오늘날 자동차에는 수많은 반도체와 시스템이 탑재되고 있다. 이글에서는 자동차 시스템에 탑재된 전자 회로의 과도 전압을 방지하는 것에 대해 알아본다.

새롭게 출시되는 자동차 모델에는 전자 회로가 점점 더 많이 접목되고 있다. 즉 운전자와 탑승자는 더욱 많아진 기능으로 혜택을 누릴 수 있단 이야기다. 이처럼 점점 집약되고 복잡해지는 전자 환경에서 아날로그와 디지털 회로가 매우 근접하게 배치되기 때문에 과도 전압 관리가 그 어느 때보다 중요하다. 파워트레인의 확실한 작동과 편의, 안전 및 인포테인먼트 목적을 모두 달성하려면 혁신적인 기술과 전략을 채택하여 점점 새로워지는 용도에서 과도 전압을 최대한 방지해야 한다.

TVS의 필요성

지난 20년간 자동차에 장착되는 반도체의 숫자는 거의 기하급수적으로 늘었다. 각 자동차 설계에 포함되는 여러 IC(마이크로컨트롤러, ASIC 및 FPGA 등)들은 과도 전압이 유발할 수 있는 민감한 상황으로부터 보호되어야 한다. 현재 일반적인 자동차에는 통상 50개 이상의 TVS(Transient voltage suppressor, 과도 전압 억제기)가 사용되는데 고급 차종의 경우 이 숫자는 훨씬 더(거의 두 배 가까이) 늘어나게 된다.

과도 전압 방지의 기본적인 목적은 자동차 전자 요소의 수명을 최대한 연장하는 데 있다. 다시 말해 정비 빈도를 줄이는 것이다. 또한, 제조사가 특정 모델의 시스템 하자로 리콜 위험을 줄이는 데도 도움이 된다. 이는 제조사의 금전적 피해뿐 아니라 브랜드 이미지 하락의 위험을 막는 데에도 막강한 효과가 있다.

주요 분야

자동차 시스템은 여러 가지 현상과 환경에 노출된다. 예를 들면 큰 전압 스파이크라던가, 부하 개폐 시 발생하는 과도 현상, 또는 로드 덤프(Load Dump) 시의 디스차지 조건 등이 여기에 포함된다(로드 덤프 시의 문제는 최근 서구에서 제조되는 자동차의 알터네이터 개선으로 점점 줄고 있는 편이다).

오늘날 자동차 설계 중 TVS 소자의 역할이 중요한 두 가지 주요 분야가 있다. 먼저 작은 신호들이 개입되는 인포테인먼트 및 편의 시스템과 같은 차체 내의 전자 기기이며, 두 번째는 이보다는 큰 과도 전압을 처리해야 하는 모터, 솔레노이드 등 자주 개폐되는 소스 기기들이다.

ISO7637-2는 자동차 부문과 특정하게 연관되는 과도 펄스를 표준화하여 정의하는 데 특히 12V(승용차) 또는 24V(트럭 및 상업용 자동차) 전자 시스템을 탑재한 모든 차량이 준수해야 할 기능의 테스트 방법과 절차를 지정한다. 하지만 일부 자동차 제조사들은 자체적으로 이 표준과 약간 다르게 변형시킨 기준을 바탕으로 펄스의 종류를 정하고 있다는 점에서 주목할 필요가 있다.

복잡해지는 자동차 시스템

자동차 시스템이 점점 정교해질 뿐 아니라 차세대 반도체 기술의 의존도가 더욱 커짐에 따라 모든 것들이 더욱 복잡해졌다. 작은 반도체 프로세스 기반의 IC가 과도 전압에 따른 피해에 취약해지면서 더욱 효과적인 보호 대책이 필요해지는 추세이다. 또한, 자동차 제조사들은 연료 절감을 위해 차량의 무게를 줄이려 하고 있다.

즉, 자동차 업계 전체에 걸쳐 더욱 작은 패키지와 작은 사이즈들이 요구되는 것이다. 따라서 부품 벤더들은 강력한 보호 능력을 제공하면서도 폼팩터의 부피가 작은 TVS 소자를 생산해야 하는 난제에 직면해 있다. 이러한 점을 고려해 자동차용 TVS 소자들은 일반적으로 SMA 및 SMB 패키지 포맷을 기반으로 하는 경향이 있다.

하지만 이미 언급한 이유로 인해, 크기 축소를 위한 노력은 점점 더 거세지는 추세이다. 완벽하고 효과적인 보호 기능을 제공하려면 이와 같은 다운사이징에도 불구하고 통상적인 정격 출력이 약 600W로 유지돼야 한다. 게다가, 자동차 제조사들은 과도 현상에 의해 초래되는 스트레스 정도를 줄이기 위해 더 낮은 클램핑 전압을 요구한다. 이미 벤더들은 SMA-Flat 및 SOD-123FL 포맷으로의 전환을 모색 중이다.

매력적인 옵션, SMA-Flat

온 세미컨덕터의 SOD-123FL는 자동차 제조사들이 원하는 대대적인 소형화 요구에 잘 부응하는 소자이다. 발열현상(과도 에너지 발산에 활용할 수 있는 면적이 작아)이 줄었으며 다이 사이즈도 크게 작아졌다. ASIC 지오메트리가 28nm 또는 22nm으로 전환됨에 따라 실리콘이 약해짐으로써, 과도 전압의 피크 전압을 더 낮은 레벨로 억제할 필요성이 커지기 때문이다.

전력 소비량을 줄이기 위해서는 시스템을 재설계해야 하는데 이는 더 많은 설계 자원을 할당해야 한다는 의미이다. 하지만 관련 개발비가 늘어나 출시 시기도 미뤄지기 때문에 이러한 기술을 채택하기란 쉽지 않다. 이에 반해 SMA-Flat은 훨씬 더 매력적인 옵션이다. 전체적인 사이즈를 줄이면서도 SMB 소자에 상응(SMA 소자보다는 더 좋은)하는 전력 발산을 가능케 한다는 점에서 SMA 및 SMB 소자보다 탁월한 장점을 제공하는 것이다.

특히 현재 채용되고 있는 TVS 패키지와 비슷한 사이즈의 다이도 설계할 수 있어 값비싼 재설계 작업을 할 필요가 없다는 점도 장점 중 하나이다. 또한, 발열 성능을 유지하면서도 적은 치수의 패키지 면적이라는 특징이 경쟁력을 더해준다.

설계와 관련하여 전반적인 전력 요건을 검토할 때에는 비단 전압 범위뿐 아니라 전류 소모가 전반적인 에너지 발산에 미치는 영향까지 고려해야 한다. TVS 소자를 정할 때 피크 전력 발산 능력을 확인하는 한 가지 방법은 사전에 정의된 펄스를 이용하는 것이다. 10 x 1000 μs 비 반복 펄스가 이러한 목적으로 사용할 수 있다. 기본적으로 이 펄스 상승 시간 10μs와 반가(half value) 도달 기간 1000 μs의 펄스 파형을 의미한다(그림 1 참조). 이 내용은 소자의 데이터 시트에서 쉽게 찾을 수 있다.

변화하는 과도 전압의 주기 및 유형

현재 수백 와트의 펄스에 해당하는 전력 발산 레벨을 갖춘 SMA-Flat 패키지의 제품들이 출시되고 있다. 순수 전기차(EV)와 하이브리드 전기 자동차(HEV) 시장이 커질 것으로 예상됨에 따라 과도 전압 방지라는 새로운 과제를 줄 것이다. 이는 차량 자체뿐 아니라 차량의 대량 생산 단계 인프라에도 적용되고 있다.

만약 자동차 업계가 48V 전원까지 발전한다면 더 많은 장애물이 나타날 것이다. 아직 모든 차량에서 구현된 것은 아니지만, HEV의 스타트-스톱 시스템과 내연 기관 자동차의 제동 회생 시스템은 이전에 구상했던 것보다 빠르게 발전을 촉진할 것이다. 이처럼 높은 전압이 채택될수록 보호해야 하는 전력량이 전반적으로 증가할 것이며, 과도 전압의 주기와 유형도 바뀌게 될 것이다.

플랫 리드 타입 같은 소형 패키지 포맷이 접목된 고전압 TVS 부품으로의 이동은 자동차용 애플리케이션에서 과도 전압을 처리할 방안에 대하여 많은 것을 시사하고 있다. 자동차 제조사들은 정밀한 집적 회로들이 최신의 자동차 모델 내부에 배치된 혹독한 구동 조건을 견디면서도 열 문제를 키우지 않고 공간과 무게를 줄이도록 설계의 노력을 집약시켜야 한다.