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오토모티브용 전원 공급 장치 설계 시 고려사항

오토모티브 전원 공급 장치를 위한 IC를 선택할 때, 데이터시트 상의 사양은 확인하면서 실제 설계에서는 어떻게 동작할 것인지 따져보지 않는 경우가 흔히 있다. 데이터시트는 IC의 성능에 대해 포괄적으로 다루고 있기는 하지만, 그 IC가 폐쇄 루프로는 어떻게 작동할 것인지 또는 시스템 내 다른 기기들과는 어떻게 상호작용 할지에 대해서는 말해주지 않는다. 이점은 특히 오토모티브 관련 제품 설계 시 프론트엔드 전원 공급 장치를 선택할 때 중요한 문제이다. 배터리로 직접 연결되는 전원 공급 장치는 효율이 높으면서 솔루션 크기가 작아야 하며, 잡음을 일으키지 않아야 한다. 그 이유는 무엇일까?

TI의 새로운 LM53635-Q1 레귤레이터는 단지 컨버터만이 아니다. 변속기, 엔진 및 브레이크와 같은 시끄럽고 혹독한 환경의 오토모티브 전기 기계식 시스템을 취약한 조건에서도 작동가능한 첨단 프로세서와 센서를 이용해 매우 복잡한 전기제어장치(ECU, electronic control unit)와 연결해주는 전원 컨디셔닝 회로이기도 하다. 프론트엔드 전원 공급 장치는 이중 배터리나 부하 덤프와 같은 결함 및 사용자 조건을 관리할 수 있어야 한다. 이 글에서는 이와 관련하여 오토모티브용 전원 공급 장치를 설계할 때 어떤 점들을 고려해야 하며, 그 과제들을 다루기 위해서 어떤 기능들을 추가할 수 있는지 살펴 보고자 한다. 또한 과제의 대안으로서 TI의 새로운 36V, 2.1MHz 동기식 벅 레귤레이터를 소개한다.

오늘날의 자동차는 많은 연료 절감 기능을 갖추고 있다. 그 중 하나가 “스타트-스톱(start-stop)” 동작이다. 스타트-스톱은 자동차가 정지 신호등에 다가갔을 때 엔진이 멈춤으로써 신호 대기 시에 연료를 절약할 수 있는 기능이다. “콜드 크랭크(cold crank)”라는 조건 역시도 시스템에 비슷한 전기적 부하를 가하게 되는데, 엔진에 시동이 걸리면 시스템에 높은 부하가 가해져 배터리 전압을 떨어뜨린다.

스타트-스톱이나 콜드 크랭크 시에는 전압이 급격하게 떨어짐으로써 벅 컨버터가 레귤레이션을 하지 못하게 될 수도 있다. 그러므로 경우에 따라서 보완적으로 부스트 컨버터를 사용해야 할 수도 있다. 하지만 갑작스러운 전압 강하를 견딜 수 있도록 전원 공급 장치를 설계한다면 부스트를 사용할 필요가 없게 되고, 그 만큼의 추가 부품에 따른 비용과 공간, 전력 소모를 줄일 수 있다.

LM53635-Q1은 100%에 가까운 듀티 사이클과 아주 짧은 최소의 오프 시간, 낮은 RDSON 하이사이드 FET(field-effect transistor) 저항의 특성을 갖는다. 이로써 설계 복잡성을 낮추며 하위 전원 공급 장치로서 레귤레이션을 유지하고, 전체적인 부하 및 동작 온도 범위에 걸쳐 0.6V 미만의 딥 드롭아웃(deep dropout) 동작을 가능하게 한다(그림 1).

 

여러 면에서 전원 공급 장치의 EMI(electromagnetic interference)를 낮추는 것이 더욱 중요해지고 있다. 자동차에 사용되는 와이어 하니스(wire harness)가 갈수록 복잡해지고, 시스템으로 갈수록 더 많은 수의 ECU 노드가 추가되고 있기 때문이다. 각각의 와이어 하니스와 ECU가 잡음을 발생시키기 때문에 이러한 잡음이 자동차 내부로 전달되어 다른 애플리케이션에 영향을 미칠 수도 있다. 또한 안전성 애플리케이션의 수가 점점 더 증가하고 있어 EMI를 낮출 수 있다면 상당히 바람직할 것이다. TI는 LM53635-Q1의 설계에서 EMI를 최소화하기 위한 다양한 기법들을 적용하고 있다.

다양한 기법 중 하나는 LM53635-Q1의 레귤레이션과 필터링에 사용되는 수동 부품의 배치를 최적화할 수 있도록 패키지 레이아웃을 설계하는 것이다. [그림 2]에서 보는 것처럼 고주파 입력 커패시터를 대칭으로 배치할 수 있도록 핀아웃 되어 있으며, 또한 스위치 노드의 양쪽에서 접지하고 있으므로 GND와 스위치 사이의 인덕턴스를 낮추어 잡음을 제거한다.


[그림 2] 고주파 CIN 커패시터의 배치

또한 특정한 방식으로 패키지를 설계함으로써 패키지 내의 기생 루프 인덕턴스와 커패시턴스를 제거하고, 스위치 노드 링잉을 감소시킨다. 이 링잉은 잡음을 발생시키는 주된 요인이다(그림 3). 이렇게 소스에서 잡음을 감소시키면 추가적인 부품들로부터 야기되는 문제들을 다룰 필요가 없어진다.


[그림 3] LM53635-Q1의 스위치 노드

시스템의 잡음을 낮추기 위한 또 다른 방법은 바로 “스프레드 스펙트럼(spread spectrum)”이다. 스프레드 스펙트럼 기법은 중심 스위칭 주파수(이 경우에는 2.1MHz)를 변조함으로써 고조파 및 서브 고조파를 억제할 수 있다. 스프레드 스펙트럼은 전반적인 잡음 피크를 낮추는 데 매우 효과적일 뿐만 아니라, 용어에서 알 수 있듯이 잡음을 확산시킴으로써 잡음 플로어에 영향을 미치지 않는다. 스프레드 스펙트럼은 고주파 고조파를 다루는 데 용이하므로 EMI에 대한 OEM(original equipment manufacturer) 제조업체의 엄격한 요건을 수월하게 충족할 수 있으며, PCB(printed circuit board) 설계를 단순화 시키고 필터링 소자의 크기 및 비용을 줄일 수 있다.

[그림 4]는 30MHz ~ 108MHz 주파수 대역에서 확산 스펙트럼을 사용하지 않았을 때(왼쪽)와 사용했을 때(오른쪽) LM53635-Q1의 동작을 보여준다.


[그림 4] 확산 스펙트럼을 사용한 고주파 고조파 억제

또 다른 중요한 과제는 공간적 제약과 주변 환경으로 인한 열을 극복하는 것이다. 오늘날 많은 오토모티브 설계는 기존 기계식 기능에 사용되던 폼 팩터 및 크기에 포함시키거나 비어 있는 공간을 활용해야 한다. 대표적인 사례로서 리어뷰 미러(후방 거울)를 들 수 있다. 과거의 리어뷰 미러는 간단하게 손으로 작동되는 디바이스였으나, 오늘날에는 카메라와 같이 새로운 기능들을 구현하기 위해 더 많은 전자기기를 사용하고 있다. 하지만 리어뷰 미러는 태양의 복사열을 받고 케이스가 주로 플라스틱과 같은 물질로 되어 있어서 PCB 상의 전자기기들이 높게는 105°C까지 온도가 올라갈 수 있다. 그러므로 전원 공급 장치는 전자기기의 통합 관리를 위해 소형화해야 할 뿐만 아니라 열 발생을 줄일 수 있도록 효율도 높아야 한다. TI의 LM53635-Q1은 고효율을 달성하도록 설계되었으며, 손실을 최소화하고 2.1MHz로 동작하여 전원 공급 장치로서 요구되는 추가 부품들의 크기를 최소화 할 수 있으므로, 열 문제를 해결하고 소형화할 수 있다(그림 5).

오토모티브 설계 시에는 품질이 중요하다. 특히 안전성을 기반으로 한 시스템을 설계할 때는 더욱 그렇다. 납땜성(solderability)은 흔히 신뢰성과 직결된다. 납땜 접합부의 품질을 향상시키기 위해서는 여러 기법을 사용할 수 있다. 그 중 한 가지 방법이 바로 (그림6) 에서 보여지는 웨터블 플랭크(wettable flank)이다. 웨터블 플랭크는 패키지 가장자리에 캐비티(Cavity)를 만들어서 광학 검사 시에 핀 측면의 웨팅(wetting)을 좀더 손쉽게 확인할 수 있게 하는 것이다. 그러므로 납땜이 제대로 되었는지 확인하기 위해 패키지 엑스레이를 할 필요 없이 접합부의 무결성을 확인할 수 있다.


[그림 6] LM53635-Q1에 사용되고 있는 웨터블 플랭크(Wettable flanks)

이 글에서 살펴보았듯이, 오토모티브 전원 공급 장치를 설계할 때에는 많은 과제들을 해결해야 하며, 어떠한 기능들을 추가할 것인지 고려해야 한다. 이러한 과제들을 이해하고 해결함으로써 설계 시간을 단축하며, 솔루션 크기 및 유지 비용을 줄일 수 있다. 비디오를 통해 LM53635-Q1을 사용해 어떻게 오토모티브 EMI과 열 문제, 시스템 과제를 해결할 수 있는지 자세히 확인할 수 있다.

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