신뢰성 높은 인덕터를 사용하여 자동차의 안전성을 보장하는 방법

첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)과 자율 주행 시스템(ADS)은 안전필수 자동차 자율 주행 시스템으로, 센서 입력을 바탕으로 중요한 결정을 내리는 다수의 고급 프로세서로 구성됩니다. 이러한 프로세서는 통상적으로 다양한 저전압 레벨에서 작동하지만 최대 두 자릿수 암페어(A) 범위의 전류를 사용하는 경우도 있습니다.

전력 관리 집적 회로(PMIC)가 프로세서에 여러 종류의 전압을 공급하는 데 사용되지만, 안정적인 전력을 보장하기 위해서는 신뢰성 높은 인덕터가 필요합니다. 이러한 인덕터는 최대 10MHz의 전력 스위칭 주파수에서 적은 전력 손실로 대량의 전류를 처리할 수 있어야 합니다. 또한 인덕터는 작은 인쇄 회로(PC) 기판 실장 면적과 낮은 높이로 체적 효율적이어야 합니다. 자율 주행 시스템의 모든 부품과 마찬가지로, AEC-Q200과 같이 자동차 산업에서 요구하는 엄격한 신뢰성 및 안전 표준을 충족해야 합니다.

이 기사에서는 ADAS/ADS의 처리 요구 사항에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 이런 응용 분야를 위해 특별히 설계된 TDK의 인덕터를 소개하고, 이 인덕터의 고유한 특성이 견고하고 안전한 자동차 설계를 보장하는 데 어떻게 도움을 주는지 살펴봅니다.

자율 주행 시스템

통상적인 ADAS/ADS는 자율 주행에 필요한 신속한 결정을 내리기 위해 여러 센서와 연결된 특수 프로세서를 사용합니다(그림 1).

그림 1: ADAS/ADS에서 사용하는 프로세서는 센서 입력을 바탕으로 차량을 제어하기 위해 PMIC에서 공급하는 고전류 수준의 안정적인 저전압 전력이 필요합니다. (이미지 출처: EPCOS-TDK)

이러한 프로세서의 전원 레일 전압은 약 1볼트로 일반적으로 낮지만, 전류 레벨은 수십 암페어에 달할 수 있어 PMIC에 부담을 줄 수 있습니다. 그림 1의 보조 컨버터는 PMIC와 함께 8개의 전력 인덕터를 사용하여 프로세서에 전력을 공급합니다.

전력 인덕터는 전자기장에 에너지를 저장하는 수동 소자이며, 전원 공급 장치 회로와 DC/DC 컨버터에 널리 사용됩니다. 전력 인덕터는 강압 또는 벅 컨버터로 PMIC와 함께 사용되며, 전력 변환 프로세스의 성능에 영향을 미치는 핵심 부품입니다(그림 2).

그림 2: 전력 인덕터의 역할이 강조 표시되어 있는 단일 벅 컨버터의 간략한 회로도 (이미지 출처: EPCOS-TDK)

벅 컨버터는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 만들어 냅니다. 벅 컨버터에서 스위치는 입력 전압 소스(V_IN)와 직렬로 배치됩니다. 입력 소스는 스위치와 저역 통과 필터를 거쳐 출력을 제공합니다. 이 필터는 전력 인덕터와 출력 커패시터로 구현됩니다. 스위치가 T_ON 상태 동안 켜져 있는 안정적인 작동 상태에서, 입력이 출력과 전력 인덕터를 구동합니다. 이 T_ON 상태 동안 '스위치 켜짐' 화살표와 같이 순방향으로 전압 레벨(V_IN)과 출력 전압(V_OUT) 사이의 차이가 인덕터에 가해집니다. 인덕터 전류(I_L)는 I_peak까지 선형적으로 상승합니다.

스위치가 꺼져 있는 경우(T_OFF), 인덕터에 저장된 에너지가 정류 다이오드를 통해 부하에 계속 전류를 공급하기 때문에 '스위치 꺼짐' 화살표로 표시된 바와 같이 인덕터 전류는 같은 방향으로 계속 흐릅니다. 이 T_OFF 상태 동안 인덕터에는 출력 전압 V_OUT이 역방향으로 작용되고 인덕터 전류는 I_peak 값보다 감소합니다. 그 결과 삼각 리플 전류가 발생합니다. 리플 전류의 값은 전력 인덕터의 유도 용량과 관련이 있습니다. 유도 용량값은 통상적으로 정격 출력 전류의 20% ~ 30%의 리플 전류가 발생하도록 설정됩니다. 출력 전압은 스위치의 듀티 사이클에 비례합니다.

부하가 갑자기 증가하면 출력 전압이 강하되어 출력 커패시터를 충전하기 위해 비정상적으로 과도한 피크 전류가 짧은 시간 동안 전력 인덕터를 통해 흐르게 됩니다. 전력 인덕터의 값은 컨버터의 과도 응답에 영향을 미치며, 인덕터의 값이 작을수록 회복 시간이 빨라지고 그 값이 클수록 회복 시간이 길어집니다.

차량 환경에서 사용될 때 이러한 인덕터는 매우 높은 전기 및 기계 표준을 충족해야 합니다. 그중 가장 중요한 것은 높은 신뢰성입니다. 차량에서 작동하기 위한 수동 부품의 신뢰성과 품질은 자동차 전자 위원회(AEC)에서 정한 표준에 따라 인증됩니다. 수동 부품은 AEC-Q200에 따라 인증을 받습니다. 이 표준은 자동차 산업에서 사용되는 모든 수동 전자 부품이 충족해야 하는 응력 내구성에 대한 글로벌 표준입니다. 테스트에는 충격, 진동, 습도, 솔벤트, 납땜 열, 기판 굴곡, 정전기 방전(ESD)에 대한 내성이 포함됩니다. 테스트에는 극한 온도 노출 및 열 순환을 동반하는 -40°C ~ +125°C의 온도 테스트도 포함됩니다.

자동차 응용 분야의 경우 인덕터는 크기가 작아야 하며 예상되는 자동차 온도 범위에서 작동할 수 있어야 합니다. 이 범위에서 기능이 작동하기 위해서는 전력 손실 및 온도 상승을 최소화하기 위해 낮은 직렬 저항이 필요합니다. 인덕터는 또한 일반적으로 PMIC에서 사용하는 2MHz ~ 10MHz 범위의 전력 스위칭 주파수에서 작동할 수 있어야 하며, 고포화 전류가 발생할 가능성이 있는 높은 과도 부하도 처리할 수 있어야 합니다.

자동차용으로 설계된 전력 인덕터

EPCOS-TDKare의 CLT32 계열 전력 인덕터는 ADAS/ADS 응용 제품용으로 설계되었으며 높은 신뢰성, 높은 정격 전류, 낮은 직렬 저항, 고포화 전류 및 작은 크기를 특징으로 합니다(그림 3).

그림 3: TDK CLT32 계열 전력 인덕터는 내부 연결이 없는 두꺼운 구리 권선을 사용하는 일체형 코일/단자 구조를 제공합니다. 마그네틱 몰딩 소재는 부드러운 포화 특성을 보장합니다. (이미지 출처: EPCOS-TDK)

CLT32 전력 인덕터는 통합 단자 구조를 가진 일체형의 두꺼운 구리 코일 주위에 형성됩니다. 이는 불안정한 작동을 유발할 수 있는 내부 연결이 없음을 의미합니다. 또한 두꺼운 구리 코일은 직렬 저항을 0.39mΩ까지 낮게 유지하여 전력 손실을 최소화합니다. 저항이 낮을수록 부하가 걸렸을 때 발생하는 열도 낮아집니다.

코일은 코일의 코어와 외부 하우징을 모두 형성하는 새롭게 개발된 강자성 플라스틱 성분으로 오버몰딩되어 있습니다. 코어 재료는 고온 및 고주파 응용 분야에서도 탁월한 전기적 특성이 있습니다. 특히 주목할 만한 점은 코어 손실이 적다는 점입니다. 또한 저압 및 저온에서 가공할 수 있는 소재의 특성 덕분에 생산 중 코일에 가해지는 응력을 최소화할 수 있습니다.

코어 재료는 대체 가능한 페라이트 소재에 비해 부드러운 포화 특성을 제공합니다. 자기 포화로 발생된 유도 용량의 변화는 포화 드리프트로 표현되는데 이는 유도 용량의 백분율 변화로 측정됩니다(그림 4).

그림 4: CLT32 코어는 자기 포화에 대한 낮은 포화 드리프트를 나타내며 부드러운 반응성을 제공합니다. (이미지 출처: EPCOS-TDK)

CLT32 코어 재료는 특히 고온에서 포화로 인한 유도 용량 값의 변화가 눈에 띄게 낮으며, 최대 60A의 포화 전류를 제공합니다.

전체 인덕터는 3.2mm x 2.5mm x 2.5mm 크기의 낮은 높이 패키지에 들어갑니다. 이 높은 체적 효율은 설계를 더 큰 PC 기판으로 옮기지 않고도 여러 개의 인덕터를 사용할 수 있음을 의미합니다. 인덕터는 -40°C ~ +165°C의 온도 범위에서 작동하도록 정격화되었습니다. 이 범위는 위에서 언급한 최대 AEC-Q200 테스트 온도 125°C의 요구 사항을 초과하는 온도 범위입니다.

TDK CLT32 전력 인덕터는 표 1에 표시된 대로 17nH ~ 440nH의 유도 용량 값으로 제공됩니다.

표 1: TDK CLT32 전력 인덕터의 명시된 특성과 해당 주문 코드가 표시되어 있습니다. 모두 동일한 3.25mm x 2.55mm x 2.55mm x 2.5mm 낮은 높이 패키지 규격에 맞습니다. (표 출처: EPCOS-TDK)

표를 참조하여 살펴보면 R_DC은 인덕터의 직렬 저항입니다. 유도 용량이 높을수록 더 많은 턴이 필요하므로, 유도 용량 값에 따라 조정된다는 점에 유념해야 합니다. I_SAT는 포화로 인한 유도 용량 값의 감소에 따른 포화 전류로, 유도 용량과 반비례하여 조정됩니다. I_temp는 패키지의 온도 상승에 따른 최대 정격 전류입니다. I_temp도 유도 용량 값 값에 반비례하여 조정됩니다.

전력 인덕터의 손실에는 코일의 직렬 저항에 비례하는 DC 손실이 포함됩니다. 스킨 효과, 히스테리시스 손실, 와전류 손실로 인한 AC 손실도 있습니다. 와전류 AC 손실은 코어 재료와 연관되어 있습니다.

박막 또는 금속 복합 인덕터와 같은 대체 기술에 비해 CLT32 인덕터는 리플 전류 전력 손실이 더 낮습니다(그림 5).

그림 5: CLT32 전력 인덕터는 박막 또는 금속 복합 인덕터 기술보다 리플 전류 전력 손실이 낮습니다. (이미지 출처: EPCOS-TDK)

AC 리플 손실이 낮다는 것은 더 높은 리플 전류가 허용될 수 있음을 의미하며, DC/DC 컨버터에서 더 낮은 정전 용량 값을 가능하게 합니다.

또한 손실이 적다는 것은 다른 인덕터 유형에 비해 효율이 높다는 의미입니다(그림 6).

그림 6: 단일 출력 벅 컨버터 제품군에서의 전력 인덕터의 성능 비교를 통해 CLT32 전력 인덕터의 더 높은 효율성을 확인할 수 있습니다. (이미지 출처: EPCOS-TDK)

가벼운 부하 상태에서는 코어 손실이 전력 인덕터의 효율을 좌우하지만, 부하가 높을수록 저항 손실로 인해 효율이 떨어집니다. 모든 상황에서 CLT32 전력 인덕터는 다른 기술의 인덕터보다 탁월합니다.

결론

TDK CLT32 계열 전력 인덕터에 통합된 혁신적인 설계 개념은 경쟁 기술보다 더 작은 크기와 더 나은 전기적 성능을 제공하면서 더 높은 신뢰성을 보장합니다. 온도 범위가 폭넓고 주파수 범위가 광범위하므로 차세대 ADAS/ADS 설계에 사용하기에 이상적인 부품입니다.