예상치 못한 여러 곳에서 등장하는 전력 관리 IC(PMIC)

전력이 있는 곳에는 어느 정도의 전력 모니터링 및 관리가 필요합니다. 물론 실제 경험이 있는 설계자에게 이는 새로운 이야기가 아닙니다. 흥미로운 점은 전체적인 전자제품, 특히 스마트 전자제품의 확산으로 인해 전용 전력 관리 IC(PMIC)에 대한 수요도 증가했습니다.

프로세서, 펌웨어, 동작 제어가 눈에 잘 띄지 않는 응용 분야 틈새시장으로 확산됨에 따른 것입니다. 설계자들이 프로세서에 기반 인터페이스와 제어를 사용하며 널리 인용되는 "소프트웨어가 세상을 집어삼키고 있다"는 말이 빠르게 실현됨에 따라 PMIC에 대한 수요는 자동차의 구석구석까지 이르고 있습니다.

단순한 자동차 창을 생각해 보세요. 약 50년 전까지는 이러한 창이 단순한 수동 회전 크랭크로 작동되는 기계식 연결을 통해 수동으로 작동되었습니다. 자동차의 각 탑승자가 자신의 '팔'을 전원으로 사용하여 자신 쪽의 창을 여닫아야 했습니다(그림 1).

그림 1: 크랭크로 작동되는 수동 자동차 창은 오랫동안 유일한 옵션이었습니다. (이미지 출처: How a Car Works)

크랭크가 고장 나면 자동차 부품 매장에서 기본 교체용 크랭크를 구매할 수 있었고, 장식적인 부품 시장용 크랭크도 널리 사용되었습니다(그림 2).

그림 2: 창이 크랭크로 작동되던 과거에는 기본 교체용 크랭크와 장식적인 버전 모두 표준 자동차 부품 매장 품목이었습니다. (이미지 출처: Joom SIA)

파워 윈도우는 1940년대에 최초로 도입되었지만, 소형 전기 모터 기술(크기, 전력, 제어)이 문에 내장할 수 있을 만큼 발전하지 않았기 때문에 전기로 제어되는 유압식 전력 시스템을 사용했습니다. 하지만 1960년대에는 Cadillac Fleetwood가 전기 모터로 구동되는 창으로 표준이 되었고, 그 후 10년 이내에 파워 윈도우는 대부분의 자동차에 표준 기능으로 자리 잡음으로써 대중 시장에 매우 빠르게 진출했습니다.

예전에 창 조정기로 불리던 장치에는 두 가지 기본적인 메커니즘이 있습니다. 첫 번째는 Ford 케이블식 조정기(그림 3), 두 번째는 Toyota 기어구동식 창 조정기(그림 4)입니다.

그림 3: 창 조정기를 위한 Ford 전력 메커니즘은 케이블과 슬라이딩 조립품을 사용했습니다. (이미지 출처: Samarins)

그림 4: Toyota 전력 메커니즘은 기어가 장착된 '가위형' 장치에 기반을 두었습니다. (이미지 출처: Samarins)

어떤 메커니즘 설계를 사용하든, 둘 다 한 가지 공통점이 있습니다. 비정격 12V DC 전력은 자동차 배터리에서 각 운전자/탑승자 제어 스위치를 통해 직접 창의 모터로 이동했습니다. 따라서 자동차에 이러한 '편의 기능'을 결합함에 따라, 점점 두꺼워지는 케이블 하니스에 대한 부담과 케이블 하니스를 차량 전체에 설치하는 작업의 어려움이 증가했습니다.

다행히 자동차 내 계측 제어기 통신망(CAN) 버스 또는 로컬 상호 연결 네트워크(LIN Bus)와 같은 저속 네트워크 사용으로 전환됨에 따라 케이블 하니스 문제가 완화되었습니다. 지금은 12V 전력은 문 안의 조정기 모터로만 이동하고, 더 가는 케이블로 네트워크에 연결된 스위치가 모터 제어기에 창문 올리기/내리기/중지를 위한 신호를 전송합니다. 몇 년 지나지 않아, 기본적인 네트워크 친화적인 창 모터 제어기로 시작된 장치가 발전된 성능 기능을 갖춘 스마트 프로세스 기반 컨트롤러로 진화했습니다.

대부분의 개선과 마찬가지로, 다른 '리플 효과'가 있습니다. 개선된 창 네트워크 인터페이스/모터 컨트롤러 IC에는 더욱 정교한 전력 관리 및 조정이 필요하며, 바로 여기에 PMIC가 필요합니다. 이러한 IC는 DC 전력을 모니터링하고 관리해야 하며, 전력의 과도한 변화 또는 기타 문제를 신속하게 감지하고 모터나 관련 부품에 손상이 발생하기 전에 적절한 조치를 취할 수 있도록 셀프 테스트를 수행해야 합니다.

이것이 바로 Maxim Integrated MAX16137의 기능입니다. 매우 정확한 저전압 감시 회로로, 자동차 자동 창과 인터페이스/컨트롤러 IC의 니즈를 충족하기 위해 단일 시스템 공급 전압 레일에 전압 부족 및 과전압 장애가 있는지 모니터링하지만 차량의 다른 부분에서 유사한 모니터링에도 사용할 수 있습니다(그림5).

그림 5: MAX16137 전력 감시 회로 IC는 모터 제어기와 함께 전력 레일을 모니터링합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

모니터링되는 공급 전압이 부족 전압 임계값 미만으로 떨어지거나 과전압 임계값을 초과하면 IC의 리셋 출력이 낮아집니다. 공급 전압이 전압 부족 및 과전압 임계값 범위 이내로 돌아오면 출력이 '정상'으로 돌아옵니다. 1%의 정확도를 통해 감시 회로의 일관성을 유지함과 동시에, 과전압/전압 부족 범위 값의 초기 설정값을 목표 전압의 ±4% ~ ±11%로 설정할 수 있습니다.

이는 MAX16137의 역할 중 하나일 뿐입니다. 또한 고유한 내장형 자체 시험(BIST) 진단 기능은 전원이 켜진 상태에서 내부 리셋 회로의 상태를 모니터링합니다(그림 6). BIST에 실패하면 MAX16137은 BIST 출력을 낮추어 연결된 프로세서에 경보를 전송합니다.

그림 6: 철저한 전력 관리와 함께, MAX16137에는 전원이 켜진 상태에서 내부 리셋 회로의 상태를 모니터링하는 BIST 블록이 장착되어 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated Products)

자동차 문 내의 공간이 중요하므로 MAX16137의 8리드 2mm × 2mm 패키지가 적당합니다. 물론 이 패키지는 AEC-Q100을 충족합니다. 칩 수준의 첨단 진단 기능을 통해 기판 공간이 크게 축소되어, 개발자가 시스템 수준의 기능 안전 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

결론

설계에 물리적으로 분산된 프로세서와 스마트 컨트롤러가 포함된 경우, 특히 자동차와 같이 전기적으로 열악한 환경에서는 국소화된 PMIC를 통해 전력 문제와 결함으로 인해 과도적 또는 영구적인 시스템 오작동이 발생하지 않도록 해야 합니다. 사용자들은 일관적이고 안정적인 성능을 기대하며 자동차에 분산되어 있는 수많은 프로세스/컨트롤러에 관련한 문제로 인해 '엔진 점검' 등이 켜지는 것을 원하지 않습니다. 분산된 여러 노드가 기본적인 자동차 기능에 중요하지 않은 경우에는 더더욱 그렇습니다. MAX16137과 같은 IC는 열악한 조건에서도 신뢰성을 확보할 수 있는 솔루션을 제공합니다.

참고 자료:

1. GoMechanic, “Power Windows In Cars and the Interesting History Behind Them”

https://gomechanic.in/blog/history-behind-power-windows/

2. Wikipedia, “Power Window”

https://en.wikipedia.org/wiki/Power_window

3. Samarins, “Power window regulator, window motor: problems, testing, replacement”

https://www.samarins.com/glossary/window-regulator.html