낮은 EMI/EMC 방출 스위칭 컨버터를 필요로 하는 자동차 ADAS

  • 2017년 09월호
  • 토니 암스트롱(Tony Armstrong), 전력 제품 그룹 제품 마케팅 디렉터, 리니어 테크놀로지(아날로그디바이스)


ADAS 시스템은 수많은 센서로부터 정보를 수집?처리해 알기 쉽게 표시하기 위한 마이크로프로세서를 통합하고 있다. 이러한 ADAS를 포함한 차량 시스템에 사용되는 모든 DC/DC 컨버터는 최소 3.5~42V의 넓은 입력 전압 범위를 처리할 수 있어야 한다.

시장조사기관 얼라이드 마켓 리서치(Allied Market Research)에 따르면, 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance System) 전 세계 시장규모는 2014~2020년 기간 연평균 22.8% 성장을 기록해, 오는 2020년에는 600억 달러에 이를 것으로 나타났다. 이러한 높은 성장은 반도체 분야에 많은 기회가 될 전망이다.

ADAS는 Advanced Driver Assistance System(첨단 운전자 지원 시스템)의 약자로, 현재 많은 신형 자동차에 광범위하게 채택되고 있다. 이들 시스템은 주로 안전한 주행을 도와주고, 부주의한 보행자나 자전거, 심지어 위험한 운행을 하는 다른 차량과 같은 주변사물로부터 시스템이 위험을 감지할 경우 운전자에게 경보를 보내줄 수 있다. 뿐만 아니라 ADAS는 적응형 크루즈 제어, 사각지대 감지, 차선 이탈 경보, 운전자 졸음 모니터링, 자동 제동, 트랙션 제어 및 나이트 비전과 같은 동적 기능들을 제공한다. 그 결과, 소비자의 안전 중시, 주행 시 편의성 요구 및 정부의 지속적인 안전 규제 강화는 다음 5~6년에도 자동차에서 ADAS 수요를 이끄는 주요 동인이 될 것이다.

그러나 이러한 성장은 자동차 업계에 새로운 과제를 제공한다. 여기에는 가격 압박과 상승, 복잡성, 그리고 이러한 시스템의 테스트 어려움 등이 포함된다. 유럽의 자동차 산업이 가장 혁신적인 자동차 시장의 하나라는 사실은 놀라운 일이 아니다. 유럽 자동차 시장에서 ADAS는 주요 시장에 침투하고 있으며, 고객으로부터 채택되고 있다. 하지만 미국과 일본의 자동차 제조사 역시 그리 뒤쳐진 것은 아니다. 궁극적인 목적은 운전대 뒤에 사람이 필요 없는 완전한 자율주행 차량이다.



시스템 과제

?일반적으로 ADAS 시스템은 차량 내 수많은 센서로부터 모든 입력을 수집하고 이를 처리해 운전자가 쉽게 이해할 수 있는 방식으로 표시하기 위해 일정한 종류의 마이크로프로세서를 통합하고 있다. 이들 시스템은 보통 공칭 9~18V의 자동차 메인 배터리로부터 직접 전력을 공급받지만 시스템 내의 과도 전압으로 인해 42V까지 높아질 수 있으며 콜드 크랭크 조건에서는 3.5V까지 내려갈 수 있다. 따라서 차량 시스템에 사용되는 모든 DC/DC 컨버터는 최소 3.5~42V의 넓은 입력 전압 범위를 처리할 수 있어야 한다.

많은 ADAS 시스템은 5V 및 3.3V 레일을 이용해 다양한 아날로그 및 디지털 IC 소자에 전력을 공급하지만, 주로 사용되는 프로세서 I/O와 코어 전압은 2V 이하 범위의 동작 요구사항을 가질 뿐 아니라 0.8V까지 낮아질 수 있다. 뿐만 아니라 시스템은 보통 공간과 열이 제한된 차량 부위에 탑재되므로 냉각을 위해 히트싱크를 사용하는 것도 제한된다.

고전압 DC/DC 컨버터를 사용하여 배터리로부터 직접 5V 및 3.3V 레일을 생성하는 것이 일반적이지만, 오늘날의 ADAS 시스템에서 스위칭 레귤레이터는 전통적인 500 kHz 이하 스위칭 주파수 대신 2 MHz 이상에서 스위칭해야 한다. 이러한 변화는 더욱 작은 솔루션 풋프린트를 구현하면서 AM 주파수 대역 위에 머물러 민감한 간섭을 피하기 위해서다.

마지막으로, 설계자의 작업은 이미 충분히 복잡하지만, 또한 ADAS 시스템이 차량 내 다양한 잡음 내성 표준을 만족한다는 것을 보장해야 한다. 자동차 환경에서 스위칭 레귤레이터는 낮은 열 발산과 효율이 중요시되는 부분에서 선형 레귤레이터를 대체하고 있다. 뿐만 아니라 스위칭 레귤레이터는 입력 전력 버스 라인의 첫 번째 능동 부품이므로 완전한 컨버터 회로의 EMI 성능에 많은 영향을 미친다.

EMI 방출은 전도(Conducted)와 방사(Radiated) 두 가지가 있다. 전도 방출은 제품에 연결되는 와이어와 트레이스를 통해 전달된다. 이 잡음은 설계에서 특정 단자나 커넥터에 국한돼 존재하므로, 전도 방출에 대한 요구사항 준수는 개발 과정에서 비교적 초기에 우수한 레이아웃이나 필터 설계로 보장할 수 있다.

그러나 방사 방출은 전혀 얘기가 다르다. 보드에서 전류를 운반하는 모든 것은 전자기장을 형성한다. 보드의 모든 트레이스는 안테나고, 모든 구리 면은 공진기다. 순수한 사인파와 DC 전압을 제외한 모든 것은 신호 스펙트럼 전체에서 잡음을 발생시킨다. 아무리 신중한 설계를 하더라도 전원장치 설계자는 시스템을 테스트할 때까지 전자파 방사가 어느 정도 나쁜지 전혀 알 수 없다. 또한 전자파 방사 테스트는 기본적으로 설계를 마칠 때까지 공식적으로 수행할 수 없다.

종종 필터를 이용해 특정한 주파수 또는 주파수 범위에서 강도를 감쇄함으로써 EMI를 감소시킨다. 공간을 통해 이동하는 이러한 (방사되는) 에너지의 일부는 금속 및 자기 차폐를 추가해 감쇄한다. PCB 트레이스에서 전달되는(전도되는) 부분은 페라이트 비드와 기타 필터를 추가해 완화한다. EMI는 완전히 제거할 수는 없지만, 다른 통신 및 디지털 구성요소에서 받아들일 수 있는 수준으로 감쇄할 수 있다. 또한 몇몇 규제 기관은 적합성을 보장하기 위해 표준을 시행한다.

표면 실장 기술의 최신 입력 필터 부품은 스루홀 부품보다 우수한 성능을 갖는다. 하지만 이러한 향상보다 스위칭 레귤레이터의 동작 스위칭 주파수의 증가가 더 빠르다. 더 높은 효율, 낮은 최소 온/오프 시간은 더 빠른 스위치 전환으로 인해 고조파 성분을 증가시킨다. 스위칭 주파수가 두 배 증가할 때마다 스위치 용량, 전환 시간과 같은 다른 모든 파라미터가 그대로 있는 동안 EMI는 6 dB 더 나빠진다. 만약 스위칭 주파수가 10배 증가하면 광대역 EMI는 20 dB 더 높은 방출로 1차 고역 통과처럼 동작한다.

경험이 풍부한 PCB 설계자라면 핫루프를 작게 만들고 차폐 접지 레이어를 능동 레이어와 가능한 가깝게 사용하겠지만, 디커플링 부품에서는 적절한 에너지 스토리지에 필요한 디바이스 핀아웃, 패키지 구조, 열 설계 요구사항 및 패키지 크기에 의해 최소 핫루프 크기가 결정된다. 일반적인 평판 회로 기판에서 문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은 고조파 주파수가 높아질수록 원하지 않는 자기 커플링 효과가 높아지기 때문에 30 MHz 이상에서 트레이스 간 자기 또는 트랜스포머 방식의 커플링이 모든 필터 노력을 반감시킨다.

낮은 EMI/EMC 방출을 갖는 듀얼 DC/DC 컨버터

?최근 아날로그디바이스에 의해 인수된 리니어 테크놀로지에서는 이와 같은 애플리케이션 과제를 해결하기 위해 높은 입력 전압을 지원하면서 낮은 EMI/EMC 방출을 갖는 듀얼 출력 모노리식 동기 벅 컨버터 LT8650S를 개발했다. 디바이스의 3~42V 입력 전압 범위는 콜드 크랭크 및 스톱-스타트에서 낮게는 3V의 최소 입력 전압은 물론 부하 덤프 과도상태에서는 40V 이상까지 조절해야 하는 ADAS를 비롯한 자동차 애플리케이션에 이상적이다.

〈그림 1〉에서 보듯이 LT8650S는 2개의 고전압 4A 채널로 구성된 듀얼 채널 설계로 0.8V의 낮은 전압을 제공할 수 있으므로 현재 출시된 가장 낮은 전압의 마이크로프로세서 코어를 구동할 수 있다. 디바이스의 동기 정류 토폴로지는 2 MHz 스위칭 주파수에서 최대 94.4% 효율을 제공한다. 또한 버스트 모드(Burst Mode®) 동작은 무부하 대기 조건에서 무부하 전류를 6.2 μA 미만(두 채널 모두 작동 시)으로 유지하므로 상시 동작 시스템에 적합하다.


                                        [그림 1] 2 MHz에서 5V/4A 및 3.3V/4A를 제공하는 LT8650S 회로도

LT8650S의 스위칭 주파수는 300 kHz~3 MHz 범위에서 프로그래밍할 수 있으며, 전체 범위에 걸쳐 동기화할 수 있다. 디바이스의 40 ns 최소 온-시간은 2 MHz 스위칭 주파수의 고전압 채널에서 16VIN에서 2.0VOUT로 스텝다운 변환을 가능하게 한다. 고유한 Silent Switcher®2 아키텍처는 2개의 내부 입력 커패시터뿐 아니라 내부 BST 및 INTVCC 커패시터를 사용해 핫루프 영역을 최소화한다. 이 밖에 매우 잘 제어되는 스위칭 에지, 필수적인 접지 면을 갖춘 내부 구조를 결합하고 본딩 와이어 대신 구리 필러를 사용함으로써 LT8650의 설계는 EMI/EMC 방출을 획기적으로 감소시킨다.

〈그림 2〉는 방출 출력 특성을 보여준다. 이와 같이 향상된 EMI/EMC 성능은 보드 레이아웃에 민감하지 않으므로, 2개의 레이어 PC 보드를 사용하는 경우에도 설계를 간소화하고 리스크를 줄일 수 있다. LT8650S는 전체 부하 범위에 걸쳐 2 MHz 스위칭 주파수에서 자동차 CISPR25, Class 5 최대 EMI 제한을 쉽게 통과할 수 있다. 또한 확산 스펙트럼 주파수 변조가 제공돼 EMI 레벨을 더욱 낮춰준다. 


                                [그림 2] LT8650S의 방출되는 EMI 성능 그래프

LT8650S는 단일 다이에 필요한 부스트 다이오드, 발진기, 제어 및 로직 회로를 통합한 내부 하단 및 상단 고효율 전원 스위치를 사용한다. 낮은 리플의 버스트 모드 동작은 출력 리플을 10 mVp-p 미만으로 유지하면서 낮은 출력 전류에서 높은 효율을 유지한다. 마지막으로 LT8650S는 열 성능이 강화된 소형 4×6 mm 32핀 LGA 패키지로 제공된다.


결론 

자동차에서 ADAS 시스템의 확산이 곧 그치지 않으리라는 것은 의심의 여지가 없다. 동시에 ADAS 시스템과 간섭하지 않으면서 필요한 모든 성능 지표를 만족하는 전력 변환 소자를 찾기가 쉽지 않다는 것 또한 분명하다. 다행히 이러한 자동차 시스템 설계자를 위해 아날로그디바이스의 리니어 테크놀로지 전력 제품 그룹에서는 복잡한 레이아웃이나 설계 기법 필요 없이 설계자의 작업을 획기적으로 간소화하면서 필요한 모든 성능을 제공하는 ‘업계 최고’ 전력 컨버터를 선보이고 있다.

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