응용 제품별 IC를 사용하여 자동차 도어 전자 장치 설계 간소화

2030년경에는 전자 장치 비용이 전체 차량 비용의 50%를 차지하게 되고 차량 도어가 전자 콘텐츠의 한 성장 영역이 될 것입니다. 도어 전자 장치의 설계는 까다롭습니다. 각 도어를 나머지 차량 시스템, 여러 모터 드라이버 및 전압 조정기에 연결하기 위해 컨트롤러, 계측 제어기 통신망(CAN) 또는 LIN(Local Interconnect Network) 트랜시버가 필요합니다. 이러한 장치와 네트워크를 설계하는 일은 점점 더 복잡해지고, 비용이 늘고, 부담스러워지며, 시간이 많이 소요될 수 있으므로 설계자는 응용 제품을 간소화하고 부품 명세서(BOM)를 간소화할 방법을 찾고 있습니다.

자동차 응용 제품을 위해 설계된 응용 분야별 표준 제품(ASSP)은 설계자의 작업을 간소화합니다. 또한 이러한 솔루션을 사용하는 설계자는 설계 복잡도와 비용 제약에 따라 도어 전자 장치에 중앙 집중식이나 분산식 접근 방식을 활용할 수 있습니다.

이 기사에서는 네트워크 도어 전자 시스템의 발전을 설명하고 중앙 집중식 및 분산식 접근 방식 각각의 장단점을 설명합니다. 그런 다음 ASSP를 사용하여 중앙 집중식 설계를 위한 단일 차체 제어 장치(BCU)나 분산식 접근 방식에서 각 도어의 개별 BCU의 설계를 간소화하는 방법을 살펴봅니다. 또한 이러한 접근 방식을 차량의 차량 내부 네트워크(IVN)에 CAN 및 LIN 솔루션을 통해 통합하는 방법도 검토합니다. 예제에서는 ON Semiconductor의 솔루션을 사용합니다.

자동차 전자 장치 및 네트워킹 기능의 진화

자동차 전자 장치는 연료 주입을 관리하기 위한 엔진 제어 장치(ECU)의 필요에 따라 최초로 개발되어 70년대에 카뷰레터를 대체하기 시작했습니다. 이후 전자 장치는 확산되었습니다. 오늘날의 최고급 차량은 다음 네 가지 주요 영역의 종합 전자 시스템을 자랑합니다.

• 동력 전달 장치(엔진 제어, 변속기 제어, 스타터/교류 발전기)
• 차체 및 컴포트(조명, HVAC, 시트 및 도어, 원격 무선 도어)
• 안전(ABS, 파워 스티어링, 에어백, 운전자 지원 시스템)
• 인포테인먼트(네비게이션, 오디오, 멀티미디어, 셀룰러 연결, Bluetooth, 텔레매틱, 대시보드)

이러한 각 시스템은 전용 컴퓨팅 모듈을 사용하며, 개별 모듈은 CAN 및/또는 LIN 기술 기반의 IVN을 통해 연결됩니다.

CAN은 컴퓨팅 모듈과 센서/액추에이터가 호스트 컴퓨터 없이 통신할 수 있도록 설계된 차량 버스 표준입니다. CAN은 연결의 우선순위를 지정하므로 둘 이상의 장치가 동시에 전송하는 경우 가장 중요한 연결이 우선하게 되어 경합 문제를 피하고 중요한 기능의 지연을 방지할 수 있습니다. CAN은 너무 비싸서 차량의 모든 전자 부품의 연결에 사용할 수 없으므로 대개 LIN으로 보완하여 모든 장치를 IVN에 연결합니다. LIN은 일반적으로 운전자 컴포트와 관련된 시간 결정적이지 않은 기능에 덜 복잡하고 비용이 적게 드는 직렬 연결 기술을 사용합니다.

이 기사에서는 차량 도어와 관련된 전자 시스템을 주로 다룹니다. 다른 차량 분야와 마찬가지로 차량 도어 분야에도 운전자 편의를 위한 전자 장치가 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

대부분의 최신 차량은 전자 제어 윈도우, 잠금 장치 및 미러를 갖추고 있으며 최근에는 끼임 방지와 같은 기능이 도입되고 있습니다. 고급 차량은 도어 미러 서리 제거, 미러 실장 표시기, 도어 내부 조명 기능을 갖추고 있습니다. 차세대 하이엔드 모델에는 다른 차량의 조명 밝기에 따라 윙 미러를 어둡게 하는 전자 감응식 실내 미러 제어 기능이 포함됩니다.

분산식 및 중앙 집중식 자동차 전자 장치 제어

도어 전자 장치의 중앙 집중식 토폴로지는 특히 도어 기능이 제한된 저렴한 차량에 현재 가장 일반적인 접근 방식입니다. BCU(INV 시스템, 마이크로 프로세서, 액추에이터 구동기 및 이산 소자 부품으로 구성된 모듈)는 운반 전력 배선과 CAN 또는 LIN 통신을 위한 별도의 배선을 통해 각 도어의 액추에이터에 연결됩니다. 이 접근 방식의 주된 장점은 비용(BCU 하나만 필요)과 확장성입니다(그림 1).

그림 1: 중앙 집중식 도어 전자 장치 시스템은 단일 BCU를 사용하여 비용을 절감합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

그러나 중앙 집중식 토폴로지는 최고급 차량에서는 인기가 떨어지고 있는데, 요구하는 기능 수준이 더 높아 배선이 더 많이 필요하기 때문입니다. 결과적으로 배선 하니스가 무겁고, 복잡하고, 비싸졌습니다.

대안은 분산식 접근 방식으로, 각 도어에 자체 BCU를 제공합니다. 이 구현에서는 대부분의 배선이 BCU에 필요한 단일 전원 공급 장치(이후 도어 액추에이터까지 국부적으로 전력을 분배함)와 차량의 나머지 부문으로 확장되는 CAN 및/또는 LIN 연결만으로 국한됩니다. 주요 장점은 배선 하니스의 무게, 복잡도 및 비용이 크게 줄고 설계하는 특정 도어에 맞게 BCU를 유연하게 설계할 수 있다는 것입니다. 예를 들어 앞문 BCU에는 도어 미러를 제공하기 위한 추가 기능이 필요합니다(그림 2).

그림 2: 분산식 시스템은 배선 하니스 무게와 복잡도를 줄입니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

분산식 토폴로지가 인기를 얻어 가고 있지만 중앙 집중식 토폴로지가 사라질 기미는 없습니다. 두 설계 방법 중 무엇을 선택할지는 대개 비용과 배선 하니스 복잡도를 절충하여 결정합니다.

벤더는 분산식 또는 중앙 집중식 솔루션의 설계를 간소화하는 솔루션을 제공합니다. 예를 들어 ON Semiconductor는 도어 전자 장치를 위한 다양한 ASIC, ASSP 및 이산 소자 부품을 제공하므로, 설계자는 선호하는 마이크로 프로세서를 자유롭게 선택할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: ON Semiconductor에서는 분산식 및 중앙 집중식 BCU를 위한 다양한 ASIC, ASSP 및 이산 소자 솔루션을 제공하므로 설계자는 선호하는 마이크로 프로세서를 자유롭게 선택할 수 있습니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

차량 내부 네트워크

설계자가 도어 전자 장치 제어를 위해 분산식 또는 중앙 집중식 설계 중 무엇을 선택하든 BCU를 IVN에 통합해야 합니다. CAN 연결은 컨트롤러와 물리적 버스 사이의 인터페이스를 형성하는 CAN 트랜시버와 연결된 CAN 컨트롤러를 통해 가능합니다. 자동차 응용 분야에 적합한 CAN 트랜시버의 예로 고속 1Mbit/s CAN 장치인 ON Semiconductor의 NCV7341D21R2G가 있습니다. 이 칩에는 높은 공통 모드 범위를 갖추어 까다로운 자동차 환경에서 전자기 내성(EMI)이 우수한 차동 수신기가 탑재되어 있습니다. 또한 핀의 버스 핀은 자동차 전자 시스템에 많은 문제를 일으킬 수 있는 과도 전압으로부터 보호됩니다(그림 4).

그림 4: 5V CAN 컨트롤러를 사용하는 NCV7341D21R2G CAN 트랜시버의 일반적인 응용 회로도. 이 트랜시버는 분산식 또는 중앙 집중식 차량 도어 시스템 모두에서 IVN에 연결하는 데 적합합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

분산식 시스템에서는 그림 2에 나온 대로 IVN에의 CAN 연결뿐 아니라 앞문과 뒷문 BCU 사이의 LIN 연결도 필요합니다. 앞문 BCU는 CAN에 연결되지만 비용과 배선을 줄이기 위해 뒷문 BCU는 LIN을 통해 앞문 BCU에 데이지 체인으로 연결됩니다. LIN은 각 노드에 단선을 포함하여 배선을 간소화하고 비용을 낮춥니다. 반면 처리량이 최대 20kb/s로 제한되므로 도어 잠금 장치, 창문 및 도어 미러와 같은 장치의 제어에 적합합니다.

ON Semiconductor의 NCV7321D12R2G LIN 트랜시버는 도어 실장 전자 장치의 LIN 연결에 적합합니다. 이 칩은 LIN 송신기, LIN 수신기, 파워온 리셋(POR) 회로, 과열 시 전원 차단 및 4가지 작동 모드(무전력, 대기, 표준 및 절전)를 통합합니다. 모드는 공급 전압(V_BB, 5V ~ 27V), 입력 신호 활성화 단자(EN) 및 WAKE, LIN 버스에서의 활동에 의해 결정됩니다. 트랜시버는 최대 처리량에 최적화되어 있으며 LIN 출력의 슬루율이 낮아 EMI 특성이 우수합니다.

LIN 토폴로지에서는 최대 16개의 슬레이브 노드 계열을 제어하는 단일 마스터 노드를 사용합니다. 분산식 시스템에서는 그림 2와 같이 앞문과 뒷문 BCU에 마스터 노드가 통합되고, 창문 제어 패널과 같은 주변 장치에 슬레이브 노드가 통합됩니다. 마스터 노드는 LIN 트랜시버를 적합한 마이크로 컨트롤러와 쌍으로 연결합니다(그림 5).

그림 5: 마스터 노드 구성에서 NCV7321D12R2G LIN 트랜시버의 일반적인 응용 회로도. 각 마스터 노드는 최대 16개의 슬레이브 노드를 제어할 수 있습니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

도어 액추에이터 구동기

분산식 또는 중앙 집중식 토폴로지용 BCU의 다른 주요 부품은 도어 잠금 장치, 미러, 창문 및 기타 시스템에 전력을 공급하는 데 필요한 액추에이터 구동기입니다. ON Semiconductor에서 제공하는 NCV7703CD2R2G는 이러한 응용 분야에서 자동차 및 산업 동작 제어를 위해 특별히 설계된 3중 하프브리지 구동기입니다. 이 3개의 하프브리지 구동기는 표준 직렬 주변 소자 인터페이스(SPI)를 통해 독립적으로 제어할 수 있으며 최대 1.1A의 통상 출력 500mA를 공급합니다. 이 칩은 3.15V ~ 5.25V의 공급 전압과 5.5V ~ 40V의 부하 전압으로 구동할 수 있습니다.

주된 설계 제한은 최대 다이 온도입니다. 장치의 3개 구동기 중 동시에 사용할 수 있는 구동기 수에 제한을 두더라도 다이 온도 150°C를 초과하지 않아야 합니다.

출력 구동 제어(및 장애 보고)는 SPI 포트를 통해 처리됩니다. EN 기능은 장치가 사용 중이지 않을 때 낮은 정동작 절전 전류 모드를 제공하고 EN, SI 및 SCLK 입력에서 풀다운 저항기가 제공되어 입력 신호가 차단되는 경우 해당 입력이 기본적으로 낮은 상태로 설정되도록 합니다.

NCV7703CD2R2G 3중 하프브리지 구동기가 도어 미러 포지셔닝 시스템에서 사용되는 방식이 그림 6에 나와 있습니다. 이 배열에서 3개 하프브리지 구동기의 출력이 미러를 X 및 Y 방향으로 움직이는 데 사용되는 2개 전기 모터에 전력을 공급합니다.

그림 6: 미러 위치 조정 응용 분야에서 ON Semiconductor NCV7703CD2R2G 3중 하프브리지 구동기의 제품 구성도는 3개 하프브리지 구동기의 출력이 미러를 X 및 Y 방향으로 움직이는 데 사용되는 2개 전기 모터에 전력을 공급하는 방법을 보여 줍니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

단일 마이크로 프로세서를 사용하여 여러 NCV7703CD2R2G 3중 하프브리지 구동기를 제어할 수 있으므로, 도어 전자 장치의 BOM이 감소합니다. 이렇게 하는 가장 효율적인 방법은 구동기를 각 장치와 병렬로 작동하여 멀티플렉싱된 방식으로 장치를 제어하는 것입니다.

직렬 구성에서는 직렬 스트링에서 마지막 장치의 프로그래밍 정보가 먼저 모든 이전 장치를 통과해야 합니다. 병렬 제어 토폴로지는 해당 요구 사항을 없애지만 프로세서 선택이 각 구동기의 칩 선택(CSB) 핀을 제공하는 장치로 좁아진다는 단점이 있습니다. 그러면 해당하는 CSB 핀을 통해 활성화된 장치에서만 직렬 데이터를 인식합니다(그림 7).

그림 7: 여러 3중 하프브리지 구동기를 제어하는 단일 마이크로 프로세서를 사용하여 도어 전자 장치의 BOM 비용을 낮출 수 있습니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

NCV7703CD2R2G 3중 하프브리지 구동기는 내부 작동을 위한 공급 입력에서 5V 조정이 필요합니다. 이 요구 사항에 적합한 옵션이 ON Semiconductor NCV8518BPWR2G 선형 전압 조정기입니다. 이 칩은 고정 출력이 5V이고 ±2% 이내로 조정됩니다. 모든 자동차 환경에서 사용하기에 적합하며 일반적으로 425mV의 낮은 드롭아웃 전압과 100µA의 낮은 정동작 전류를 제공합니다. 안전 기능에는 과열 시 전원 차단, 단락 보호 및 최대 45V의 과도 전압을 처리할 수 있는 기능이 포함됩니다. 선형 전압 조정기는 BCU의 마이크로 프로세서를 구동하는 데에도 사용할 수 있습니다(그림 8).

그림 8: NCV8518BPWR2G 선형 전압 조정기는 BCU에서 액추에이터 구동기 및 마이크로 프로세서를 위한 5V 출력을 공급하는 데 적합합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

더 낮은 비용 옵션을 필요로 하는 도어 전자 장치 부품을 위한 대체 선형 전압 조정기는 NCV8184DR2G입니다. 이 칩은 -3.0V ~ 45V 사이에서 조정 가능한 버퍼링된 출력 전압을 제공하여 레퍼런스 입력을 면밀하게 추적(±3.0mV)합니다. 작동 전압은 4.0V ~ 42V 범위입니다.

NCV8184DR2G의 유용한 특징은 일반 구성을 사용한다는 것이며 차량 배터리 단락이 발생할 경우 손상 없이 견딜 수 있습니다(그림 9). 이 칩은 또한 더 낮은 전압에서 분리형 공급 장치에 의해 전력이 공급되는 경우에도 배터리 단락을 견딜 수 있습니다.

그림 9: NCV8184DR2G는 BCU 전압 조정을 위한 저비용 옵션이며 차량 배터리로 잠깐 동안 견딜 수 있습니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

이산 소자 부품

IVN, 액추에이터 구동기 및 전압 조정을 위한 모놀리식 장치 외에도 ON Semiconductor에서는 자동차용 제너 다이오드와 같은 도어 전자 장치를 위한 다양한 이산 소자 부품을 제공합니다. 이러한 부품은 과도 전압 억제(TVS)를 통해 번개 및 정전기 방전(ESD)과 같은 외부 요인으로 인한 전압 급증으로부터 BCU의 민감한 실리콘을 보호하는 데 사용될 수 있습니다. 자동차 전자 장치 보호에 대한 자세한 내용은 DigiKey 라이브러리 기사 “TVS 다이오드 보호 설계를 통해 CAN 버스 신뢰성 향상”을 참조하십시오.

저항기와 MOSFET이 결합된 제너 다이오드의 두 번째 응용 분야는 저렴한 콤팩트 선형 전압 조정기의 기반을 형성하는 것입니다. 선형 전압 조정기는 액추에이터 사전 구동기와 구동기를 구동하는 차량 배터리의 전원 공급 장치 전압을 조정하는 이산 소자 부품으로 조립할 수 있습니다(그림 10). 자동차 배터리는 약 14V를 공급하지만 NCV7703CD2R2G 3중 하프브리지 구동기의 전원 공급 장치 전압(V_S)은 5.5V에서 40V 사이일 수 있습니다. 이 단순하고 저렴한 제너 다이오드 선형 전압 조정기는 차량 배터리의 전압 출력이 달라질 때 도어 전자 장치의 전압을 안정적으로 유지합니다.

그림 10: 도어 전자 장치 BCU의 일부로 이산 소자 부품으로 조립된 선형 전압 조정기(강조 표시됨)를 보여 줍니다. 이 장치는 차량 배터리 전압(Vbat)을 액추에이터 브리지에 필요한 전원 공급 장치 전압(VS)으로 조정합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

이 응용 분야에 적합한 제너 다이오드가 ON Semiconductor의 SZBZX84C5V1LT3G입니다. 이 자동차용(AEC-Q101) 제너 다이오드는 콤팩트 SOT-23 패키지로 공급됩니다. 이러한 장치는 최소의 공간 요구 사항으로 전압 조정 기능을 제공합니다. 제너 다이오드는 최대 250mW의 최대 소비 전력을 가지며 제너 항복 전압 성능은 선택한 부품에 따라 2.4V ~ 75V 범위입니다.

전체 조정기에는 제너 다이오드를 통해 흐르는 전류를 제한하는 저항기가 필요합니다. 조정이 가능하도록 부하와 제너에 충분한 전류가 흐르게 하지만 너무 많이 흐르지 않게 할 수 있는 저항기를 선택해야 합니다. 제너 조정기는 소스 임피던스가 높아야 하는데, 조정기에서 부하에 제공할 수 있는 전류 양을 제한하는 전류 제한 저항기를 모든 부하 전류가 통과해야 하기 때문입니다. 이 제한을 극복하는 방법은 그림 10에 표시된 것처럼 MOSFET과 같은 소스 팔로어로 제너 다이오드의 출력을 버퍼링하는 것입니다. 자세한 내용은 Maker.io 기사 “Zener Diode Regulator with Transistor Current Buffer”를 참조하십시오.

결론

자동차 제조업체에서 차량에 더 많은 기능을 추가하면서 도어 전자 장치는 점점 더 복잡해지고 있습니다. 이런 추세 때문에 엔지니어가 까다로운 비용, 무게, 공간 및 신뢰성 제약을 충족하는 시스템을 설계하기가 더욱 어려워졌습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 상호 보완적인 자동차 표준을 충족하도록 설계된 ASIC, ASSP 및 이산 소자 부품은 설계 문제를 줄이고 도어 전자 장치 설계에 모듈식으로 접근할 수 있도록 합니다. 이러한 접근 방식을 통해 더욱 쉽게 사양 및 BOM 제약을 충족하고 우수한 성능과 신뢰성을 유지할 수 있습니다.

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