm × 1.2mm × 1.8mmです。このため、基板上のスペースが限られているアプリケーションに最適です。

バイアス-Tインダクタを選択するための便利なツール

バイアス-T回路の設計と特性評価は、特に電気的性能とサイズおよびシステム制約のバランスを取る際に複雑になることがあります。このプロセスを簡素化するため、MurataはPoCアプリケーション向けに適切なインダクタを評価、選択する際に役立つ2つの無料オンラインツールを提供しています。

最初のツールは、バイアスTインダクタ設計支援ツール（図5）です。このツールは、DC電流、周囲温度、ケーブル特性などのパラメータを入力することで、完全なバイアス-T回路構成を生成することができます。ツールは、適切なインダクタ、抵抗器、コンデンサを自動的に提案し、さらにSパラメータやインピーダンス曲線を含むシミュレーション結果のグラフを提供し、回路の動作を深く理解するための支援を行います。

図5：バイアスTインダクタ設計支援ツールは、自動車用PoCインダクタの選定とバイアス-T回路の特性評価を効率化します。（画像提供：Murata）

バイアス-T回路のシミュレーションに加え、ドロップダウンメニューにより、計算に用いる具体的な基準を選択できます。これには、異なる通信プロトコルやケーブルパラメータも含まれます。現実の性能をより正確に理解するため、浮遊容量を考慮するオプションも含まれています。

より一般的な検討のために、Murata インダクタ選択ツール（図6）が用意されています。これには、部品番号検索機能、アプリケーション、電気的特性、サイズによるフィルタリング機能を備えています。選択完了後、ユーザーはインダクタの周波数特性およびシリーズ接続とシャント接続のSパラメータのシミュレーションができます。これにより、最適な部品を探すためのデータシートや製品ページを確認する時間が削減できます。

図6：インダクタ選択ツールにより、幅広いアプリケーションにおいてインダクタの性能を迅速に評価することができます。（画像提供：Murata）

まとめ

PoC用の複雑なバイアス-T回路の設計における課題は、Murataの広帯域インダクタを使用することで大幅に簡素化できます。これらのインダクタは、従来複数の部品を必要としていた回路を単一の部品で置き換えることができ、スペースの節約とシステム安定性の向上を実現します。Murataは、アプリケーションに特化したインダクタの製品ファミリと強力なオンライン設計ツールを提供することで、技術者がPoC技術の開発および採用する際の大きな障壁を無くし、技術導入を容易にします。