차량용 OP Amp로 심플한 자동차 센서 애플리케이션 설계하기

  • 2018-07-04
  • 글: 로옴 주식회사(www.rohm.co.kr)




로옴, 노이즈 설계가 필요 없는 OP Amp 이용한 고신뢰성 설계 제안


자동차에서의 노이즈 대책의 중요성은 더욱 높아지고 있으며, 앞으로도 고밀도화의 가속화에 따라 노이즈 특성이 우수한 전자부품의 수요가 증가할 것으로 예상된다.

최근, 세계 각국에서 지구 온난화의 원인인 이산화탄소(CO₂) 배출량 규제가 강화됨에 따라, 목표 달성을 위한 대책 활동이 적극적으로 전개되고 있다. 특히 자동차 분야에서는 주행 중에 CO₂를 배출하지 않는 EV(전기자동차) 및 HEV(하이브리드 자동차)가 주목을 받고 있으며, 가솔린 자동차를 대체하고 있다. EV 및 HEV의 에너지 절약 성능을 더욱 높이기 위해, 자동차 1대 당 탑재되는 전자부품의 수는 더욱 증가하고 있다.

예를 들어, EV는 전동 모터만으로 동작하고, 모터로의 전류는 메인 인버터에서 공급된다. 메인 인버터는 배터리에서의 직류 전원을 단순히 교류 전원으로 변환할 뿐만 아니라, 모터 고장을 방지하기 위한 안전 장치 역할도 한다. 또한 EV에서의 중요성이 매우 높아, 탑재되는 전자부품에도 높은 신뢰성이 요구된다.

높은 신뢰성이 요구되는 것은 ECU(엔진 컨트롤 유닛) 역시 동일하다. ECU는 센서로부터의 입력을 처리하고, 파워 트레인의 제어를 실행하는 경우도 있다. 또한 편리성 면에서도 블루투스를 통한 스마트폰과의 연동, 카 내비게이션, ETC 등 탑재 기능은 나날이 증가하고 있다. 따라서, 전자부품의 탑재 수가 증가하여, 고밀도화가 가속화되고 있다.

그러나 자동차 부품의 전자화, 고밀도화가 가속화됨에 따라, 미세한 신호를 취급하는 디바이스에서는 노이즈 대책이 큰 과제로 떠오르고 있다. 노이즈 특성은 설계 검증이 어렵고, 제작 시 완벽 대응이 어렵다. 따라서 설계자의 경험과 감에 크게 좌우되어, 경우에 따라서는 설계 → 조립 → 평가를 몇 번이고 반복해야 하므로, 기업으로서의 부담도 커지게 된다. 이처럼 자동차에서의 노이즈 대책의 중요성은 더욱 높아지고 있으며, 앞으로도 고밀도화의 가속화에 따라 노이즈 특성이 우수한 전자부품의 수요가 증가할 것으로 예상된다.

이러한 요구에 대응하기 위해 로옴이 개발한 IC가 “노이즈 내성 개선”에 특화된 OP Amp 「BA8290xYxx-C시리즈」이다.

BA8290xYxx-C 시리즈는 4가지 큰 특징을 지니고 있다.
• 기존품을 능가하는 압도적인 노이즈 내성
  (모든 주파수 대역에서 출력전압 변동 ±1% 이하)
•세계 표준 자동차 신뢰성 규격 AEC-Q100에 대응
•장기간 안정 공급 가능
•일반 품번 제품과 핀 호환(호환성)

로옴의 독자적인 기술을 통해 OP Amp 본래의 특성을 그대로 유지함과 동시에, 노이즈 내성을 극적으로 개선한 이 제품은 노이즈 설계의 부하 경감에 크게 기여하는 제품이다.



자동차를 둘러싼 노이즈 환경에 대하여


자동차에는 다양한 노이즈 원인이 존재한다(그림 1). 배터리 및 엔진에서 출력되는 노이즈, 프린트 기판 상의 주변 회로, 모터, 인버터, 스위칭 전원 등도 노이즈원이 될 수 있다. 또한 카 내비게이션 및 스마트폰, 오디오 기기 등의 통신기기는 끊임없이 전파를 방출하고 있으므로, 이 역시 노이즈원이 된다. 이러한 노이즈가 신호선이나 전원 라인에 침입하게 되면, 경우에 따라서는 시스템의 오동작이 초래되는 경우도 있다. 자동차의 기본 성능인 주행, 조향, 정지에 관련된 부분에서는 특히 이러한 오동작이 발생되면 안되기 때문에 모든 가능성을 고려한 노이즈 대책이 요구된다.

노이즈 대책은 크게 2가지로 분류할 수 있다. 첫 번째는 IC에서 발생하는 노이즈가 다른 기기에 영향을 미치지 않도록, 발생하는 노이즈를 억제하는 EMI 대책 또는 이미션 대책이다. 두 번째는 다른 기기에서 발생한 노이즈의 영향을 받은 경우, 그 영향을 최소한으로 억제하기 위한 EMS 대책 또는 이뮤니티 대책이다. 이 ‘EMI 대책’과 ‘EMS 대책’을 동시에 만족시킨 설계를 EMC 설계, 또는 EMC 대책이라고 한다. EMC 대책을 확인하기 위한 노이즈 측정 방법에 대해서는 국제 규격으로 규정되어 있으며, 대표적인 것이 IEC(국제 전기 표준 회의), CISPR(국제 무선 장해 특별 위원회)이다.



자동차와 OP Amp의 노이즈 내성에 대하여


OP Amp는 아날로그 전자 회로 설계 시에 반드시 사용되는 중요 전자부품이라고 할 수 있다. 자동차의 전자 회로에서도 다양한 부분에 탑재되고 있으며, 주로 전압 증폭을 위해 사용된다(그림 2). 자동차의 기간 시스템인 ECU에서의 채용 예로는 센서 신호 증폭을 들 수 있다(그림 3). 자동차에는 위치 정보, 온도, 기압, 유량 등의 다양한 필요 정보를 검지하기 위해 다수의 센서가 탑재되어 있다.



센서에서 검지한 정보를 바탕으로, 인체의 두뇌에 해당하는 MCU를 통해 전체를 제어하고, 최적의 구동을 서포트한다. 그러나 센서 출력은 미약하기 때문에 OP Amp를 통해 센서 출력을 증폭하여, MCU가 처리할 수 있는 전압 레벨로 변환한다. 그 이외의 사용 예로서는, 모터 제어 유닛 등에서 사용되는 OP Amp와 저항을 조합한 전류 검출 회로가 있다. 이는 전류 검출 저항을 통해 변환된 전압치를 OP Amp로 증폭시켜, MCU가 인식할 수 있도록 하는 회로이다.



전압 증폭 시 중요한 것이 OP Amp IC 자체의 노이즈 내성이다(그림 4). 센서 출력의 신호선 및 OP Amp IC에 외부로부터 노이즈가 침입한 경우, OP Amp IC의 노이즈 내성이 낮으면 노이즈가 그대로 증폭된다. 그 결과 MCU의 인식 오류 또는 오동작이 발생되어, 시스템의 오동작을 초래한다. 그러나 OP Amp IC의 노이즈 내성이 높은 경우, 노이즈를 제거할 수 있으므로, 센서 신호만을 증폭시켜 MCU로 전송함으로써, 시스템을 정상적으로 동작시킬 수 있다. 따라서 전자부품의 고집적화가 필요한 ECU 및 인버터는 노이즈 내성이 높은 전자부품이 필요해졌다.

그러나 노이즈 내성의 개선이 곤란한 것은 OP Amp IC에 있어서도 마찬가지이다. 노이즈 대책을 실시하는 경우, 회로 설계뿐만 아니라 소자의 위치, 전원 라인, 그라운드 라인 모두를 저항, 용량, 인덕턴스의 성분을 지닌 소자로 생각해야 한다. 최근에는 고성능 고주파 시뮬레이터의 개발도 추진되고 있지만, 프로세스 고유의 기생 용량 및 기생 인덕턴스 등의 상세한 특성까지 망라하기에는 어려움이 있다. 결국에는 설계자의 지식과 경험, 감에 따라 노이즈 내성의 강약이 정해진다고 할 수 있다. 그래서 노이즈 설계가 어려운 것이다.

회로, 레이아웃, 프로세스를 전면 재검토하여, 압도적인 노이즈 내성 실현

로옴은 EV / HEV 등의 기간 시스템 및 차량용 센서를 채용하는 차재전장 시스템용으로 압도적인 노이즈 내성을 실현한 차량용 그라운드센스 OP Amp 「BA8290xYxx-C 시리즈」 (BA82904YF-C / BA82904YFVM-C / BA82902YF-C / BA82902YFV-C)를 제공하고 있다.



노이즈 내성을 개선하기 위해, 넓은 주파수 대역에서 노이즈를 차단할 수 있는 EMI 필터 회로를 내장하고 전원 라인, 그라운드 라인, 소자의 배치 등을 전면적으로 재검토하여 노이즈에 강한 칩 레이아웃으로 변경했다. 또한, 노이즈에 강한 독자적인 바이폴라 프로세스를 채용했다. 회로 설계, 레이아웃, 프로세스의 3가지 독자 아날로그 기술을 융합함으로써 압도적인 노이즈 내성을 실현했다(그림 5). 차량용 제품의 노이즈 평가 시험으로서 사용되는 ISO11452-2 준거 평가 시험(200MHz~1GHz 범위에서의 평가)에서, 출력전압 변동이 일반품의 경우 ±3.5%~±10%인데 반해, BA8290xYxx-C 시리즈는 모든 주파수 대역에서 ±1% 이하로 억제하는데 성공했다(그림 6).



BA8290xYxx-C 시리즈를 사용함으로써, 기존의 노이즈 대책 설계를 생략할 수 있다. IC의 노이즈 내성을 보완하기 위해서는 영향을 받기 쉬운 특정 주파수대의 노이즈를 감쇠시키는 외장 필터 회로 및 OP Amp IC를 쉴드(금속판)로 둘러쌀 필요가 있었지만, 이러한 공정이 필요 없게 된다. 따라서 노이즈 대책에 필요한 시간이나 비용을 대폭 삭감할 수 있다는 메리트가 있다.

또한, 앞서 기술한 바와 같이 BA8290xYxx-C 시리즈는 자동차 신뢰성 규격의 실질적인 표준인인 AEC-Q100에 대응하며 장기간 안정 공급 보증, 일반 제품과 호환성이 있으므로 기존품의 대체 사용이 용이하다. 전원전압은 3.0~36V이며, 입력 오프셋 전압은 ±2mV (기준치 / 최대치는 ±6mV), 입력 범위는 VEE~VCC+1.5V, 동작 온도 범위는 -40℃~+125℃이다. 소비전류는 2ch 제품이 0.5mA, 4ch 제품이 0.7mA이다. 기존의 성능을 그대로 유지함과 동시에, 노이즈 내성만 개선한 BA8290xYxx-C 시리즈는 시장의 요구에 완벽히 대응하는 제품이라고 할 수 있다.

향후 전개

새롭게 개발한 BA8290xYxx-C 시리즈는 높은 노이즈 내성과 범용성, 자동차 산업용으로서의 품질과 신뢰성을 구비하였으며, 장기간 안정 공급이 가능한 차량용 OP Amp IC이다. 이미 로옴은 자동차 산업용으로 품질 매니지먼트 시스템 ISO/TS16949도 취득하였으며, 차량용 제품 개발에 요구되는 높은 품질 및 온도 조건을 비롯하여, 까다로운 환경에서 사용할 수 있는 신뢰성을 충분히 확보하고 있다.

이는 초 범용 OP Amp로서 10년 이상에 걸쳐 지속되고 있는 자동차용 납품 실적이 증명하고 있다. 또한, 노이즈의 영향으로 인한 시스템의 오동작으로 고민하는 것은 자동차 분야에 특화된 이야기는 아니다. FA (제조 장치) 및 산업용 로봇으로 대표되는 산업기기 분야 및 의료 분야에서도 향후 수요 확대가 기대된다.

CO₂ 배출 규제에 따른 EV / HEV로의 이행 추진, 더 나아가 자동차의 편리성, 쾌적성 향상에 따른 자동차 부품의 전자화 및 고밀도화가 가속화되고 있다. 이 영향으로 초 범용 OP Amp에서 특성 개선에 대한 요구가 높아지고 있다. 앞으로 자동차에 있어서 노이즈 대책이 한층 더 중요해질 것이며, BA8290xYxx-C 시리즈는 노이즈 설계 부담을 경감시키는 초범용 OP Amp로서, 새로운 스탠더드 제품이 될 것으로 크게 기대하고 있다.
 

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