자동차에 최적화된 전원 IC 최신 기술

  • 2015-01-12
  • 김창수 기자, cskim@elec4.co.kr
  • 글 | 로옴 세미컨덕터


오늘날 자동차의 전장화가 나날이 가속되고 있다. 자동차에 둘러싼 하이테크전자기기의 탑재가 진행됨에 따라, 기존의 기계 제어가 대부분이던 시대보다 전자제어·전동화기기의 비율이 매우 증가한다. 따라서 이러한 자동차의 전장화 추세는 앞으로도 더욱 가속할 것으로 예상된다.

자동차 전장에서의 전원 IC에 대한 요구 사항

전장화 요인에는 크게 3가지 키워드가 있다. 첫째는 환경(Eco)’이다. 일반 차량에 대한 HV(하이브리드 자동차), EV(전기 자동차)의 보급은 눈에 띄게 가속되고 있다. 또한, 자동차 업체 간 저연비화 경쟁도 격화되고 있다. 이는 전자화된 복잡하고 치밀한 제어를 통해 실현되며, 탑재되는 전자기기도 HV, EV의 보급 및 연비 성능 향상에 따라 증가하고 있다.

둘째는 정보의 쾌적(comfort)’이다. 자동차 본래의 목적인 이동 수단뿐만 아니라 음악을 다운로드해 듣거나, 이동 중 목적지에 대한 정보를 얻는 등, 일용품에 더욱 가까운 존재로서 자동차의 스마트화도 추진되고 있다. 이를 실현하기 위한 통신 관련 전자부품도 많이 필요하다. 또한, 쾌적성 향상에 대해서는 키 없이 도어를 개폐하거나, 엔진 스타트할 수 있는 스마트키가 일반 자동차에 보급되는 등 차내를 쾌적한 공간으로 만들기 위한 전자화도 진행되고 있다.

셋째는 자동차에는 빠질 수 없는 안전(satefy)’이다. 지금까지 자동차의 안전성은 차재 프레임의 강성 강화 및 충돌 시의 충격 흡수, 탑승자에 대한 에어백 동작 등, 위기 발생 사후에 대한 대책이 많았다. 하지만 최근에는 전자기기 성능 향상으로 위기 발생 전의 대책에 초점이 맞춰지고 있다. 전자기기는 자동차 카메라 및 센서 정밀도, 동작 신뢰성의 향상을 통해 자동차의 주행 안전을 실현하는 하나의 중요한 분야로서 확립되고 있으며, 앞으로도 다양한 기능의 안전기기가 개발되어 시장에 투입될 것이다.

자동차용 전원 IC는 거의 모든 전자기기에 사용되며, 이러한 3가지 키워드를 실현하기 위해 저암전류(낮은 대기전류)’, ‘저전압 동작’, ‘소형, 대전류라는 성능이 요구되고 있다(그림 1). 예를 들어 로옴은 높은 수준의 저암전류 6 μA를 달성한 자동차용 LDO 시리즈 ‘BD7xxL2EFJ-C/BD7xxL5FP-C’ 및 자사의 기존 제품 대비 1/100의 저암전류 22 μA를 달성한 DC/DC 컨버터 IC ‘BD99010 EFV-M/BD 99011EFV-M’을 양산하여 호평을 얻고 있다. 특히 독자적인 회로 설계를 통해 암전류 저감에 성공하여 자동차의 저소비전력화에 크게 이바지하고 있다.

 

 

고효율화와 그 대가

앞에서 기술한 바와 같이 HVEV 보급 및 연비의 성능 향상에 따라, 탑재되는 전자기기는 증가한다. 따라서 전자부품의 고효율화는 연비 성능 향상에 더욱 큰 영향을 준다. 그중에서도 전원 IC는 출력에 접속되는 전자부품 전부의 소비전류가 흐르므로, 한층 더 고효율이 요구되는 전자부품이라고 할 수 있다.

이러한 고효율화 요구를 만족하기 위해서는 전원 IC의 펄스 제어화(PWM, Pulse Width Modulation PFM, Pulse Frequency Modulation )가 필수지만, 이 제어 방식은 근접한 전자부품에 노이즈를 전파한다는 결점이 있다(그림 2). 예를 들어 자동차기기용 전자부품이 노이즈로 인해 오동작을 일으킨다는 것은 인명이 위험에 처할 가능성이 있는 것이므로 어떤 상황에서도 전자부품이 정상적으로 동작하도록 CISPR25(Emission: 노이즈를 발생시키는 쪽의 규격) ISO11452(Immunity: 노이즈의 영향을 받는 쪽의 규격) 등 노이즈에 관한 다양한 규격을 준수할 필요가 있다.

이처럼 자동차기기용으로는 다른 기기에 방해를 주지 않고(Emission), 다른 기기로부터 방해를 받아도 본래의 성능을 유지하는 것(Immunity)이 중요하다. EMC(Electromagnetic Compatibility)EMI(Emission)EMS (Immunity) 양쪽의 성능을 모두 실현할 필요성이 있어 전자양립성이라 불린다.

프로세스의 진화와 그 대가

무어의 법칙에 따라 프로세스의 미세화가 발전됐으나 이전과 같이 현격한 진화는 보이지 않는다. 전원 IC와 같은 소비전력이 큰 파워 IC는 전력 손실도 크다. 이러한 손실은 열로 바뀌어 IC에서 PCB 및 패키지를 통해 외부로 방열된다(그림 3). 자동차기기와 같이 사용 시 주위온도가 높은 환경에서는 IC의 사용온도 상한까지의 허용온도차가 적어지므로 그 손실에 의한 온도 상승은 최대한 억제해야 한다.

따라서 칩의 방열 특성(열 저항)을 향상(혹은 저하)할 필요가 있다. 열 저항은 패키지의 재질, 리드 프레임의 재질, 칩과 프레임을 접합하는 다이 본딩 재질뿐만 아니라, 프레임의 형상이나 칩 사이즈에 따라 크게 달라진다. 무어의 법칙에 따라 극소화된 칩 사이즈에서는 열 저항이 높아 기존과 같은 전력을 소비할 경우에도 칩의 온도 상승이 커지게 된다.

자동차 제어기기가 전자제어·전동화됨에 따라 플랫폼을 바탕으로 전자부품의 범용화도 진행된다. 따라서 열 저항이 높아지더라도 칩 사이즈의 소형화가 필수 항목이 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 제어기기로서의 전체적인 열 설계를 통해 ICPCB에서의 열 저항 밸런스가 중요해진다.



자동차기기
EMC 대책 사례

앞에서 기술한 바와 같이 자동차기기용 전자부품은 CISPR25(Emission: 노이즈를 발생시키는 쪽의 규격) ISO11452(Immunity: 노이즈의 영향을 받는 쪽의 규격) 등 노이즈에 관한 다양한 규격을 준수할 필요가 있다. 이러한 노이즈는 전달 경로에 따라, 직접 배선을 통해 전달되는 전도 노이즈와 공기 중을 통해 전달되는 방사 노이즈로 나눠 생각할 수 있다(그림 4, 5).

 

전도 노이즈 대책으로는 입력 필터가 매우 효과적이다. N타입 필터가 기본형이지만, 기준을 만족하지 않는 주파수 대역에 따라 임피던스가 낮은 바이패스 콘덴서를 추가하여 병렬 접속함으로써 기준을 만족할 수 있다. 이러한 노이즈 대책을 실현한 예로써, DC/DC 컨버터 IC ‘BD90640EFJ-C’를 들 수 있다.

그림 7의 사례는 AM 대 노이즈에 대해서는 N타입 필터로 감쇠하고, CB ~ FM 대 노이즈에 대해 임피던스가 20 MHz 정도에서 낮아지는 바이패스 콘덴서를 사용하여 감쇠시켜 CISPR25-Class5(그림 6)를 만족시킨 결과이다. 하지만 90 MHz 부근의 노이즈가 남아있으므로 임피던스가 100 MHz 정도로 낮아지는 바이패스 콘덴서를 추가함으로써, 모든 대역에서 Class5를 만족시킬 수 있었다.

마지막으로 노이즈 대책에 사용하는 콘덴서의 주파수 특성은 전압 및 온도 의존 또는, 사이즈, 부품 제조사에 따라 달라지는 경우가 있어 사전에 관련 업체에 확인하는 등 주의가 필요하다.

방열 대책의 주의사항

전자부품의 소형화가 가속화됨에 따라 발열 밀도는 높아져 세트 전체의 동작을 정상적으로 유지하는 것뿐만 아니라 수명 및 신뢰성을 확보하는 것도 어렵다. 이 문제를 회피하기 위한 방열 설계 기술은 매우 중요시되고 있다. 통상적으로 기판 실장 시, IC의 열 저항 θJA와 전력 소비, 또는 패키지 상면 중심 온도 T와 열 특성 파라미터(Parameter) ΨJT를 알면, IC의 대략적인 정션(Junction) 접합부 온도 j를 알 수 있다.

이 정션(Junction) 온도 j를 활용하여 절대 최대 정격 이하로 억제할 수 있는지가 열 설계의 기본이 된다. 이때 주의해야 할 점이 전자부품의 열 저항에 대한 정의이다. 부품 제조사에 따라 정의, 조건이 다르다는 점이 열 설계를 어렵게 한다. JEDEC(반도체 규격 협회)에서 규격화된 JESD51 시리즈 등도 있지만, 반도체 제조사 각사의 해석 차이로 조건은 1 1이 아닌 경우가 대부분이다. 따라서 세트 설계 시 주의가 필요하다.

일반적으로 반도체 메이커가 정의하는 열 저항은 JESD51-2A(305 mm X 305 mm 케이스에 둘러싸인 무풍 공간에 IC 1개를 실장한 기판을 고정한 상태)에 따라서 측정되지만, 실제 세트의 환경과는 크게 다르다. 예를 들어 그림 8의 좌측 하단의 기판 조건이 전자부품의 사양서에 게재된 조건이라고 가정한다.

세트에서 이 부품을 여러 개 사용할 경우에 중간 그림과 같이 근접한 상태로 부품을 배치하면, 부품 1개당 유효 방열 면적은 감소한다. 이는 열 저항 증가에 따라 각 부품의 온도가 상승하는 것을 의미하므로 주의가 필요하다.

자동차기기 분야에서 대부분의 ECU 등에 사용되는 전원 IC는 우리 생활 주변의 전자기기에도 꼭 필요한 제품이다. 로옴은 우수한 아날로그 기술을 활용하여 AC/DC컨버터 IC DC/DC 컨버터 IC 1차측에서 2차측에 이르기까지 다양한 기기에 최적인 폭넓은 제품군을 갖추고 있다. 앞으로 다양한 고객의 요구를 배려한 통합 애플리케이션에도 주력하여 제품군을 강화할 예정이다.

 

 

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