적절한 DC/DC 조정기를 사용하여 고급 ADAS 요구 사항 충족

ADAS(Advanced Driver-Assistance Systems) 및 차량 인포테인먼트의 확산으로 인해 차량은 다중 레벨의 잡음 없는 DC 레이블이 필요한 복잡한 전자 시스템으로 바뀌었습니다. 하지만 일반적인 차량의 배터리는 운영 환경 전체에서 안정성과는 거리가 멀기 때문에 설계자는 전력 시스템 설계에 주의를 기울여야 합니다.

ADAS 시스템의 범위에는 적응형 크루즈 컨트롤, 충돌 회피, GPS, 백업 카메라, 차선 이탈 경고, 안정성 제어 및 연결 기능이 포함되며 인포테인먼트에는 디스플레이와 멀티미디어 플레이어가 포함됩니다. 차량의 12V 배터리(경우에 따라 24V 또는 48V)에서 이러한 기능을 위한 DC 전원을 조정하는 일은 여러가지 어려움이 수반됩니다. 배터리 출력 잡음, 전압 스파이크, 일시적 부하 덤프, 진동과 충격을 견뎌야 하는 좁고 뜨거운 위치에 설치된 전자 부품을 통한 열 변화 및 순환 등을 예로 들 수 있습니다.

또한 배터리 출력을 조정하여 다양한 ADAS 기능을 위해 필요한 여러 DC 레일을 제공하는 DC/DC 컨버터 IC는 열악한 전기 및 환경 조건에서 작동해야 합니다. 또한 낮은 정동작 전류 및 최소의 EMI 생성으로 고효율의 엄격한 조정을 제공해야 합니다.

이 기사에서는 작동 환경 및 조건을 설명하고 이러한 문제의 완화를 돕기 위해 개발된 자동차 표준을 소개합니다. 그런 다음 자동차 전력 분배 요구 사항을 충족하는 전력 조정기와 DC/DC 컨버터를 소개하고 이를 사용하는 방법을 안내합니다.

열악한 엔진룸 환경

자동차는 전기, 열, 충격/진동 및 가용 공간이라는 네 가지 측면에서 전자 부품(기계 부품도 마찬가지)에는 까다롭고 열악한 환경입니다. 각 측면을 간략히 살펴보면 다음과 같습니다.

전기: 배터리로부터의 컨디셔닝되지 않은 레일은 대부분 배터리와 마찬가지로 간단하고 안정적인 DC 전류 소스가 아닙니다. 대신 콜드 크랭크 전압 강하(그림 1), "부하 덤프"로 인한 고전압 서지(발전기에 연결된 부하가 갑자기 분리될 경우)(그림 2와 표 1), 잡음과 EMI/RFI에 노출됩니다.

그림 1: 콜드 크랭크 조건으로 일반적인 배터리 전압 프로파일은 일반 응용 분야에서의 배터리 출력과는 상이합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

그림 2: 일반적인 부하 덤프 펄스는 빠른 상승, 느린 하강 및 가변적인 타이밍의 특성을 가집니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

파라미터 12V 시스템 24V 시스템 U8 65V ~ 87V 123V ~ 174V Rj 0.5Ω ~ 4Ω 1Ω ~ 8Ω td 40ms ~ 400ms 100ms ~ 350ms tr

표 1: 12V 및 24V 배터리 시스템의 미억제 부하 덤프 펄스(여기서는 ISO7637-2:2004[1]-5로 정의됨)의 일반적인 값입니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

따라서 로컬 DC/DC 조정기는 이러한 상황을 처리하고, 넓은 입력 전압(V_IN) 범위에서 작동하며, 배터리에 대한 역극성 연결에 내성을 가져야 합니다. 또한 이러한 조정기는 차량이 "오프"되었을 때 배터리 소모를 최소화하기 위해 정동작 전류가 매우 낮아야 합니다.

그 이유는 이러한 ADAS(및 기타) 기능 대다수가 배터리에서 물리적으로 분리되는 것이 아니라 "소프트" 온/오프를 사용하며 "오프"일 때 실제로는 휴면 상태이기 때문입니다. 차량을 몇 주 동안 사용하지 않고 방치하면 소위 말하는 "대기 전력(vampire power)"이 배터리를 소모할 수 있습니다.

열: 엔진룸 온도는 작동 조건 및 프로브 위치에 따라 영하(겨울에 주차한 경우)에서부터 150°C ~ 200°C에 이를 수 있습니다(그림 3). 실내와 같은 차량의 다른 부분은 그렇게 고온이 되지는 않더라도 직사광선에 노출되면 온도가 꽤 높아질 수 있습니다. 외부 온도 범위가 25°C(77°F) ~ 40°F(104°F)일 경우 직사광선 아래에 주차된 차량 내부 온도는 50°C(122°F) ~ 75°C(167°F)까지 올라갈 수 있습니다.

그림 3: 40mph로 언덕을 오르는 Chevrolet Silverado의 여러 위치에서 측정한 차량 온도는 여러 부분에서 150°C가 넘습니다. (이미지 출처: Pelican Parts)

충격/진동: 기계적 충격과 진동이 항상 존재합니다. 기본적인 기계 분석을 보면 작고 가벼운 부품일수록 이러한 요인의 영향을 적게 받으며 필요한 경우 완충물이나 "충격 마운트"를 쉽게 적용할 수 있습니다. 또한 이러한 부품을 사용하면 회로 보드 크기도 작아지므로 동일한 장점을 갖습니다.

크기: 작은 크기는 충격/진동의 측면에 상관없이 다른 장점도 가집니다. 차량의 고정된 물리적 "엔벨로프"를 인클로저라고 한다면 ADAS 기능 회로망 및 관련 센서를 배치할 장소를 찾는 것도 과제입니다. 이러한 회로망 일부는 거의 모든 빈 자리에 배치할 수 있지만, 관련 지원 전자 부품은 임의 위치에 배치하더라도 대다수의 ADAS 센서와 프런트 엔드 컨디셔닝 회로망은 특정 장소에 위치해야 합니다.

자동차 표준으로 인한 과제

자동차의 주 동력은 내연 기관, 전기(EV), 하이브리드 EV(HEV)의 세 가지가 있습니다. 그 크기, 스타일, 용량 및 비용은 매우 광범위합니다. 업계에서는 전자 부품, 소프트웨어 및 서브 시스템의 위험 및 성능 수준에 대한 표준을 정의했습니다. 기본 집적 회로(IC)를 여러 수준으로 선별함으로써 설계자는 정의된 성능을 가진 회로 보드, 조립품, 서브 시스템 및 전체 기능을 "구성"하는 데 사용 가능한 기초 부품을 만들고 있다는 것을 알 수 있습니다.

이러한 성능 정의에 대한 주도적인 표준은 ISO 26262, Functional Safety for Road Vehicles 표준으로 정의된 다중 레벨 위험 분류 접근법인 Automotive Safety Integrity Level(ASIL) 체계입니다. 최상위 레벨인 ASIL-D는 가장 높은 자동차 위험 정도를 나타내므로 안전 요구 사항 충족에 대한 가장 높은 수준의 보장이 필요합니다(그림 4). 최상위 레벨 ASIL-D 등급 아래로는 내림차순으로 -C, -B 및 -A가 있으며 이러한 레벨은 중간 정도의 위험 및 필요 보장을 정의합니다. 마지막 등급은 ASIL QM이며 이는 자동차 위험이 없고 그에 따라 관리할 안전 요구 사항이 없는 응용 분야에 해당합니다(예: 무선 통신).

그림 4: 차량 안전, 작동, 제어 및 기타 요소의 중요성에 관련된 ASIL-D ~ ASIL-A 분류(ASIL-D가 가장 엄격). (이미지 출처: Mentor Graphics)

DC/DC 조정기를 포함하여 ADAS 기능을 위해 설계된 부품의 공급업체는 ASIL 성능 요구 사항의 특정 수준을 충족 및 초과하도록 자사 장치를 테스트하고 인증합니다. 여기에는 온도, 진동 및 장애 모드 등이 포함됩니다.

다른 관련 표준인 AEC-Q100은 AEC(Automotive Electronics Council)에서 개발한 IC용 자격 테스트 시퀀스 집합입니다. 이 표준은 새 제품 및 업그레이드된 제품 모두의 부품 자격 및 품질 시스템에 대한 표준을 설정합니다. 또한 AEC-Q100은 정의된 부품 등급 지정 분류를 사용한 온도 등급을 설정하며, 등급 0(Grade 0)이 가장 넓은 범위를 가집니다(표 2).

표 2: 온도에 대한 AEC-Q100 등급은 해당하는 접미사로 기본 작동 범위를 설정합니다. (이미지 출처: Cypress Semiconductor Corp.)

ADAS 요구 사항을 해결하는 DC/DC 조정기

ADAS 기능의 까다로운 요구 사항으로 인해 DC/DC 조정기를 포함한 IC는 전기, 열 및 크기 고려 사항에 관련하여 이 응용 분야의 수요를 해결해야 합니다. 이러한 부품은 전기, 열, 충격/진동 및 가용 공간의 측면에 관련된 다양한 자동차 ASIL 목표를 충족하려고 노력합니다.

예를 들어 Maxim Integrated의 MAX16930은 소모하는 정동작 전류가 20A에 불과한 36V, DC/DC 조정기입니다(그림 5). 이 자동차 등급 삼중 출력 스위칭 장치에는 두 개의 대칭 강압 컨트롤러 및 비대칭 강압 "프리 부스트" 컨트롤러가 통합되어 최대 세 개의 독립적으로 제어되는 전력 레일을 제공합니다(5V 고정 출력 또는 1 ~ 10V 조정 가능 출력의 벅 컨트롤러, 3.3V 고정 출력 또는 1 ~ 10V 조정 가능 출력의 벅 컨트롤러).

그림 5: MAX16930 다중 출력 벅 조정기의 프리 부스트 기능을 사용하면 배터리 전압이 낮은 1자리 값(노란색)으로 저하될 때인 콜드 크랭크 기간 도중 작동할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

MAX16930은 3.5V ~ 36V의 넓은 범위 전력 레일에서 작동하며 프리 부스트는 작동을 콜드 크랭크 성능에 필요한 2V까지 확장(부트스트랩 모드)합니다(그림 5 참조). 벅 컨트롤러 및 프리 부스트는 각각 최대 10A의 출력 전류를 제공할 수 있으며 독립적으로 제어 가능합니다. 200kHz부터 최대 2.2MHz의 사용자 조정 가능 스위칭 주파수와 선택적으로 분산된 스펙트럼 작동을 통해 AM 대역 전파 방해를 방지합니다.

MAX16930의 경우 클로킹 설정을 선택할 수 있으므로 설계자는 IC 클록으로 인한 전파 방해 및 여러 시스템 클록 간의 혼합으로 인해 발생하는 진동 주파수에 관련된 문제를 최소화합니다. 사용자는 다음 세 가지 주파수 기능 모드 중에서 결정해야 합니다.

1. 사용자 정의 주파수에서 작동하는 기본 고정 주파수 작동.
2. 부하가 적을 때는 클록을 비활성화하고 출력 전압 조정을 유지하기 위해 필요한 만큼만 호출되는 스킵 모드.
3. 외부 클록에 동기화. IC는 이러한 모드 간에 "즉시" 전환할 수 있지만 이를 위해서는 IC 관리를 위한 추가 소프트웨어가 필요합니다.

이 IC가 제공하는 다른 옵션은 공칭 주파수 값 근처에서 클록을 무작위로 디더링하여 단일 주파수에서 발생하는 클록 기원의 EMI를 최소화하기 위한 분산 스펙트럼 클로킹을 호출하는 것입니다. 원하지 않는 EMI 에너지가 더 넓은 스펙트럼으로 분산되지만, 특정 단일 주파수에서 피크 진폭은 더 낮습니다.

또한 사용자는 시스템 설계 단계에서, 외부 레일에 연결하여 우회할 수 있는 내부 선형 조정기(LDO)의 "값"을 결정해야 합니다.

LDO 출력은 레일 잡음이 최소화되어야 하는 작은 지역적 부하에 전원을 공급하는 데 유용하고 매우 조용하지만, MAX16930 내부 스위칭 조정기보다는 효율이 낮습니다.

실장 면적을 해결하기 위한 일반적인 기술은 단일 IC에서 이산 출력의 수를 늘리는 것입니다. Analog Devices의 LT8603은 두 개의 높은 입력 전압 강압 스위칭 조정기, 하나의 낮은 입력 전압 강압 조정기 및 부스트 컨트롤러 모두가 6 × 6 mm 패키지에 결합된 사중 출력 장치입니다.

V_IN을 공급하도록 구성된 부스트 컨트롤러를 통해 IC는 콜드 크랭크 상황과 같이 부스트 입력 전압이 조정된 출력 전압 미만으로 저하되는 경우에도 세 개의 조정된 출력을 생성합니다(그림 6).

그림 6: LT8603은 사양에 맞게 작동하도록 구성할 수 있으며 콜드 크랭크 조건에서도 전체 DC 출력을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

IC는 공급 레일에서 42V로 작동하며 EMI를 최소화하기 위해 250kHz ~ 2.2MHz의 범위 중 사용자가 선택한 주파수에서 스위칭됩니다. 방출되는 EMI(Class 5 Peak Limits를 적용한 CISPR 25 복사성 방출 테스트의 경우)는 허용된 제한 미만입니다(짧은 수평 세그먼트)(그림 7).

그림 7: 14V 공급 및 2MHz 스위칭을 사용하여 Class 5 Peak Limits를 적용한 CISPR 25 복사성 방출에 대해 LT8603 방출 EMI는 방출이 허용된 제한 미만임을 보여 줍니다(짧은 수평 세그먼트). (이미지 출처: Analog Devices)

이 IC의 네 채널은 독립적으로 전원 공급되며 설계자는 시스템 및 회로 목표에 맞게 이를 연결할 방법을 결정해야 합니다. 예를 들어 부스트 출력은 벅 컨버터에 입력 전압을 공급하도록 구성할 수 있으며, 이 경우 콜드 크랭크 상황에서 발생할 가능성이 높은 부스트 입력 전압이 조정된 벅 출력 미만으로 낮아질 경우에도 세 개의 엄격하게 조정된 출력을 제공합니다. 하지만 부스트 모드 컨트롤러는 벅 컨트롤러 출력에서 구동되거나 SEPIC 컨버터로 구성될 수 있으며 이 경우 IC는 최대 네 개의 엄격하게 조정된 출력을 제공합니다.

네 채널의 스위칭 주파수 범위는 설계자가 결정해야 할 다른 요소이며, 250kHz ~ 2.2MHz의 단일 저항기를 통해 설정 가능한 발진기 주파수를 선택하기 전에 결정할 수 있습니다. 일반적으로 주파수가 낮을수록 낮은 스위칭 손실로 인한 더 넓은 입력 전압 작동 범위와 더 높은 효율 및 최소 온/오프 시간과 같은 타이밍 제약에 대한 더 낮은 민감도를 제공합니다.

하지만 스위칭 주파수가 높을수록 더 작은 부품을 사용할 수 있고 스위칭 조정 잡음을 AM 무선 통신과 같은 민감한 주파수 대역에서 제거할 수 있습니다. 단점은 효율이 낮아진다는 점입니다.

고성능 ADAS 센서에 전력 공급

고성능 센서 프런트 엔드가 있으며 이에 따라 대부분의 스위칭 벅 조정기가 제공할 수 있는 것보다 빠른 과도 응답이나 더 낮은 잡음이 필요한 ADAS 기능이 있습니다. Maxim MAX15027 저드롭아웃 선형 조정기(AEC-100 Grade-1)가 이러한 상황을 위해 설계된 조정기입니다. 1.425V의 낮은 입력 전압에서도 작동하며 225mV에 불과한 최대 드롭아웃 전압으로 최대 1A의 연속 출력 전류를 제공합니다. 넓은 대역폭이 빠른 과도 응답을 지원하므로 출력에서 4.7μF 세라믹 커패시터만 사용하더라도 500mA 부하 단계에서 15mV로 출력 전압 편차가 제한됩니다.

LDO 최적 성능을 위한 주의 사항

MAX15027은 LDO이며 가장 간단한 전력 조정기 토폴로지 중 하나지만 몇 가지 주의가 필요합니다. 먼저 1μF 세라믹 입력 커패시터 및 4.7μF 세라믹 출력 커패시터는 품질이 높고 ESR이 밀리옴 범위로 낮아야 합니다. ESR이 옴 단위 이상이면 LDO의 회선 및 부하 과도 응답이 저하되고 내부 LDO 루프 안정성에 문제가 발생할 수 있으며 자체 진동의 가능성이 있습니다.

두 번째로, LDO는 스위칭 조정기에 비해 패키지 크기에 대한 소산 비율이 상대적으로 높기 때문에 인쇄 회로 기판 레이아웃이 방열판 및 열 문제를 수용해야 합니다. 이러한 이유로 MAX15027의 TDFN 패키지의 경우, PC 보드로의 열 저항 경로를 낮추기 위해 밑면에 열 패드가 노출되어 있습니다. 이 경로가 IC의 열 대부분을 전달하므로 PC보드가 효과적인 방열판 역할을 할 수 있습니다. 노출형 패드는 열 및 전기 성능의 극대화를 위해 대형 접지면에 연결되어야 합니다.

하지만 절연에서는 이 방식이 필요한 것으로 간주되지만 충분하지는 않습니다. 열 모델링을 이용하여 근처 IC 및 다른 부품이 방열판 용도로 PC 보드의 동일한 구리층을 사용함으로 인해 누적된 열부하가 선택된 냉각 방식의 용량을 초과하지 않는지 확인해야 합니다.

이 전략은 일반적으로 열을 IC에서 패드를 통하여 PC 보드로 이동시키며 그다음에는 대개 떨어진 곳에 위치한 방열판 또는 냉각판으로 대류시킵니다. 이러한 열원 "크라우딩"은 IC의 밑면 열 패드에서 시작되는 기본 냉각 전략을 무효화합니다.

결론

ADAS 및 인포테인먼트를 사용하려면 그 고유하고 까다로운 DC 전력 요구를 해결해야 합니다. 이에 따라 급격한 온도 변화와 DC 입력 레일 전압 범위에서도 작동할 수 있으며 동시에 정동작 전류 소모가 매우 낮은 IC 및 기타 부품의 개발이 필요해졌습니다. 또한 이러한 IC는 진동 및 충격에 대한 민감도를 줄이고 콤팩트한 ADAS 기능 회로 설계를 위해 크기가 작아야 합니다.

이제 전력 조정기 공급업체들은 엄격한 산업 표준을 충족하는 다양한 ADAS 최적화 스위칭 및 LDO DC/DC 장치를 공급하고 있으므로 설계 과제가 단순화되고 BOM 결정이 간소화되고 있습니다.