자동차 기어 실렉터에서 자기장의 정확한 3D 측정

  • 2016-09-02
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 글| *하네스 버크(Hannes Birk), **지그문트 자루바(Sigmund Zaruba) 인피니언 테크놀로지스



TLE493D-W1B6 자기 센서는 정확한 3D 자기장 측정을 할 수 있으며, 에너지 소모가 극히 낮고, 자기장 경고 기능을 통합했다. 자동차에서 이 기술을 사용할 수 있는 애플리케이션으로는 기어 실렉터(Gear selector), 제어 장치, 톱 컬럼모듈(TCM), 직선 운동이나 각도 측정을 수반하는 애플리케이션을 들 수 있다.

기존의 선형 홀 센서, 홀 스위치, 각도 센서는 칩 표면과 수직인 자기장 성분만을 인식할 수 있다. GMR(Giant Magneto-Resistive) 각도 센서는 평면방향 자기장 성분만을 측정할 수 있다.

그런데 TLE493D-W1B6 센서는 자기장의 x, y, z 좌표를 동시적으로 측정할 수 있다(그림 1). 모든 3개 축의 자기장 성분을 인식할 수 있으므로 센서가 놓여 있는 곳에서의 자기장에 대해 전체적인 3차원 그림을 제공한다. 마그넷이 조금이라도 움직이면 적어도 하나의 자기장 성분이라도 변화함으로써, 3D 센서가 이를 인식할 수 있다.

 

이러한 3차원 센서 시스템이 가능하게 된 것은 수직 및 수평 홀 플레이트를 단일의 센서 칩으로 통합했기 때문이다.수직 홀 플레이트는 평면 방향 x 및 y 자기장 성분을 검출하고 수평 홀 플레이트는 수직 방향 자기장 성분(z 방향)을 검출한다.

이 센서를 개발하기 위해 다수의 혁신적인 특허 기술이 적용됐다. 사용자가 각기 자기장 방향에 대해 자기장 회랑(corridor) 구간을 지정할 수 있다. 그러므로 측정된 자기장이 이 지정된 회랑 구간을 벗어나면 센서가 연결된 마이크로컨트롤러로 경고 신호를 보낸다. 또한 이 센서는 전력 소모를 낮추도록 개발됐다. 에너지 절약 오실레이터 같은 혁신적인 설계 기술을 적용함으로써, 예를 들어 ‘파워 다운’ 모드 시에 7 nA 같이, 센서의 전력 소모를 불과 수 나노 암페어로 낮출 수 있었다. 또한 이 센서는 소형 패키지로 제공된다. 6핀 TSOP-6 케이스로 크기가 2.9 mm × 1.6 mm이므로, 시장에 나와 있는 어떤 3D 자기 센서보다 크기가 소형이다.

또한 TLE493D-W1B6은 전력 소모가 낮고 자기장 경고 기능을 통합함으로써 아주 적은 전력만을 사용해 위치의 주기적 변화를 검출해야 하는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 또한 센서 경고 기능을 사용해서 정밀한 에너지 절약시스템을 구현할 수 있다. 예를 들어 센서의 자기장 경고 기능을 사용해 마이크로컨트롤러를 절전 ‘슬립’ 모드로부터 깨울 수 있다. 마그넷의 위치 변화로 자기장이 변화할 때마다 이 경고를 트리거할 수 있다.
이 센서는 또한 2와이어 I2C 표준 인터페이스를 통해 디지털 출력을 제공한다.

그러므로 높은 통신 속도와 버스 모드를 가능하게 한다. 또한 이 센서는 AEC-Q100 자동차 표준을 충족하므로 고객 시스템으로 엄격한 품질 요건과 다양한 환경 규정을 충족한다. 또한 ‘functional safety’ 시스템 요구를 충족할 수 있도록 모든 관련된 ISO26262 도큐멘트를 제공한다.



아키텍처 및 주요 기능

이 센서의 아키텍처는 3개의 주요 기능유닛으로 이루어졌다(그림 2). 전력 모드 제어 유닛, 센서 유닛, 통신 유닛이다. 전력 모드 제어 유닛은 IC(integrated circuit)로 에너지를 분배하고 센서 동작을 제어하는 역할을 한다.

센서 유닛은 수직 및 수평 홀 플레이트와 온도 센서로 이루어졌으며, x, y, z 방향으로 자기장을 측정한다. 평면 자기장 성분(x 및 y 방향)에 사용되는 수직 홀 플레이트는 뛰어난 자기적 정렬 정확도(±1%)를 달성하므로 정밀한 각도 측정을 할 수 있다. 각각의 x, y, z 홀 플레이트가 직렬로 다중화기로 연결되고, 다중화기는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 연결된다. 온도 센서 역시 다중화기로 연결되며, 필요에 따라서 사용하거나 사용하지 않을 수 있다.

마이크로컨트롤러가 항상 I2C 인터페이스를 통해서 통신 유닛을 액세스할 수 있으며 레지스터 데이터를 액세스해서 레지스터 값을 리드아웃할 수 있다. 3개축의 값과 온도가 별도의 레지스터들에 저장된다. 이 인터페이스는 I2C 고속 모드 규격(400 kB/s)을 지원하는 한편, 최적화된 전기 회로를 사용해 1 Mb/s 이상의 데이터 레이트를 지원할 수 있다. 이 센서는 또한 I2C 프로토콜 가이드라인에 따라서 I2C 버스 체계로 다른 디바이스들과 함께 사용할 수도 있다.

3D 자기장 검출 시에 TLE493DW1B6는 모든 측정 방향에 대해서 12비트 데이터 분해능을 제공한다. 그러므로 0.098 mT/비트(최하위 비트, LSB)의 높은 데이터 분해능이 가능하므로 아주 작은 마그넷 움직임이라도 측정할 수 있다. 또한 넓은 자기장 범위(±150 mT)의 경우에는 각각의 축에 대해서 자기장(B)의 직선적 측정(Bx, By, Bz)이 가능하다.

그러므로 긴 직선적 마그넷 움직임(최대 4 cm)이라도 측정할 수 있다. 넓은 측정범위는 또한 단순하고, 견고하고, 유연한 자기 회로 레이아웃을 가능하게 한다.

유연한 전력 모드 사용한 전력 소모 최소화 

매 측정 사이클마다 센서가 연결된 마이크로컨트롤러로 강력한 인터럽트 신호를 전송한다. 그러면 마이크로컨트롤러는 레지스터로부터 자기 및 온도 값을 리드아웃한다. 센서의 인터럽트 신호를 사용해 마이크로컨트롤러 시스템을 슬립 모드로부터 깨울 수 있다. 전체적인 시스템을 슬립 모드로 전환하고 리드아웃 간격에만 깨어나게 하면 시스템의 전체적인 전력 소모를 현저히 낮출 수 있다.

TLE493D-W1B6은 다양한 모드로 동작할 수 있다. 각각의 동작 모드는 초당 측정 사이클 횟수가 다르며(그림 3), 센서를 원하는 모드로 유연하게 설정할 수 있다.

 

파워 다운 모드일 때는 모든 기능 블록을 셧다운한다. 이 모드일 때는 어떠한 자기 측정을 하지 않으며, 전력 소모는 7 nA로 낮아진다.
‘고속(fast)’ 모드는 리드아웃 속도를 극대화한다. 이 모드일 때는 측정 결과를 리드아웃하면서 그 다음 자기장 측정을 실시할 수 있다. 이 모드는 아주 빠른 마그넷 움직임을 검출해야 하는 애플리케이션에 특히 유용하다. 센서의 전력 소모는 약 8 kHz의 샘플링 레이트일 때 3.7 mA이다. 이는 초당 8,000회의 측정 사이클에 해당된다.

TLE493D-W1B6는 총 8개의 ‘저전력’모드를 구현하고 있다. 이들 모든 모드에 센서가 주기적으로 그리고 자율적으로 파워 다운 모드로부터 깨어나서 자기 측정을 실시한다. 전력 소모는 초당 측정 사이클 횟수에 따라서 달라진다(그림 3).

‘마스터 제어(mater-controlled)’ 모드는 애플리케이션 요구에 따라서 센서를 유연하게 리드아웃할 수 있다. 매 측정 후에 센서는 마이크로컨트롤러(마스터)가 레지스터를 리드아웃할 때까지 기다린다. 애플리케이션 조건에 따라서 리드아웃 프로세스를 즉각적으로 실시하거나 또는 약간의 지연을 두고 실시할 수 있다.

마이크로컨트롤러가 자기장 값을 검출했으면 곧바로 새로운 센서 측정 사이클을 트리거한다. 이 모드는 넓은 직선적 움직임을 검출하기 위해 I2C 버스를 통해 다수의 TLE493D-W1B6 센서를 연결했을 때 특히 유용하다. 마이크로컨트롤러가 어느 센서의 데이터가 가장 관련성이 높은지 결정하고 해당 센서를 트리거한다.

애플리케이션: 중급 자동차의 기어 실렉터 

자기 3D 센서는 자동차 기어 실렉터의 위치를 검출하는 데 사용하기에 유용하다. 최소한 6개의 홀 스위치를 사용하는 기존 솔루션을 단일 3D 센서로 교체할 수 있다. TLE493D-W1B6는 첨단 홀 스위치와 케이스 크기가 동일하므로 상당한 공간과 비용을 절약할 수 있다.

그러면 중급 자동차의 기어 실렉터(Gear selector)를 예로 들어서 이 3D센서가 어떻게 현행 솔루션을 교체할 수 있는지 살펴보자.

 

그림 4〉(좌)는 원호 상에서 약 6° 간격의 6개 기어 실렉터 위치를 보여준다. 이 기존의 기어 실렉터는 각각의 6개 실렉터 위치에 홀 스위치를 사용해서 검출한다. 이 6개 홀 스위치를 단일의 TLE493D-W1B6 3D 센서로 교체할 수 있다(그림 4(우)).

견고한 자기 디자인을 위해서는 다음과 같은 파라미터를 사용해야 한다.

· 마그넷 형태: 큐보이드 형태(7 mm × 5 mm × 3 mm)
· 마그넷 소재: NdFeB
· 잔류자기: 1 T
· 센서: TLE493D-W1B6
· 센서와 마그넷 사이의 에어갭: 4 mm
· 자화 방향(magnetization): Axial
· 레버 암: 1.3 cm
· 스윕 각도: 0 ... 30°
· 6개 위치로서 위치당 6°의 분해능

 

위의 파라미터는 기계적으로 꺽은 각도가 계산된 구면 각도 θ와 선형적인 관계를 이루도록 할 수 있다. 구면 각도는 센서의 x, y, z 성분으로부터 계산되므로(그림 5), 명확하게 산출될수 있으며, 이는 다시 실렉터의 위치를 명확하게 판별할 수 있도록 한다. 이에 관해서는 웹페이지(www.infineon.com/3dmagnetic)의 애플리케이션 노트에서 자세히 설명하고 있다.

Functional Safety’ 요건 

TLE493D-W1B6은 어느 때나 전체적인 센서 신호 체인(Signal chain)을 검사할 수 있기 때문에 동작 시에 오작동을 검출할 수 있도록 테스트 기능을 포함하고 있다.

이 테스트 기능은 마이크로컨트롤러가 예상 값과 비교할 수 있는 정의된 값을 전달해 예상 값과 일치하면 마스터가 추가적인 조치를 취할 필요가 없다. 테스트 시간은 1 ms보다도 훨씬 짧다.

경고 기능 

TLE493D-W1B6의 또 다른 지능적 기능은 자기장 경고 기능이다. 모든 3개 자기장 방향에 대해서 자기장 강도인 밀리테슬라 단위로 회랑(corridor) 구간을 지정할 수 있다. 지정된 모드로 자기장을 주기적으로 측정하고 이 회랑과 비교한다.

 

측정된 자기장 값이 세 방향 모두로 이 회랑 범위 이내이면 센서가 인터럽트 신호를 억제한다. 측정된 자기장 값이 상한 회랑 값을 넘거나 하한 값 아래이면 센서가 인터럽트를 발생시켜 마이크로컨트롤러를 깨운다(그림 6). 마스터(마이크로컨트롤러)가 깨어나면 레지스터로부터 자기장 값을 리드아웃한다. 이 회랑은 세 축에 대해서 어느 때나 개별적으로 설정할 수 있다. 그러므로 기계적 위치의 변화에 따라서 임계값을 조절할 수 있다.

자기장 경고 기능을 사용함으로써 전체적인 마이크로컨트롤러 시스템을 슬립 모드로 전환할 수 있으며, 자기적 위치가 변화할 때만 센서가 마이크로컨트롤러 및 연결된 시스템을 깨울 수 있다.

그러므로 상당한 에너지를 절약하면서 위치 변화에 빠르게 대응할 수 있는 시스템을 설계할 수 있다.

결론 

TLE493D-W1B6 센서는 다양한 애플리케이션으로 정확하면서 에너지 효율적인 3D 자기장 검출을 할 수 있다. 다양한 동작 모드를 사용해 넓은 측정 범위로 전문적이면서 다양한 시스템 디자인을 설계할 수 있으며, 정확한 위치 계산과 극히 낮은 전력 소모를 달성한다. 또한 자기장 경고 기능을 통합함으로써 마이크로컨트롤러 시스템을 깨우고 위치변화를 통보할 수 있다.

TLE493D-W1B6의 개발 샘플을 제공한다. 양산은 2016년 말에 시작할 예정이다. 

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