더 다양한 기술이 탑재될 미래 차량

과거에는 차량의 총 가치 중 전자 시스템이 차지하는 비율이 1%에 불과했습니다. 하지만 요즘에는 기술에 대한 소비자의 수요가 증가하고 이용 가능한 기술적 역량이 증대되면서 차량에 요구되는 전자 제어 장치(ECU)의 수가 급증했습니다. 예를 들어 오늘날의 하이엔드 자동차에는 최대 100개의 ECU와 최대 1억 개의 코드 라인이 필요할 수 있습니다. 이는 과거 차량에 비해 훨씬 늘어난 수치이며 자동차를 구성하는 데 ECU가 얼마나 중요한 요소인지를 보여주는 근거이기도 합니다.

전자 시스템이 수동 및 모터 구동식 부품을 대체하면서 CO₂ 방출량이 줄어들고 전기로 전력을 공급받는 고급 전기 및 연료 하이브리드(HEV) 차량과 전기 차량이 점점 늘어나고 있습니다. 이 모든 것은 운전의 미래가 오늘날의 수송과는 상당히 다른 모습을 띠게 될 것임을 알려줍니다. 방출량 최적화 HEV와 자율 주행 제로 방출 EV는 다른 차량 외에도 차량 시스템 내부는 물론, 도시 및 도로 인프라와도 통신하게 됩니다. Texas Instruments(TI)의 백서 “Driving the Green Revolution in Transportation”(교통 분야에서의 녹색 혁명 주도)에는 HEV 및 EV의 이점이 자세히 설명되어 있습니다.

HEV 및 EV에 대한 소비자 수요 급증을 야기시키는 몇 가지 주요 요인이 있습니다.

• 내연 엔진 환경 규제 압력
• 전기 동력 전달 장치 및 배터리 기술 발전
• 편의성 및 인포테인먼트 기능에 대한 소비자의 기대

수요 급증을 저지하는 한 가지 요인은 기존의 12V 납축 배터리의 용량 한도가 이러한 혁신의 증가하는 전력 부하 요구 사항으로 인해 압력을 받고 있다는 점입니다. 자동차 산업에서는 이러한 증대된 전력화 수요를 충족하기 위한 솔루션을 고안했습니다. 그들은 기존의 12V 배터리 하나로 생성할 수 있는 것보다 더 많은 전력을 공급하는 보조 48V 전기 시스템을 개발했습니다. 하지만 이러한 고전압 시스템에는 시스템의 안전성이 저하되는 것을 방지하는 것은 물론, 운전자와 동승자를 감전으로부터 보호하기 위해 안전 및 절연 제어 목적으로 광범위한 분리 조치가 필요합니다.

이러한 설계 과제를 극복하고 더 안전하고 효율적인 교통 시스템을 만들어낼 수 있도록, TI에서는 수많은 솔루션과 설계 지원을 제공하고 있습니다. 다음은 이러한 부품 및 참조 설계 중 일부입니다.

TIDA Texas Instruments 참조 설계

TIDA-03040 자동차 션트 기반 ±500A 정밀 전류 감지 참조 설계: 이 TI 션트 기반 전류 센서 참조 설계(그림 1)는 작동 온도 범위 -40°C ~ +125°C에서 0.2% 미만의 FSR 정확도를 제공합니다. 여러 자동차 응용 제품에서 배터리 관리 시스템, 모터 전류 등을 포함한 정밀 전류 감지 기능을 필요로 합니다. 이러한 중요 응용 제품의 정확도가 떨어지게 되면 비선형성, 온도 변동, 션트 허용 오차 범위에서 서서히 결과가 나타나게 됩니다. 이러한 문제는 이 설계로 TI의 전류 션트 모니터(INA240)와 신호 조절기(PGA400-Q1)를 사용함으로써 해결할 수 있습니다.

그림 1: 자동차 션트 기반 ±500A 정밀 전류 센서를 위한 Texas Instruments의 TIDA-03040 참조 설계 제품 구성도. (이미지 출처: Texas Instruments)

TIDA-03050 - 자동차, mA-kA 범위, 전류 션트 센서 참조 설계: 이 참조 설계에서는 mA ~ KA 범위의 전류를 감지하는 데 버스 바 유형의 션트 저항기가 사용됩니다. EV 및 HEV는 고용량의 배터리 성능, 더 폭넓은 작동 전류 범위, 수요 모니터링을 위한 고도로 정확한 전류 센서로 인해 수요가 지속적으로 증대되고 있습니다. 시스템 잡음이 큰 편이므로 3개의 10진 범위(mA ~ A, 1A ~ 100A, 100A ~ 1,000A)에 걸쳐 전류를 정확하게 측정한다는 것은 상당히 까다로운 과제입니다. 이 문제를 해결하기 위해 이 설계에서는 TI 고분해능 아날로그 디지털 컨버터(ADC)와 높은 정확도의 전류 션트 모니터를 사용합니다.

TIDA-01604 - 98.6% 효율성, HEV/EV 온보드 충전기용 6.6kW 토템폴 PFC 참조 설계: SiC 분리형 게이트 구동기가 포함된 C2000 MCU 구동 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET이 이 참조 설계의 기반입니다(그림 2). 이 설계에는 240V 입력 및 총 6.6kW 전력에서 98.46%의 효율성으로 연속 전도 모드(CCM)에서 작동하는 3상 인터리빙이 구현되었습니다. 경부하 전력 요인은 C2000 MCU가 지원하는 위상 흘림 및 적응형 부동 시간 제어로 개선되었습니다. 게이트 구동기 기판(뒤에서 설명되는 TIDA-01605 참조)은 강화된 분리를 구현하고 100V/ns 이상의 공통 모드 과도 상태에 대한 내성(CMTI)을 견디면서 4A의 소스 전류와 6A의 싱크 피크 전류를 제공할 수 있습니다. 또한 게이트 구동기 기판에는 2레벨 끄기 회로가 포함되어 있어 단락 현상이 발생할 경우 전압 오버슈트로부터 MOSFET을 보호합니다.

그림 2: HEV/EV 온보드 충전기용 Texas Instruments TIDA-01604 참조 설계 이미지. (이미지 출처: Texas Instruments)

TIDA-01605 - 2레벨 끄기 보호 기능이 탑재된 자동차 이중 채널 SiC MOSFET 게이트 구동기 참조 설계: 이 TI 참조 설계에는 하프 브리지 구성에서 SiC MOSFET을 구동하기 위한 자동차 인증 분리형 게이트 구동기 솔루션이 탑재되어 있습니다. 이 설계에는 이중 채널 분리형 게이트 구동기를 위한 2개의 푸시풀 바이어스 공급 장치가 포함되어 있으며 각 공급 장치는 +15V 및 -4V 출력 전압과 1W의 출력 전력을 제공할 수 있습니다. 앞에서 언급한 바와 같이 이 게이트 구동기는 4A 소스 전류와 6A 싱크 피크 전류를 제공할 수 있습니다. 강화된 분리 장벽은 8kV 피크 및 5.7kV RMS 분리 전압을 견딜 수 있으며 최소 100V/ns의 CMTI를 제공합니다. 또한 앞에서 언급된 바와 같이, 이 기판에는 2레벨 끄기 회로가 포함되어 있어 단락 현상이 발생할 경우 전압 오버슈트로부터 MOSFET을 보호합니다. 이 설계에는 구성 가능한 DESAT 감지 임계값과 두 번째 단계 끄기에 대한 지연 시간이 설정되어 있습니다. 고장 및 리셋 신호를 인터페이싱하기 위해 ISO7721-Q1 디지털 절연기가 사용됩니다. 전체적으로 이 참조 설계는 콤팩트한 40mm × 40mm 폼 팩터의 2레이어 인쇄 회로 기판(PCB)에 적합합니다.

TIDA-01168 - 12V/48V 자동차 시스템용 양방향 DC-DC 컨버터 참조 설계: 이 참조 설계는 12V/48V 자동차 시스템용 4상 양방향 DC-DC 컨버터 개발 플랫폼 역할을 합니다. 시스템은 전력 스테이지 제어를 위해 TMS320F28027F MCU와 2개의 LM5170-Q1 전류 컨트롤러를 사용합니다. C2000 MCU는 LM5170-Q1 서브 시스템이 전류 제어를 위해 평균 전류 피드백을 사용하는 동안 전압 피드백을 제공합니다. 이 제어 스키마를 사용하면 다상 컨버터에 일반적인 위상 전류 밸런싱이 제거됩니다. LM5170-Q1 기반 시스템을 이용하면 높은 수준의 통합이 가능하여 PCB 영역을 줄이고 설계를 단순화하며 개발을 가속화할 수 있습니다.

제품

ISO7731-Q1: ISO773x-Q1 장치 제품군은 UL 1577에 따른 5000VRMS(DW 패키지) 및 2500VRMS(DBQ 패키지) 분리 정격을 제공하는 고성능 3중 채널 디지털 절연기입니다. 이 제품군은 CQC, CSA, TUV, VDE에 따라 절연 정격을 강화했습니다. 이러한 장치는 CMOS 또는 LVCMOS 디지털 I/O를 분리하면서 저전력에서 낮은 방출로 높은 전자기 내성을 제공합니다. 각 분리 채널에서 논리 입력 및 출력 버퍼는 이산화규소(SiO₂) 절연 장벽으로 분리됩니다. 장치 활성화 핀은 다중 마스터 구동 응용 제품에 대해 각 출력을 고임피던스로 설정하고 전력 소비를 줄이는 데 사용될 수 있습니다. ISO7730-Q1 장치는 3개의 모든 채널을 같은 방향으로 제공하며 ISO7731-Q1 장치는 2개의 순방향 및 1개의 역방향 채널을 갖습니다. 입력 전력 또는 신호를 잃을 경우 접미사가 “F”인 장치의 기본 출력은 low이고 접미사 “F”가 없는 장치의 기본 출력은 high입니다.

UCC21520-Q1: 이 장치는 분리형 이중 채널 게이트 구동기입니다(그림 3). 이는 4A 소스 전류와 6A 싱크 피크 전류를 제공합니다. 낮은 전파 지연 및 펄스 폭 왜곡을 갖는 이 장치는 최대 5MHz에서 전력 MOSFET, SiC MOSFET, IGBT를 구동하도록 설계되었습니다. 입력측과 두 개의 출력 구동기는 최소 100V/ns CMTI의 5.7kVRMS 강화 분리 장벽에 의해 분리됩니다. 2개의 2차측 구동기 간 내부 기능적 분리를 통해 최대 1500VDC의 전압까지 작동할 수 있습니다. 이 장치의 설계 덕분에 모든 구동기는 두 개의 로우사이드 구동기, 두 개의 하이사이드 구동기 또는 프로그래밍 가능 부동 시간(DT)을 갖춘 하프 브리지 구동기로 구성할 수 있습니다. 두 출력 모두 비활성화 핀에 의해 동시에 차단되므로 열려 있거나 접지될 경우 정상 작동이 가능합니다. 1차측 논리 오류는 고장 시 안전 조치로서 두 출력을 모두 low로 강제합니다.

그림 3: Texas Instruments의 UCC21520-Q1 분리형 이중 채널 게이트 구동기 기능별 제품 구성도 (이미지 출처: Texas Instruments)

UCC21222-Q1: 부동 시간을 프로그래밍할 수 있고 온도 범위가 폭넓은 이 분리형 이중 채널 게이트 구동기는 극한의 온도 조건에서 일관된 성능과 견고성을 보여줍니다. 4A 피크 소스와 6A 피크 싱크 전류는 전력 MOSFET, IGBT, GaN 트랜지스터를 구동할 수 있도록 설계되었습니다. UCC21222-Q1에는 2개의 로우사이드 구동기, 2개의 하이사이드 구동기 또는 하브 브리지 구동기 등 여러 구성이 있습니다. 5ns 지연 정합 성능 덕분에 두 출력을 병렬 연결할 수 있어 내부 슛스루 위험 없이 고부하 조건에서 구동 강도를 두 배로 높일 수 있습니다. 2개의 출력 구동기는 최소 100V/ns CMTI의 3.0kVRMS 분리 장벽에 의해 입력측으로부터 분리됩니다.

LM5170-Q1: LM5170-Q1 컨트롤러에 의해 자동차 48V 및 12V 이중 배터리 시스템을 위한 이중 채널 양방향 컨버터의 필수 고전압 및 정밀 소자가 활성화됩니다. 이 제품은 DIR 입력 신호에 의해 지정된 방향으로 고전압 포트와 저전압 포트 간의 평균 전류 흐름을 조정함으로써 이를 수행합니다. 전류 조정 레벨은 아날로그 또는 디지털 PWM 입력을 통해 프로그래밍됩니다. 1%의 일반적인 전류 정확도는 이중 채널 차동 전류 감지 증폭기와 전용 채널 전류 모니터를 통해 달성됩니다. 5A 하프브리지 게이트 구동기는 채널당 500W 또는 그 이상을 전달할 수 있는 병렬 MOSFET 스위치를 구동할 수 있습니다. 또한 동기식 정류기의 다이오드 에뮬레이션 모드는 네거티브 전류를 방지할 뿐만 아니라 경부하 효율을 향상시키기 위한 불연속 모드 작동을 지원합니다. MOSFET 장애 감지, HV 및 LV 포트에서의 과전압 보호, 주기별 전류 제한, 과온 보호 등, 수많은 보호 기능이 장치에 탑재되어 있습니다.

INA301-Q1: 이 장치에는 과전류 보호 기능을 제공하도록 구성된 높은 공통 모드의 전류 감지 증폭기와 고속 비교기가 모두 포함되어 있습니다. 이러한 과전류 감지는 전류 감지 또는 전류 션트 저항기에서 발생한 전압을 측정하고, 이 전압을 정의된 임계값 제한과 비교하여 수행됩니다. INA301-Q1은 단일 외부 제한 설정 저항기를 사용하여 설정되는 조정 가능한 제한 임계값 범위를 특징으로 합니다. 이 전류 션트 모니터는 공급 전압에 관계없이 0V에서 최대 36V까지 달라질 수 있는 공통 모드 전압에서 차동 전압 신호를 측정합니다. 개방 드레인 경보 출력은 출력 상태가 입력 상태를 따르는 투과 모드나, 래치가 리셋되면 경보 출력이 클리어되는 래치 모드에서 작동하도록 구성할 수 있는 옵션이 있습니다. 1s 미만의 장치 경고 응답 시간으로 과전류 발생 시 신속하게 감지할 수 있습니다.

INA240-Q1: 자동차 인증 INA240-Q1은 향상된 PWM 제거 기능을 갖춘 전압 출력, 전류 감지 증폭기입니다. 이 제품은 공급 전압과 상관없이 -4V ~ 80V의 폭넓은 공통 모드 전압 범위에 걸쳐 션트 저항기 전반의 강하를 감지할 수 있습니다. 네거티브 공통 모드 전압의 이점은 장치가 접지 아래에서 작동할 수 있어 일반 솔레노이드 응용 제품의 플라이백 기간을 수용한다는 점입니다. 이 장치의 향상된 PWM 제거율은 모터 구동 및 솔레노이드 제어 시스템을 포함하는 PWM 신호를 사용하는 시스템에서 대형 공통 모드 과도 상태(ΔV/Δt)를 위한 높은 수준의 억제를 제공합니다. 이 기능을 통해 큰 과도 상태 및 출력 전압에 연결된 회복 리플 없이 전류를 정확하게 측정할 수 있습니다. INA240-Q1은 단일 2.7V ~ 5.5V 전원 공급 장치로 작동하며 최대 2.4mA를 소모합니다. 현재 20V/V, 50V/V, 100V/V, 200V/V의 4가지 고정 이득으로 제공됩니다. 장치의 낮은 오프셋, 제로 드리프트 아키텍처를 통해 션트의 최대 전압 강하(최저 10mV 풀스케일)까지 전류를 감지할 수 있습니다. 1등급 버전은 8핀 TSSOP 및 8핀 SOIC 패키지로 제공되며 -40°C ~ +125°C의 폭넓은 온도 범위에 걸쳐 작동합니다. 0등급 버전은 8핀 SOIC 패키지로만 제공되며 -40°C ~ +150°C의 폭넓은 온도 범위에 걸쳐 작동합니다.

AMC1305M05-Q1: 이는 정전 용량 이중 절연 장벽을 갖춘 정밀 델타 시그마(ΔΣ) 변조기로 출력을 입력 회로망으로부터 분리하는 자기 전파 방해에 대해 높은 내성을 제공합니다(그림 4). 이 절연 장벽은 DIN V VDE V 0884-10, UL1577 및 CSA 표준에 따라 최대 7,000VPEAK의 강화 절연을 제공합니다. 분리형 전원 공급 장치와 연결하면 AMC1305M05-Q1이 공통 모드 고압선 상에 있을 수 있는 잡음 전류가 로컬 시스템 접지로 들어가서 낮은 전압 회로를 방해하거나 손상시키는 것을 방지할 수 있습니다. 이 장치는 뛰어난 AC 및 DC 성능을 지원하면서 션트 저항기 또는 기타 저전압 레벨 신호 발생기에 직접 연결하는 데 최적화되었습니다. 일반적으로 션트 저항기는 온보드 충전기, 트랙션 인버터 또는 기타 다른 자동차 응용 제품에서 전류를 감지합니다. TMS320F2837x에 통합된 것과 같은, 비트 스트림을 제거하기에 적합한 디지털 필터를 사용함으로써 이 장치는 78kSPS의 데이터 전송률에서 85dB의 작동 범위(13.8 ENOB)를 갖춘 16비트의 분해능을 달성할 수 있습니다.

그림 4: Texas Instruments의 AMC1305M05-Q1 정밀 델타 시그마(ΔΣ) 변조기의 단순화된 회로도 (이미지 출처: Texas Instruments)

TMS320F28069M: MCU의 자동차 인증 F2806x Piccolo 제품군에는 핀 수가 적은 장치에 강력한 C28x 코어 및 CLA 와 함께 고집적 제어 주변 장치가 결합되어 있습니다. 이러한 장치는 이전 C28x 기반 코드와 호환되며 높은 수준의 아날로그 통합을 제공합니다. 기타 기능에는 이중 에지 제어(주파수 변조)를 허용하는 HRPWM 모듈의 향상과 단일 레일 작동을 지원하는 내부 전압 조정기가 포함됩니다. 또한 ePWM 출력을 직접 제어할 수 있도록 라우팅될 수 있는, 내부 10비트 레퍼런스를 제공하는 아날로그 비교기가 추가되었습니다. 낮은 오버헤드와 대기 시간에 최적화된 인터페이스를 갖춘 ADC는 고정 풀스케일을 0V에서 3.3V로 변환하며 비율 계량적 VREFHI/VREFLO 레퍼런스를 지원합니다.

ISO1042-Q1: 이는 전기적으로 분리된 계측 제어기 통신망(CAN) 트랜시버 장치로서 ISO11898-2(2016) 표준 사양을 충족합니다. ISO1042-Q1은 ±70VDC 버스 고장 보호와 ±30V의 공통 모드 전압 범위를 제공합니다. CAN FD 모드에서 최대 5Mbps의 데이터 전송률을 지원하므로 기존 CAN과 비교할 때 훨씬 빠른 페이로드 전송이 가능합니다. 이 장치에는 내성 전압이 5,000VRMS이며 작동 전압이 1,060VRMS인 SiO2 절연 장벽이 있습니다. ISO1042-Q1의 전자기 호환성은 시스템 레벨 ESD, EFT, 서지, 방출 규정을 준수하도록 대폭 향상되었습니다. 분리형 전원 공급 장치와 연결될 경우 이 장치는 버스의 고전압 및 잡음 전류가 로컬 접지로 들어가지 않도록 보호할 수 있습니다. ISO1042-Q1은 기본 및 강화 절연 응용 제품에 모두 사용할 수 있으며 -40°C ~ +125°C의 폭넓은 주위 온도 범위를 지원합니다. 이 제품은 SOIC-16(DW) 패키지와 더 작은 SOIC-8(DWV) 패키지의 두 가지 패키지 크기로 제공됩니다.

결론

자동차 산업의 미래는 밝습니다. 하지만 환경 규정과 소비자 수요로 인해 더 많은 기능이 차량에 추가되면서 설계는 더욱 복잡해질 것입니다. 이러한 기능을 지원하기 위해, Texas Instruments는 다양한 참조 설계와 제품을 통해 설계 시간을 단축시키고 이러한 미래 자동차 설계를 소비자에게 더 빠르게 제공할 수 있도록 합니다.