자동차 시장을 위한 F-RAM™

소개

전자 부품이 자동차에 미치는 영향력은 해가 갈수록 커지고 있습니다. 과거에는 기계로 작동했던 시스템이 전자 제어 장치(ECU)로 전환되고 있습니다. 자동차 안전 및 사용자 엔터테인먼트를 위한 새로운 시스템으로 인해 복잡성과 리소스에 대한 필요성이 증가합니다.

자동차 전자 장치 서브 시스템 개요

자동차 전자 장치는 독립적이면서도 서로 연결된 서브 시스템으로 나눠집니다. 각 서브 시스템은 특정 작업을 담당하며, 단순한 무선 통신 제어 인터페이스부터 복잡한 충돌 방지 시스템에 이르기까지 그 범위와 복잡도가 다양합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 서브 시스템은 어느 정도 기본적인 구조를 공유합니다. 그 예로 마이크로 컨트롤러 장치(MCU), 시스템 버스 인터페이스(CAN/OBD2 형식, 최근의 이더넷), 입력 센서, 출력 제어 논리를 들 수 있습니다. 또한, 여러 서브 시스템에서 데이터를 연속적으로 즉시 저장해야 하며 이는 성능 및 내구성 설계 요구 사항으로 이어집니다. 이런 경우 Cypress의 강유전체 램(F램, F-RAM)이 유용할 수 있습니다.

그림 1: 광범위하게 사용되는 자동차 전자 장치 서브 시스템

F-RAM을 사용하면 시스템에서 추가적인 메모리와 메모리 내구성 관리를 위한 오버헤드 없이 최대 버스 속도로 계속해서 데이터를 저장할 수 있습니다. F-RAM은 즉각적 비휘발성이므로 정보 저장을 위한 추가적인 안정화 시간이 필요 없으며, 쓰기 내구성이 10¹⁴회입니다(대부분의 EEPROM과 FLASH의 경우 10⁶회 미만임).

대부분의 시스템에서 데이터 저장을 필요로 하지만, 이 기사에서는 F-RAM의 이점을 활용할 수 있는 경우에 대해 중점적으로 알아봅니다. 예를 들어, 간단한 무선 통신 ECU는 사용자 사전 설정 데이터와 현재 상태를 저장해야 합니다. 사용자 사전 설정은 자주 변경될 가능성이 없으며, 실제로 한 번 설정되면 거의 ROM과 같이 취급됩니다. 반면, 현재 상태는 자주 변경되지만 복원이 그다지 중요하지 않기 때문에 간단한 무선 통신 시스템에 비휘발성 메모리를 추가하는 것은 아무런 가치가 없습니다. 그러나, 더 진보된 엔터테인먼트 및 네비게이션 시스템에서는 용도에 따라 F-RAM의 기능을 잘 활용할 수 있습니다.

이 기사에서는 배터리 관리, 타이어 압력 모니터링, 잠김 방지 브레이크, 에어백 배치, 이벤트 데이터 레코더의 다섯 가지 자동차 서브 시스템을 검토하며 각각에서 Cypress의 F-RAM 제품을 활용할 수 있는 주요 기능을 식별합니다.

배터리 관리

배터리 관리 시스템(BMS)은 전기 및 하이브리드 차량에서 배터리 시스템을 모니터링하고 제어하는 전자 제어 시스템입니다. 이 장치의 주요 기능은 각 배터리 전지가 손상되지 않도록 보호하고, 각 전지의 수명을 연장하며, 차량에 실시간으로 에너지를 분배하는 것입니다.

BMS에서는 각 배터리 전지의 작동 파라미터를 독립적으로 모니터링합니다. 이러한 파라미터에는 전지 전압, 전지 전류(충전 및 소모), 전지 온도가 포함됩니다. 최신 리튬 이온 배터리는 충전 밀도(에너지 저장 용량)가 매우 높고 전류 소모가 높지만(내부 저항 낮음) 매우 엄격한 작동 제어가 필요합니다. 리튬 이온 전지에서 문제가 발생하는 주된 원인은 과충전 또는 충전 부족입니다. 따라서 리튬 이온 전지를 사용하는 모든 시스템에서 BMS가 중요할 수 있습니다.

최신 전기 및 하이브리드 차량에서는, 동력 전달을 제어하는 엔진 관리 시스템, 재생식 브레이크를 위한 브레이크 서브 시스템, 동력 차단을 위한 안전 서브 시스템, 통신 및 인포테인먼트를 위한 객실 서브 시스템과 같은 여러 차량 서브 시스템과 BMS가 연결됩니다.

그림 2에서는 BMS 및 연결된 서브 시스템의 레이아웃을 보여 줍니다. 기본 시스템에는 각 전지에서 적절한 충전 상태를 유지하는 데 사용되는 이퀄라이저와 전지를 모니터링하는 ECU가 포함되어 있습니다. ECU는 각 전지의 온도 및 전압 정보와 다른 서브 시스템의 전기 요청을 수집한 후 이퀄라이저에 전지의 충전 균형을 유지하도록 지시합니다. 약한 전지는 더 자주 충전되고, 강한 전지는 에너지 요청에 더 많이 사용됩니다. 이는 배터리 팩의 전체 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.

그림 2: 배터리 관리 시스템

ECU는 다양한 배터리 기술에 따라 프로그래밍할 수 있는 기능이 필요하며 주로 사용되는 기술은 리튬 이온과 니켈 수소입니다. 이 시스템은 또한 단기적(최근 몇 회의 충전 주기) 및 장기적(수명 전체) 전지 성능을 모니터링할 수도 있어야 합니다. 이 기능은 배터리 수명을 최대화하는 데 매우 중요하며, 초당 최대 60회의 단기적 모니터링은 Cypress F-RAM의 높은 내구성을 이 응용 분야에 이상적인 메모리 기술이 되게 하는 고유한 요구사항입니다.

타이어 압력 모니터링

타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS)에서는 모든 타이어의 내부 타이어 압력을 모니터링하고 압력이 부족한 타이어가 발견된 경우에는 이를 보고합니다. 2012년부터 이 서브 시스템은 유럽과 미국의 모든 새 자동차에 의무적으로 장착되었습니다. 이 시스템은 무선 압력 센서와 무선 수신기/데이터 로거의 두 가지 주요 모듈로 구성되어 있습니다. 압력 센서의 주된 요구 사항은 전력을 자급하고 타이어에서 가해지는 환경적인 힘을 견딜 수 있는 것입니다. Cypress의 F-RAM은 전력 요구 사항이 낮으므로 센서 모듈에서 데이터 저장소로 사용하는 데 이상적입니다.

무선 수신기/데이터 로그는 모든 센서의 데이터를 저장하고 트리거 지점에 도달할 경우 사용자에게 경보를 제공할 수 있어야 합니다. Cypress의 F-RAM은 내구성이 강화되어 더욱 정교한 누출 감지가 가능합니다.

그림 3: 타이어 압력 모니터링

더 많은 압력 기록을 저장함으로써 TPMS는 압력 부족 이벤트를 트리거할 수 있을 뿐만 아니라 사용자에게 시간 경과에 따른 느린 누출에 대해 경보를 표시할 수도 있습니다. 이 타이어 압력 기록은 장치 고장이나 사고를 조사하는 경우에도 유용합니다. 그림 3에서는 TPMS의 기본적인 시스템 설계를 보여 줍니다.

잠김 방지 브레이크

잠김 방지 브레이크 시스템(ABS)은 브레이크 작동 중에 바퀴가 잠기는 것을 방지하는 데 사용됩니다. 이 시스템은 차량의 안전 시스템에서 중요한 부분이며, 빗길이나 빙판길에서 브레이크 및 스티어링 성능을 강화하는 데 유용합니다. 이 시스템은 각 바퀴의 브레이크 압력을 독립적으로 조절하는 방식으로 작동합니다. 기존 브레이크 시스템에 유압 변조기와, 변조기 제어에 사용되는 ECU가 추가된 구조입니다. 시스템 자체는 대량의 비휘발성 메모리가 없어도 작동할 수 있지만, TPMS 서브 시스템에서와 마찬가지로 장기적인 이벤트 로그를 보존하면 사고로 이어지는 이벤트를 확인할 때 귀중한 자원으로 활용됩니다.

시스템 이벤트의 마지막 몇 초 또는 몇 분을 기록하는 데 사용되는 롤링 버퍼는 비휘발성이고, 쓰기 속도가 빠르며, 내구성이 높아야 합니다. Cypress의 F-RAM은 이 3가지 시스템 요구 사항을 모두 충족합니다. 지연 없이 빠르게 쓸 수 있으며 기록의 가장 중요한 부분이 유실될 위험이 없습니다. 또한 쓰기 내구성이 10¹⁴회인 이 메모리는 시스템의 수명 요구 사항도 충족할 수 있습니다. 그림 4에서는 기본적인 ABS 설계를 보여 줍니다.

그림 4: 잠김 방지 브레이크

에어백 전개

에어백 전개 서브 시스템은 '보조 구속 시스템(SRS)'으로 알려진 서브 시스템 클래스의 메인 시스템입니다. SRS는 좌석 벨트와 같은 기존 구속 시스템과 함께 사용됩니다. SRS는 전면을 향해 확장되는 백과 충돌/가속도계의 두 가지 주요 요소로 구성되어 있습니다. 사고가 발생할 경우 백을 확장하는 데 필요한 성능을 얻기 위해 1개의 가압 가스 캐니스터가 사용됩니다. 이로 인해 에어백은 1회만 사용 가능하고 차량의 다른 부품에 파괴적인 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 전개하는 데 큰 비용이 듭니다.

그림 5: 에어백 전개

안전과 교체 비용에 대한 수요 때문에, 제조업체에서는 좌석에 앉아 있는 사람을 모니터링하고 기록하는 다양한 센서를 추가했습니다. 여기에는 다양한 위치 센서와 함께 에어백 시스템의 효율을 높이며 에어백 서브 시스템을 보조하는 승객 착석 압력 센서가 포함됩니다. 위치 데이터는 지속적으로 업데이트되며, 시스템 전개 시점은 물론 그 이후까지도 저장되어야 합니다. 위치 데이터를 지속적으로 기록하고 비휘발성 메모리에 저장해야 한다는 요구 사항을 고려할 때 Cypress의 고성능 저전력 고내구성 F-RAM은 이상적인 솔루션입니다.

이벤트 데이터 레코더

EDR(이벤트 데이터 레코더)는 충돌 전후의 차량 작동과 관련된 정보를 모니터링하고 기록하는 서브 시스템입니다. '블랙박스'라고도 하는 이 시스템은 이벤트의 후행 시간 기록을 통해 다른 서브 시스템에 연결하고 데이터를 모니터링하는 독립형 시스템입니다.

EDR 서브 시스템은 네트워크 인터페이스와 비휘발성 메모리의 두 가지 주요 블록으로 구성되어 있습니다. 2014년부터 미국의 차량 대부분에 EDR를 통합해야 합니다. 차량에 있는 수많은 서브 시스템에서 데이터를 저장해야 하기 때문에, 비휘발성 메모리의 쓰기 성능과 직접 메모리 어드레싱 기능이 매우 중요합니다.

대부분의 EEPROM과 플래시 메모리는 장치에 접근할 수 없는 동안 쓰기 지연 시간이 5밀리초이며, 전력이 공급되지 않으면 데이터가 유실될 수 있습니다. Cypress의 F-RAM은 쓰기 지연이 없습니다. 이 장치는 특히 인터페이스에서 다음 버스 클록보다 먼저 준비됩니다. 다른 여러 비휘발성 메모리도 페이지 수준 읽기-수정-쓰기 절차에 따라 단일 바이트의 데이터를 저장해야 하지만 Cypress의 F-RAM은 직접 바이트 어드레싱이 가능하기 때문에 한 번 쓴 데이터를 그대로 남길 수 있습니다.

네비게이션 및 인포테인먼트

네비게이션 시스템은 차량 운전자가 목적지를 찾고 경로 정보를 받는 데 사용됩니다. 대부분의 네비게이션 시스템에서는 GPS(글로벌 포지셔닝 시스템) 신호와 전자 지도를 사용하여 운전자가 목적지를 찾을 수 있도록 지원합니다.

네비게이션 시스템은 건물이나 기타 장애물로 인해 GPS를 일시적으로 사용할 수 없는 경우, 이전 전력 주기의 위치 데이터를 사용하여 차량의 위치를 찾을 수 있어야 합니다. 이런 상황에서 시스템은 차량의 알려진 시작점과 속도 및 방향 등의 다른 센서를 사용하여 위치를 계산합니다.

그림 6: 네비게이션

네비게이션 시스템은 차량의 오디오 시스템과 디스플레이를 사용할 수 있도록 차량 엔터테인먼트 시스템에 통합되는 경우가 많습니다. 이렇게 결합된 시스템을 '인포테인먼트 시스템'이라고 합니다. 이러한 시스템 결합으로 제고되는 이점은 간단합니다. 두 시스템 모두 운전자와의 상호 작용이 많으며, 특히 오디오를 많이 사용합니다. 이렇게 결합된 시스템에서는 네비게이션 시스템이 오디오 시스템에 쉽게 접근할 수 있고, 중요한 운전자 정보를 전달해야 할 경우 오디오 시스템을  쉽게 차단할 수 있습니다.

그림 7: 인포테인먼트

엔진 제어 모듈

엔진 제어 모듈(ECM)은 최신 차량에서 가장 강력하고 값비싼 서브 시스템입니다. 일반적으로 ECM은 차량 내의 발전 및 분배에 관한 모든 측면을 제어합니다. ECM은 대개 최대 100MHz의 속도로 실행할 수 있는 32비트 마이크로 컨트롤러와 수 메가바이트의 시스템 메모리, 다른 서브 시스템에 접근하는 데 사용되는 다양한 네트워크 인터페이스, 수십 개의 입력 및 출력 제어 시스템으로 구성됩니다. 이 장치는 다양한 컨트롤에서 사용자 입력을 받아 엔진의 현재 상태와 함께, 엔진 부품을 지휘하는 엔진 제어 모델에 입력합니다.

전자 ECM 전에는 엔진 설계자가 설계 일부로서 엔진 동작의 균형을 조정해야 했지만, 최신 ECM이 등장한 후로는 엔진 동작이 실시간으로 조절되며, 사용자가 다양한 성능 프로파일을 적용할 수 있습니다. ECM을 실시간으로 조절할 수 있어 엔진 성능과 효율도 크게 향상됩니다.

그림 8: 엔진 제어 모듈

Cypress F-RAM의 장점은 시스템이 현재 상태를 기록하는 방식에 있습니다. 마모되는 부품이 있기 때문에 현재 상태를 비휘발성 메모리에 기록해 두면 전력이 공급되는 순간부터 시스템을 효율적으로 작동할 수 있습니다. 또한 전력이 차단되는 시기를 모르기 때문에 시스템 상태를 연속적으로 기록해야 하며 이때 F-RAM의 높은 쓰기 내구성이 요구됩니다.

자동 운전자 지원 시스템

자동 운전자 지원 시스템(ADAS)은 차량 운전자의 사고를 방지하기 위해 설계된 안전 시스템의 모음입니다. 이러한 시스템에는 자율 비상 브레이크(AEB), 도로 감지 경고(LDW), 적응형 크루즈 컨트롤(ACC)이 포함되며 실시간 데이터를 기록하고 저장하는 기능이 필요합니다.

이 3개 시스템은 시각 또는 레이더를 통한 일종의 전방 감시 이미징을 사용하여 차량이 안전한 범위에 있는지 감지합니다. ACC에서는 레이더를 사용하여 차량의 앞에서 최소 시간 간격을 유지합니다. AEC에서는 레이더를 사용하여 차량이 장애물에 너무 빨리 접근하는 경우를 감지하고 브레이크를 작동합니다. LDW에서는 전방 카메라를 사용하여 차량의 앞에서 차선을 감지하고 차량이 차선을 벗어나지 않는지 확인합니다.

F-RAM 자동차 부품 매트릭스

Cypress F-RAM은 특정 응용 분야를 식별하는 데 사용해야 하는, EEPROM 및 플래시와 비교한 세 가지 주요 이점을 제공합니다.

• F-RAM은 즉각적 비휘발성이므로, 데이터 로거와 같이 가장 중요한 데이터가 종종 시스템 고장의 위험이 있어 정밀한 타이밍이 요구되는 응용 분야에서 이상적인 솔루션이 됩니다.
• 쓰기 내구성도 EEPROM의 경우 10⁶회, 플래시의 경우 10⁵회인 반면 F-RAM은 10¹⁴회이기 때문에 지속적으로 데이터를 써야 하는 후행 데이터 로거에 이상적입니다.
• F-RAM은 쓰기 전력 요구 사항이 낮으므로 배터리나 커패시터와 같은 독립적인 전원을 사용하는 응용 제품에 이상적입니다.

F-RAM은 또한 외부 온도에 대한 유연성이 뛰어나므로 작동 온도가 올라가도 쓰기 내구성과 데이터 보존 능력을 잘 유지할 수 있습니다. 여러 EEPROM의 내구성 사양은 85°C를 기준으로 하기 때문에 125°C를 요구하는 자동차 응용 제품에 적합하지 않습니다(EEPROM 내구성은 105°C로 떨어짐).

표 1에는 Cypress의 F-RAM 제품과 해당 주요 파라미터가 나와 있습니다.

부품 번호	밀도	I/O	전압	온도	I/O 속도	내구성	85°C에서 보존
CY15B128J-SXA	128Kb	I²C	2V ~ 3.6V	-40°C ~ 85°C	3.4MHz	1014	100년
CY15B256J-SXA	256Kb	I²C	2V ~ 3.6V	-40°C ~ 85°C	1MHz	1014	100년
FM24CL64B-GA	64Kb	I²C	3V ~ 3.6V	-40°C ~ 125°C	1MHz	1014	100년
CY15B102Q-SXE	2048Kb	SPI	2V ~ 3.6V	-40°C ~ 125°C	20MHz	1014	100년
CY15B128Q-SXA	128Kb	SPI	2V ~ 3.6V	-40°C ~ 85°C	40MHz	1014	100년
CY15B256Q-SXA	256Kb	SPI	2V ~ 3.6V	-40°C ~ 85°C	40MHz	1014	100년
FM25040B-GA	4Kb	SPI	4.5V ~ 5.5V	-40°C ~ 125°C	14MHz	1014	100년
FM25640B-GA	64Kb	SPI	4.5V ~ 5.5V	-40°C ~ 125°C	4MHz	1014	100년
FM25C160B-GA	16Kb	SPI	4.5V ~ 5.5V	-40°C ~ 125°C	15MHz	1014	100년
FM25CL64B-GA	64Kb	SPI	3V ~ 3.6V	-40°C ~ 125°C	16MHz	1014	100년
FM25L04B-GA	4Kb	SPI	3V ~ 3.6V	-40°C ~ 125°C	10MHz	1014	100년

표 1: Cypress의 자동차 F-RAM 제품 라인

F-RAM의 주요 응용 분야

요약하면, F-RAM은 내구성이 높고, 바이트 어드레싱이 가능하며, 쓰기 지연이 없는 저전력 비휘발성 메모리 기술입니다. 이 기술의 이상적인 분야는 비휘발성 메모리가 필요하며 F-RAM의 쓰기 내구성 및 쓰기 속도를 활용할 수 있는 시스템입니다.

쓰기 내구성이 중요한 응용 분야에는 이벤트 발생 시기까지는 물론이고 그 이후까지도 데이터를 기록하고 저장할 수 있어야 하는 시간 기반 데이터 로거가 있습니다. 그 예로는 사고 기록, 적응형 크루즈 컨트롤, 에어백 로거, 자율 비상 브레이크, 배터리 관리, 엔진 제어, 이벤트 데이터 레코더, 타이어 압력 모니터링 등이 포함됩니다.

쓰기 속도가 중요한 응용 분야에는 가장 중요한 데이터가 시스템 실패와 결부되는 제품이 있습니다. 해당하는 예에는 사고 레코더, 배터리 관리, 압력 모니터링, 네비게이션 및 엔진 제어가 포함됩니다.