USB-Cが現代の車載USB充電器設計に不可欠になった理由

現代の自動車はすべて、スマートフォン、タブレット、その他のデバイスに電力を供給する必要があります。そのため、車載USB充電器は車内設計の中核を成す要素となり、現在では各座席に高品質なUSBカーチャージャーが設置されています。

運転者と乗客は、高速充電と複数のUSBポートを期待しています。

現代のUSBカーチャージャー設計は、以下によってこのニーズを満たしています。

  • USB-Cポート
  • Power Delivery (PD) コントローラーおよびハブ

こうした部品は小型かつ安全で、自動車規格に準拠して製造されなければなりません。

USB-Cへの移行と最新の車載USBポート

長年にわたり、自動車はUSB-Aポートに依存してきましたが、充電電力が限られ、データ転送も比較的低速でした。現在、ほとんどの新型車両設計ではUSB-Cが採用されており、小型コネクタでより高い電力供給をサポートし、システム設計によってはデータや映像も伝送できます。これにより、前席と後席の乗客の双方にとって便利な充電ポートが実現し、多くの新型車両では、USB-Cが個人用デバイスへの給電において従来の12 V電源ソケットを補完、または一部置き換える傾向が強まっています。

この移行は世界的な規制とも整合しています。EUでは共通充電器指令により、2024年12月からスマートフォン、タブレット、その他多くの電子機器にUSB-C充電ポートが義務付けられ、ノートパソコンも2026年4月から対象となります。

USB Power Delivery (PD) : 車載システムの要件

USB Power Delivery (PD) は、柔軟な充電を実現する鍵となる技術です。PDでは、ポートが接続デバイスに合わせて出力を調整できるため、1つのポートでスマートフォン、タブレット、ノートパソコンに給電できます。

インフィニオンの車載用USB-CコントローラーはUSB PD 3.2に準拠し、幅広い電圧範囲でProgrammable Power Supply (PPS) に対応しています。

シングルポートの車載用USB-C PDコントローラーは、1つのポートで最大100 Wの電力出力をサポートできるため、幅広いデバイスに対応する汎用性の高いUSB電源として機能します。

USB Power Delivery (PD) は、充電器と接続デバイスの間で必要な電圧と電流を安全にネゴシエートし、複数の電力プロファイルにわたる効率的な充電を可能にします。充電器は、接続されたデバイスとネゴシエーションして要求された電力のみを供給します。

USB Power Delivery (PD) は、柔軟な充電を実現する鍵となる技術です。PDでは、ポートが接続デバイスに合わせて出力を調整できるため、1つのポートでスマートフォン、タブレット、ノートパソコンに給電できます。

インフィニオンの車載用USB-CコントローラーはUSB PD 3.2に準拠し、幅広い電圧範囲でProgrammable Power Supply (PPS) に対応しています。

シングルポートの車載用USB-C PDコントローラーは、1つのポートで最大100 Wの電力出力をサポートできるため、幅広いデバイスに対応する汎用性の高いUSB電源として機能します。

USB Power Delivery (PD) は、充電器と接続デバイスの間で必要な電圧と電流を安全にネゴシエートし、複数の電力プロファイルにわたる効率的な充電を可能にします。充電器は、接続されたデバイスとネゴシエーションして要求された電力のみを供給します。

車載グレードUSBハブIC: USBハブの車載設計要件

USBハブの車載ソリューションにより、1つのシステムで複数のポートを同時に動作させることができます。ハブは各ポートのデータを管理し、PDコントローラーは電力を管理します。これらを組み合わせることで車内充電器の中核を形成し、1つの設計で複数のデバイスを同時に充電できます。

車載用ハブICには厳しい要件があります。小型で高効率であることに加え、耐熱性を備え、すべてのポートに強力な保護機能が必要です。

主な保護機能は次のとおりです。

  • 過電圧保護 (OVP)
  • 過電流保護 (OCP)
  • 短絡保護 (SCP)
  • ESD (静電気放電) 保護

インフィニオンのCCG7Sは、OVP、OCP、SCP、ESD保護機能をチップ上に統合しており、さらにVBUS短絡保護も加わりました。このオンチップ統合により、部品表 (BOM) を削減し、基板スペースを節約し、信頼性を向上させます。

USBハブの車載ソリューションにより、1つのシステムで複数のポートを同時に動作させることができます。ハブは各ポートのデータを管理し、PDコントローラーは電力を管理します。これらを組み合わせることで車内充電器の中核を形成し、1つの設計で複数のデバイスを同時に充電できます。

車載用ハブICには厳しい要件があります。小型で高効率であることに加え、耐熱性を備え、すべてのポートに強力な保護機能が必要です。

主な保護機能は次のとおりです。

  • 過電圧保護 (OVP)
  • 過電流保護 (OCP)
  • 短絡保護 (SCP)
  • ESD (静電気放電) 保護

インフィニオンのCCG7Sは、OVP、OCP、SCP、ESD保護機能をチップ上に統合しており、さらにVBUS短絡保護も加わりました。このオンチップ統合により、部品表 (BOM) を削減し、基板スペースを節約し、信頼性を向上させます。

車載USB-Cアプリケーション: ヘッド ユニットと後部座席

USB-CとハブICは、車室内のさまざまな場所で使用されます。最も一般的な導入形態はヘッドユニット電源モジュールです。多くの場合ブレークアウト ボックスとして構成され、通常は次のアプリケーション向けに2つ以上のUSB-Cポートを備えています。

  • データ転送
  • Apple CarPlay
  • Android Auto
  • マス ストレージへのアクセス
  • 接続機器の充電用USB Power Delivery (PD)

 

ヘッドユニット以外にも、車載グレードのコントローラーは後部座席用充電器や後部座席エンターテイメント システムにも使用されており、後部座席の乗客にも同様の充電機能とデータ機能を提供します。

シングルポートからデュアルポートまでの車載用USBカー チャージャー ソリューション

ハイエンドのデュアルポート車載用USB-C PDコントローラーは、ポートあたり最大100 Wに対応します。そのため、デュアルポート構成では1つのチップで2席にフルパワー給電が可能です。

これにより、前席と後席の両方で、複数の乗客に対して高出力充電を同時に提供できるデュアルポート車載用USBカー チャージャーを設計できます。

シングルポート用途では、同等のシングルポート コントローラーが、よりコンパクトなフォーム ファクターで同じ堅牢な保護機能と熱管理機能を提供します。

シングルポート/デュアルポートのいずれの設計でも、一般的に外付けサーミスタによるプログラム可能な温度監視と、内蔵のサーマル スロットリングを備えています。これにより設計者は、充電器の熱への応答をカスタマイズできます。これは、長距離移動中も車内の快適性を保つうえで重要です。

これらのコントローラーは、後部座席エンターテイメント用途向けにDisplayPort Alternate Modeに対応するよう構成することもできます。この場合、1つのUSB-Cコネクタで後部ディスプレイに電源と映像を同時に供給できます。

例えば、インフィニオンのEZ-PD™ CCG7Dは、これらの機能を備え、ポートあたり最大100 Wをサポートするデュアルポートの車載用USB-C PDコントローラーです。

車載用USB-C

車内USBシステムにおけるEMI/EMCの課題

車内には電気ノイズが多く存在します。モーター、センサー、ラジオが狭い空間を共有しているためです。車載用USB充電器はこれらのシステムに悪影響を与えてはならず、また、そのようなノイズが存在する状況下でも確実に動作し続ける必要があります。

これがEMI/EMCの課題です。

  • EMIとは、部品が外部に放射するノイズを指します。
  • EMCとは、部品がどの程度ノイズに耐性があるかを示す指標です。

自動車設計における主要な規格はCISPR 25で、AM、FM、GPS、Bluetoothなどの車載無線受信機を保護するための制限値を定めています。自動車メーカーは、部品を承認する前にCISPR 25への準拠を求めるのが通例です。

設計者は、いくつかの方法でこれらの制限値を満たします。

  • 排出を抑えるための効率的なスイッチングに加え、フィルターの追加や基板レイアウトの最適化を行います。
  • スイッチング周波数を調整できることも有効で、インフィニオンのCCG7xバックブースト コントローラーは、入力許容範囲が最大40 Vで、150 kHz～600 kHzの間で動作できます。これにより、設計者はノイズを影響を受けやすい無線帯域から外すことができ、車室内全体の安定性を維持できます。

必要な車載認定

自動車部品は厳格な試験に合格する必要があり、主要な規格はAEC-Q100です。これは、集積回路が熱、ストレス、経時に対してどの程度耐えられるかを評価します。

インフィニオンのEZ-PD™シリーズには、車載用途向けのAEC-Q100規格準拠バージョンが含まれています。車載コントローラー:

  • Automotive Grade-Sの評価を取得
  • 動作温度範囲 −40℃～+105℃
  • 動作電圧範囲は4 V～24 Vで、車両のバッテリーラインに最適

顧客体験のための電力および熱スロットリング

出力が高いほど、発熱も増えます。車室内は日射やエンジンの熱ですでに高温になっている場合があり、充電によってさらに熱が加わるため、車室内充電器の設計では熱が最大の課題の一つです。設計者は、損失の少ない高効率なPDコントローラーを選定して対処します。また、チップ上に統合されたバックブースト段により、電力を効率的に変換できます。

それでもポートが高温になりすぎる場合、システムはサーマル スロットリングを使用します。CCG7xには32ビットのArm® Cortex®-M0プロセッサが搭載されており、多段階の電力スロットリングや温度監視などのカスタム機能を実現できます。また、サーミスタ用のGPIOも備えています。つまり、ポート温度をリアルタイムで読み取り、温度が高くなりすぎた場合はコントローラーが電流を低減します。充電速度は低下しますが、危険な形で停止することはなく、ポートが冷えるとフルパワーに戻ります。適切に設計された急速充電器は小刻みにスロットリングするため、ユーザーにとってスムーズな使用感を維持できます。

車載用USB-C: 充電を超えて

USB-Cは充電だけでなく、データや映像も伝送します。これは車載用途における大きな利点の1つです。USB-Cポート1つで後部座席用ディスプレイを駆動でき、この目的のためにCCG7xはDisplayPort Alternate Modeに対応しています。

1本のケーブルで電力と映像の両方を伝送できます。

  • PDコントローラーが電力を供給
  • ハブとポートがデータを処理

これにより、後部座席でスクリーン、タブレット、ゲーム機などを利用できます。つまり、USB-Cは1つのポートを柔軟な電源供給とデータリンクの両方として活用でき、その結果、すべての乗客にとってより豊かな車内体験を実現します。

さらに詳しく知るための関連資料

車載用USBハブおよび充電設計に関するよくある質問

自動車システムでは、一般的にどのようなUSB規格が使用されていますか？

最近の車のほとんどは、USB Power Delivery (PD) に対応したUSB-Cを採用しています。USB-Cは、リバーシブルなプラグ1つでデータと電力の両方を扱えます。インフィニオンの車載用USB-Cコントローラーは、USB PDリビジョン3.2に準拠しています。PDにより、ポートは各デバイスに合わせて出力を調整できます。多くのシステムでは、USBハブとPDコントローラーを組み合わせて、複数のポートを同時に動作させています。

車載用USBポートには、過電圧保護 (OVP) 、過電流保護 (OCP) 、および短絡保護 (SCP) が必要です。また、静電気パルスに対するESD保護も必要です。インフィニオンのコントローラーでは、これらの機能はVBUS短絡保護とともにPDコントローラーに組み込まれています。これにより、過酷な車室内環境でも各ポートの安全性が確保されます。

PD対応のUSB-Cは幅広い範囲をカバーします。基本的なポートでは、スマートフォン向けに約18 WのUSB出力を供給できます。インフィニオンの車載用コントローラーは、ポートあたり最大100 Wまで対応可能です。正確なレベルは、コントローラーとシステムの電力予算によって異なります。

主な懸念事項は熱です。車室内はすでに高温の場合があり、充電によってさらに発熱します。設計者は、高効率コントローラー、適切な部品配置、および空気の流れを用いてこれを管理します。統合された昇降圧ステージは、効率を向上させ、発熱を低減します。

インフィニオンのコントローラーは、内蔵のArm® Cortex®-M0プロセッサとサーミスタ入力を用いて温度をリアルタイムで監視します。ポートが過熱すると、コントローラーは電流を下げます。充電は短時間低速になり、ポートが冷えるとフルパワーに戻ります。これにより、デバイス、ケーブル、および車が保護されます。

用途によります。前席のスマートフォン用ポートは18 W～30 Wを想定していることが多く、品質の高いUSBケーブルはそのレベルに対応している必要があります。後席のタブレット用ポートは30 W～60 Wを想定している場合があり、その場合はより高い電力に対応した車載用USBケーブルが必要です。ノートパソコン対応ポートは最大100 Wを想定している場合があります。これらは一般的な区分であり、固定されたルールではありません。

車載用ICはAEC-Q100に適合しています。インフィニオンの車載用USB-CコントローラーはAutomotive Grade-Sの定格を備え、−40℃～+105℃ で動作します。そのため、車室内の温度変動に適しています。

インフィニオンのEZ-PD™ポートフォリオには、高度な熱管理機能とDisplayPort Alt Modeを備えたUSB PD 3.2をサポートするCCG7S (シングルポート) およびCCG7D (デュアルポート) が含まれます。USB PD 3.0を必要とするアプリケーション向けには、CCG3PAが実績のある代替製品です。性能要件とPower Deliveryのバージョンに基づいて選択してください。

乾燥した車室内では、必ずしも完全な防水性は必要ありません。ただし、ドア、カップホルダー、開放型コンソールの近くのポートは、液体のこぼれやほこりの影響を受ける可能性があります。密閉型コネクタと基本的な防塵性能により、これらのポートの長寿命化に役立ちます。

はい。1つのUSB-Cポートで電力と映像の両方を伝送できます。これにより、1本のケーブルで後部座席のスクリーンを駆動できます。PDコントローラーが電力を供給し、ハブとポートがデータを処理します。インフィニオンのコントローラーは、ヘッドユニット、後部座席用充電器、後部座席用エンターテインメント用途を対象としています。