수동 부품의 신중한 선택 및 사용을 통해 신뢰할 수 있는 자동차 시스템 보장

자동차 전자 장치에 대한 수요는 엔진룸 전자 제어 장치(ECU), 인포테인먼트 시스템, 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 등을 포함한 다양한 응용 제품 전반에서 증가하고 있습니다. 자동차 전자 장치 시스템은 신뢰할 수 있고 견고한 성능을 보장해야 하므로 다양한 고성능 부품이 요구됩니다. 이러한 부품으로는 필터링 및 에너지 저장용 커패시터, 회로 보호용 배리스터, 콤팩트한 ECU용 커넥터, 연결을 지원하는 RF, 극초단파 수동 부품 및 안테나가 있습니다.

차량 내 위치에 따라 온도, 충격 및 진동, 습도, 과도 전압, 정전기 방전(ESD) 및 기타 환경 요인에 대한 요구 사항이 달라질 수 있습니다. 이 모든 경우에 AEC-Q200 요구 사항을 충족하는 수동 부품이 필요합니다.

설계자는 일반적으로 자동차 설계의 어려운 문제를 확실하게 해결하기 위해 일련의 부품 중에서 신중하게 선택해야 하고, 특히 AEC-Q200 성능 표준에 부합하도록 부품을 엄선해야 합니다, 이는 관련된 부품의 수와 다양성에 따라 까다롭고 시간이 많이 소요되는 작업일 수 있습니다.

설계자는 첨단 자동차 전자 시스템과 관련된 까다로운 문제를 해결하는 동시에 시장 출시 시간을 최소화하기 위해 이미 자동차 인증을 획득한 다양한 부품을 포함하는 검증된 단일 공급업체를 활용할 수 있습니다. 여기에는 커패시터, 회로 보호 장치, 커넥터, RF와 극초단파 수동 부품 그리고 안테나가 포함됩니다.

이 기사에서는 Kyocera AVX의 뛰어난 장치를 비롯하여 설계자가 사용할 수 있는 여러 커패시터 기술의 작동 특성과 응용 분야 적합성을 간략하게 비교합니다. 그런 다음 자동차 솔루션에 사용하기 위한 회로 보호 장치, 커넥터, RF와 극초단파 수동 부품 그리고 안테나의 예를 소개합니다.

자동차 커패시터

10V 이하 및 최대 100µF의 정전 용량과 같은 일반적인 응용 제품 요구 사항의 경우, 여러 커패시터 기술이 기능 측면에서 상당히 겹칩니다(그림 1). 그렇다고 해서 이는 모든 응용 제품에 똑같이 적합하다는 의미는 아닙니다. 설계자는 이런 제품 간 성능의 미묘한 차이를 고려해서 선택해야 합니다. 몇 가지 중요한 고려 사항으로는 인가 전압(전압 계수)에 따른 정전 용량 변화, 온도에 따른 정전 용량 변화(온도 계수) 및 주파수(임피던스 곡선)에 따른 등가 직렬 저항(ESR) 변화가 있습니다.

그림 1: 전압 및 정전 용량 등급 기준으로 보면 다양한 커패시터 기술 간에는 유사점이 많습니다. (이미지 출처: Kyocera AVX)

높은 정전 용량 전압(CV) 정격 다층 세라믹 커패시터(MLCC)는 작은 패키지에 많은 정전 용량을 담을 수 있습니다. 일부 고체 탄탈룸 및 탄탈룸 폴리머 커패시터는 일반적으로 높은 CV MLCC와 실장 면적이 동일합니다. 산화 니오븀 커패시터는 체적 정전 용량 등급이 다소 낮습니다. 높은 CV MLCC는 다음 두 가지 유전체 중에서 선택할 수 있습니다.

• X5R 유전체는 높은 CV MLCC에서 최대 100µF의 최고 정전 용량 정격을 생성할 수 있습니다.
• X7RLCC는 통상적으로 최대 약 22µF로 제한되지만 온도 안정성이 매우 우수합니다.

예를 들어 12103C106K4T4A X7R MLCC의 정격은 10µF 및 25V입니다. 정전 용량의 비선형 온도 변화는 -55°C ~ +125°C에서 ±15% 이내입니다. X7R의 정전 용량도 전압과 주파수에 따라 달라집니다. X7R 유전체 MLCC는 적용된 전압으로 인해 정전 용량 변동이 발생할 수 있음이 허용되는 응용 분야에 특히 적합할 수 있습니다.

전압 및 온도 계수

이들은 비교적 안정적이지만, 바이어스 전압이 정격 전압(RV) 쪽으로 증가함에 따라 높은 CV MLCC의 정전 용량은 감소합니다. 탄탈룸, 산화 니오븀 및 폴리머 커패시터는 평탄한 전압 계수를 갖습니다. 또한 높은 CV MLCC는 고온 및 저온에서 정전 용량이 감소하는 반면 탄탈룸, 산화 니오븀 및 폴리머 커패시터는 아주 낮은 온도 계수를 갖습니다(그림 2).

그림 2: MLCC와 비교할 때 탄탈룸 커패시터는 평탄한 전압 계수(왼쪽 두 그래프)와 아주 낮은 온도 계수(오른쪽 그래프)를 갖습니다. (이미지 출처: Kyocera AVX)

ESR 대 주파수

임피던스 곡선 또한 중요할 수 있습니다. 높은 CV MLCC는 급격한 공진과 낮은 ESR을 갖는 반면, 탄탈룸 및 산화 니오븀 커패시터는 광대역 임피던스 곡선을 갖습니다(그림 3). 탄탈룸 및 산화 니오븀 장치의 ESR은 저온에서 증가합니다. 폴리머 커패시터는 광대역 임피던스 특성을 가지며, 탄탈룸 및 산화 니오븀에 비해 ESR이 낮습니다. 또한, 저온에서 폴리머 장치의 ESR은 낮게 유지되는 반면 탄탈룸 및 니오븀 산화물 커패시터의 ESR은 상승합니다.

그림 3: 탄탈룸 커패시터는 광대역 임피던스 곡선(주황색)을 갖는 반면, 높은 CV MLCC는 낮은 ESR(파란색)을 갖습니다. (이미지 출처: Kyocera AVX)

ECU용 탄탈룸 커패시터

자동차 ECU 설계자는 6.3V ~ 35V의 정격 전압, -55°C ~ 125°C의 작동 온도 범위 및 최대 150µF의 정전 용량으로 사용할 수 있는 Kyocera AVX의 AEC-Q200 호환 F97 계열 탄탈룸 커패시터를 사용할 수 있습니다. 예를 들어 F971A107MCC의 정격은 100µF 및 10V입니다.

차체 전자 장치용 폴리머 커패시터

폴리머 커패시터는 탄탈룸 커패시터처럼 -55°C ~ +125°C의 작동 온도 범위를 갖습니다. 하지만 폴리머는 최대 50V의 RV에서 사용할 수 있고 이와 비교해 탄탈룸 장치는 35V에서 사용할 수 있습니다. AEC-Q200 인증 폴리머 커패시터의 TCQ 계열은 정전 용량이 최대 470μF이고 정격 수명은 125°C에서 2,000시간으로 이는 AEC-Q200 사양이 요구하는 사항의 두 배입니다. 이러한 커패시터의 자동차 응용 분야로는 차체 전자 장치, 인포테인먼트, 실내 제어 장치, 편의 시스템이 포함되며, 이를 위해 330µF 및 4V 정격의 TCQD337M004R0025E같은 장치의 이점을 누릴 수 있습니다.

차내 시스템용 산화 니오븀

OxiCap NOJ 계열과 같은 니오븀 산화물 커패시터는 최대 1000μF의 정전 용량 값과 최대 10V의 RV를 갖습니다. 이 커패시터는 시트 위치 모듈, 에어백 제어 및 인포테인먼트 시스템과 같이 최대 7V의 작동 전압을 가진 응용 분야에서 사용하도록 설계되었습니다. 이 커패시터의 작동 온도 범위는 -55°C ~ +105°C입니다. 예를 들면 NOJC107M004RWJ의 정격은 100µF이고 4V입니다. 산화 니오븀은 높은 저항과 불연성의 장애 모드를 가진 그 자체로 안전한 기술입니다. 또한 85°C에서 1,000시간 작동 시 0.5%의 고장률을 보일 정도로 신뢰성이 매우 높습니다.

고전압 MLCC

높은 CV 설계 외에도, MLCC는 최대 5,000V의 정격 전압으로 제공됩니다. Kyocera AVX의 AEC-Q200 인증 630V, 0.15µF 1825CC154KAT2A는 고주파 자동차 전력 변환기 및 고전압 커플링 또는 DC 차단의 스너버 및 공진기에 사용하도록 설계되었습니다. 이러한 고전압 칩 설계는 고주파에서 낮은 ESR을 갖습니다.

슈퍼 커패시터

슈퍼 커패시터는 자동차 시스템에서 백업 전력, 배터리 수명 연장을 위하여 사용되며 순간 전력 펄스를 제공합니다. AVX의 SCC 계열은 2.7V 및 3.0V 정격 장치에서 1 F ~ 3,000F의 정전 용량으로 제공됩니다. SCCV40E506SRB의 정격은 50F 및 3V이며 최대 ESR은 20mΩ입니다(그림 4). 이의 아세토나이트릴(ACN) 전해질 기술은 낮은 ESR을 제공합니다. 약 10°C 또는 0.2V 부하 경감마다 ACN 장치의 예상 수명이 두 배로 증가하므로, 긴 수명을 요구하는 응용 분야에 적합합니다. 특수 목적에 최적화된 SCC LE 계열 부품은 더 낮은 ESR을 제공하기도 합니다.

그림 4: SCCV40E506SRB와 같은 슈퍼 커패시터는 백업 전력을 제공하고, 배터리 수명을 연장하며, 순간 전력 펄스를 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: Kyocera AVX)

ESD 보호

ESD 보호는 대부분의 자동차 시스템에서 필요합니다. Kyocera AVX의 TransGuard 낮은 클램핑 다층 배리스터는 AEC-Q200 인증을 받았으며, 더 낮은 클램핑 대 작동 전압 비율이 필요한 경우에 사용하도록 설계되었습니다. 이는 ECU, 인포테인먼트 시스템 및 차내 디스플레이와 같은 응용 분야를 위한 단일 부품의 전자파 장해 및 무선 주파수 간섭(EMI/RFI) 감쇠뿐만 아니라 양방향 ESD 과전압 보호 기능을 제공합니다. VLAS080516C350RP의 작동 전압은 16V 직류(V_DC) 또는 11V 교류(VAC)이고, 항복 전압은 19.5V +12%이며, 클램핑 전압은 35V이며 900pF의 정전 용량을 갖습니다(그림 5).

그림 5: VLAS080516C350RP는 낮은 클램핑 다층 배리스터이며 양방향 ESD 보호 및 EMI/RFI 감쇠를 제공합니다. (이미지 출처: Kyocera AVX)

AEC-Q200 인증을 획득한 낮은 정전 용량 장치의 Kyocera AVX ASPGuard 제품군은 RF 시스템, 센서, 고속 데이터 라인 및 정전 용량에 민감한 회로를 높은 에너지로부터 보호해야 하는 기타 영역과 같은 응용 분야를 위해서 설계되었습니다. ASPGuard ESD 보호 장치는 저누설 전류를 가지며, -55°C ~ +150°C의 작동 온도 범위와 18VDC ~ 70V_DC의 작동 전압을 제공합니다. 예를 들어 VCAS04AP701R5YATWA는 70V_DC 정격이며, 정전 용량은 1.55 ±0.13pF, 누설 전류는 0.1μA입니다.

ECU용 카드 에지 커넥터

고밀도 자동차 ECU에는 그림 6에 표시된 12접점 009159012651916 카드 에지 커넥터와 같은 보다 고밀도의 상호 연결 솔루션이 필요합니다. 2열 9159-650 커넥터 계열은 4개 ~ 12개의 접점으로 제공되며, 비슷한 크기의 단일 열 설계보다 두 배 많은 접점을 제공하는 엇갈린 접촉 단자 열의 구조를 특징으로 합니다. 이 카드 에지 커넥터는 분극 유무와 관계없이 사용할 수 있습니다. 극성 커넥터를 사용하려면 잘못된 삽입을 방지하기 위해 PC 기판에 키가 포함되어 있어야 합니다. 이 커넥터는 1.6mm 두께의 PC 기판과 함께 사용하도록 설계되었습니다. 이 커넥터에는 금도금 접점이 있으며, PC 기판의 금도금 된 패드와 결합할 때 높은 수준의 신뢰성과 신호 무결성을 제공하고 2.5A의 전류를 전달할 수 있습니다.

그림 6: 009159012651916 12접점 카드 에지 커넥터는 고밀도 ECU 연결 요구 사항을 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Kyocera AVX)

차량 연결성

RF 및 극초단파 방향성 커플러, 인덕터 및 안테나는 위치 시스템, 무키 시동 승차 및 ​​V2X(Vehicle to Everything) 연결을 포함하여 점점 더 다양한 응용 분야에서 요구되고 있습니다. 방향성 커플러는 많은 RF 신호 체인의 중요한 부분입니다. 이는 분석, 측정 및 처리를 지원하기 위해 신호와 샘플링된 포트 간에 높은 분리도와 낮은 삽입 손실로 RF 신호를 샘플링하는 데 사용됩니다. 예를 들어 CP0603A0836ANTR은 824MHz ~ 849MHz 대역에서 20.0dB 커플링, 0.25dB 최대 삽입 손실, 28dB 반사 손실 및 22dB 지향성으로 작동하는 RF 방향성 커플러입니다.

RF 안테나 튜닝은 ADAS, V2X 통신 및 차량 내 연결과 같은 고성능 자동차 RF 응용 분야에서 중요합니다. L0201R39AHSTR\500 RF 튜닝 인덕터는 450MHz에서 0.39(±0.05)nH의 고정 유도 용량을 가지며, 550mA 정격으로 최대 저항이 100밀리옴(mΩ)입니다. 자동 조립품을 지원하는 견고한 박막 다층 구조를 사용하여 제작되었습니다.

콤팩트하고 효율적인 안테나는 RF 시스템의 핵심 부품입니다. AEC-Q200은 안테나에 직접 적용되지 않지만, Kyocera AVX는 AEC-Q200에 대한 절차 및 요구 사항을 면밀히 준수하여 자동차 정격 안테나를 테스트합니다. 그 결과로 A1001013 Wi-Fi, Bluetooth 및 Zigbee 안테나와 같은 A 계열 안테나가 자동차 응용 분야에 권장됩니다(그림 7).

그림 7: A1001013 자동차 정격 안테나는 Wi-Fi, Bluetooth 및 Zigbee 응용 분야에 사용하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Kyocera AVX)

결론

설계자는 자율 주행 및 커넥티드 차량에서 강력하고 안정적이며 효율적인 작동을 보장하기 위해 광범위한 AEC-Q200 인증 수동 부품을 찾고 선택하는 데 점점 더 어려움을 겪고 있습니다. 하지만 자동차 정격 커패시터, 회로 보호 장치, 커넥터, RF 및 극초단파 수동 부품 및 안테나를 공급할 수 있는 이미 알려진 신뢰할 수 있는 제조업체를 사용하여 이 공정을 가속화할 수 있습니다.

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