자동차 메가트렌드 C.A.S.E.의 가속화로 갈수록 더 많은 반도체 디바이스가 자동차에 적용되고 있는 가운데, 글로벌 톱 오토모티브 반도체 벤더 중 하나인 ST마이크로일렉트로닉스가 지난 1월 도쿄 빅사이트에서 개최된 ‘오토모티브 월드 2020(AUTOMOTIVE WORLD 2020)’에서 전기화 및 디지털화를 지원하는 최신 솔루션들을 선보였다.
 

글｜한 상 민 기자_Han

1월 도쿄 빅사이트에서 개최된 ‘오토모티브 월드 2020(AUTOMOTIVE WORLD 2020)’에서  ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, ST)의 게이코 사코(Keiko Sako) 이사가 처음으로 소개한 솔루션은 운전자 모니터링 시스템을 위한 글로벌 셔터 이미지 센서였다.

이 센서는 ST 부스에서 가장 눈에 잘 띠는 메인 필러에 노출돼 있었다. 데모 영상에는 로봇이 운전자를 대신할 때 이 적외선 카메라가 로봇을 추적해 데이터를 출력하면서 센서의 효과를 볼 수 있도록 했다. ST는 하이엔드 컴퓨터 비전 애플리케이션용 드라이버 모니터링을 위해 특별히 고안된 VG5661 1.6(85 FPS), VG576 2.3메가픽셀(60 FPS), 3.2μm 차량용 글로벌 셔터 센서를 정고(Jungo)의 코드라이버와 함께 전면에 소개하면서 4K 30FPS 솔루션에 대한 힌트도 제공했다. 

일반적으로 운전자 모니터링은 현재 HD가 주류이고 풀 HD가 준비되고 있는 상황이지만, 운전자 모니터링에서 더 나아가 자율주행차를 위한 인카 모니터링 시스템의 하드웨어 역시 이미 준비된 상황으로 평가되고 있다.
 

ST는 하이엔드 컴퓨터 비전 애플리케이션용 드라이버 모니터링을 위해 특별히 고안된 VG5661 1.6(85 FPS), VG576 2.3메가픽셀(60 FPS), 3.2μm 차량용 글로벌 셔터 센서를 정고(Jungo)의 코드라이버와 함께 전면에 소개하면서, 특히 다음 버전인 4K 30FPS 솔루션에 대한 힌트를 제공했다. 


운전자 모니터링  
 

운전자의 피로, 운전부주의는 도로 교통사고의 주요인이다. 또한 임박한 레벨 3 자율주행의 시대는 운전자가 잠들지 않도록 하면서 만일의 사태에서 운전자의 즉각적인 운전제어 복귀를 요구하기 때문에 운전자 모니터링 시스템이 매우 중요해졌다. 주요 선진국은 차세대 신차 안전도 평가제도(NCAP)에 이를 포함할 예정이다.

한 번에 한 행씩 픽셀에서 직접 데이터를 읽는 롤링 셔터와 달리 ST의 VG5661, VG576 등 글로벌 셔터 센서는 모든 픽셀에서 동시에 데이터를 캡처한다. 이는 이미지가 프레임에서 프레임으로 변경될 때 더욱 유리하다.

ST의 글로벌 셔터 기술은 높은 다이내믹 레인지(HDR) 모드에서 조명, 전력 소모를 최소화하면서 햇빛이나 가로등과 같은 외부 조명 효과를 제거해 운전자 모니터링 성능을 향상시킨다. 센서 이미지 품질은 특히 940 nm에 가까운 근적외선 조명에서도 운전자 모니터링 시스템의 성능을 끌어 올린다. 이 센서는 동적 범위 97dB, 저노이즈 11bit ADC, 디지털 CDS, AEC-Q100 2등급, 출력 인터페이스 Mipi CSI-2(4x 0.8Gbps), 병렬 12bit(100MHz) 등을 특징으로 한다.


파워 모듈에서 중요 것은 고객이 요구하는 PCB 패턴 등 디자인과 자동차 환경에 맞는 각종 요구사항에 대응하면서 컴팩트하면서 완벽하게 커스터마이징하는 것이다. ST가 제공하는 SiC 제품의 형태는 웨이퍼 베어다이스(Bare dice), 디스크리트 패키지, 파워 모듈 등 세 가지다. 전압은 650~1,700 V까지다. 모듈에는 파워 스케일에 따라 미드사이즈의 A1 - A2, 컴팩트한 SMIT, 트랙션 인버터 전용 DRIVE 등이 있는데, ST는 새롭게 ‘ACEPACK™ 드라이브’를 출시했다. >200 kW의 넓은 출력 범위, 750~1200 V SiC MOSFET 기반 스위치, 경부하 전력 손실 경감을 통한 전기차 주행 범위 확장, 매우 낮은 전도 손실, 핀-휜형 직냉 구리 기판을 특징으로 한다.

컴팩트한 파워 SiC MOSFET  

사코 이사의 두 번째 행로는 첨단 소형 패키지 기반의 SiC MOSFET 제품들의 전시 공간이었다. ST는 글로벌 오토모티브 SiC 시장의 절대자 강자다.

파워 모듈에서 중요 것은 고객이 요구하는 PCB 패턴 등 디자인과 자동차 환경에 맞는 각종 요구사항에 대응하면서 컴팩트하면서 완벽하게 커스터마이징하는 것이다. ST가 자동차 시장에 제품을 제공하는 SiC 제품의 형태는 웨이퍼 베어다이스(Bare dice), 디스크리트 패키지, 파워 모듈 등 세 가지다. 전압은 650~1,700 V까지다. 모듈에는 파워 스케일에 따라 미드사이즈의 A1 - A2, 컴팩트한 SMIT, 트랙션 인버터 전용 DRIVE 등이 있는데, DRIVE는 배터리 전기차의 트랙션 파트를 완전히 대체할 수 있는 제품이다.

사코 이사는 새로운 파워 모듈 ‘ACEPACK™ 드라이브’를 하이라이트했다. 이는 >200 kW의 넓은 출력 범위, 750~1200 V SiC MOSFET 기반 스위치, 경부하 전력 손실 경감을 통한 전기차 주행 범위 확장, 매우 낮은 전도 손실, 핀-휜형 직냉 구리 기판을 특징으로 한다.

한 옆에는 한참 양산 중인 파워 모듈 STPAK도 있었다. STPAK의 최대 특징은 백엔드 ‘멀티 신터링(sintering)’이다. PCB 조립에서 다이와 리드 접합에 솔더링을 이용하던 것에 신터링을 적용하면서 멜팅다운 온도를 900도 이상으로 높였다. Tj(max)는 175도다.



▶혁신적인 패키징 기술 ‘HU3PAK’을 특징으로 하는 ‘MDmesh DM6’은 전기차용 온보드 차저(OBC), DC-DC 컨버터에 최적화된 슈퍼정션 파워 MOSFET이다(右). ▶효율 및 노이즈 내성이 우수한 40~100 V 내압 AEC-Q101 STripFET F7 시리즈 MOSFET(中). ▶전기차 온보드 충전, 충전 스탠드 등에 이용되는 STEVAL-DPSTPFC1 평가 보드는 사이리스터(SCR), 게이트 드라이버, SiC MOSFET, 32비트 마이크로컨트롤러, 보조 전원용 컨버터(VIPer26LD)를 포함했다. 특히, 사이리스터(SCR) 위상제어로 돌입 전류를 제한함으로써 메커니컬 릴레이와 NTC가 필요치 않도록 한다(左).           

혁신적인 패키징 기술 ‘HU3PAK’을 특징으로 하는 ‘MDmesh DM6’은 전기차용 온보드 차저(OBC), DC-DC 컨버터에 최적화된 슈퍼정션 파워 MOSFET이다. 이 600~650 V 패스트 리커버리 MOSFET은 매우 낮은 리커버리 차지 및 타임(Qrr, trr)을 특징으로, 이전 세대 대비 최대 15% 더 낮은 RDS(on)를 제공한다. 높은 dV/dt 견고성 (50V / ns)은 AC 전원 라인의 노이즈 및 고조파와 같은 큰 과도 전압 상태에 노출돼도 안정적인 성능을 제공한다. 주요 이점은 폼택터 소형화 실현, 냉각 시스템 절감, 기생 인덕턴스의 스위칭 영향 감소 등이다.

AEC-Q101 인증 STripFETTM F7 시리즈는 40~100 V의 내압 MOSFET으로 최고 수준의 온 저항을 실현하면서 용량과 게이트 전하를 크게 감소시킨다. 또한 더 적은 수의 소형 패키지 장치를 사용해 시스템 전력, 효율성 목표를 달성할 수 있어 설계 단순화, 기기의 크기, 비용 절감에 기여한다. DPAK, H2PAK, PowerFLATTM(5x6 mm), PowerFLATTM　양면 방열형 및 개발 중인 TO-LL 및 LFPAK 등 다양한 패키지 적용이 가능하다.

전기차 온보드 충전, 충전 스탠드 등에 이용되는 STEVAL-DPSTPFC1 평가 보드는 사이리스터(SCR), 게이트 드라이버, SiC MOSFET, 32비트 마이크로컨트롤러, 보조 전원용 컨버터(VIPer26LD)를 포함했다. 특히, 사이리스터(SCR) 위상제어로 돌입 전류를 제한함으로써 메커니컬 릴레이와 NTC가 필요치 않도록 한다. 97.5%의 고효율(3.6 kW, 16ARMS일 때), PFC 회로의 소형화, 수명 장기화, IEC 규격에 준거한 서지 내성, 와이드 입력에 대응(85 ~ 264 V), 400 V DC 출력 등을 특징으로 한다. 



사이리스터와 SiC MOSFET으로 구성된 3.6 kW 토템 폴형 PFC 회로(上)와 STEVAL-DPSTPFC1 평가보드


OTA와 도메인 컨트롤러  

SiC의 반대편에는 28nm 완전공핍형 실리콘 온 인슐레이터 공정(FD-SOI), 멀티 Arm® Cortex®-R52 코어, 높은 메모리 용량과 고속 읽기/쓰기 제어 기능, 온칩 PCM(Phase Change Memory)을 특징으로, 최대 400 MHz(6코어)의 구성이 가능한 최신 32비트 마이크로컨트롤러 ‘스텔라’와 기존 주력 MCU인 ‘SPC58x 코러스(Chorus)’ 제품군의 설명이 나란히 걸려 있었다. 

스텔라는 자동차의 전자 아키텍처가 단일 기능 ECU에서 다기능 도메인 컨트롤러로의 전환에 따라 기존 코러스 SPC58x MCU를 보완하면서 ST의 방대한 노하우와 자동차 업계의 고민을 반영해, 특히, OTA 메모리 이슈, 자동차 고객사의 경제성 요구를 비롯 실시간 성능, 신뢰성, 보안성 등 다양한 요구에 대응한다. 


스텔라는 자동차의 전자 아키텍처가 단일 기능 ECU에서 다기능 도메인 컨트롤러로의 전환에 따라 기존 코러스 SPC58x MCU를 보완하면서 ST의 방대한 노하우와 자동차 업계의 고민을 반영해, 특히, OTA 메모리 이슈, 자동차 고객사의 경제성 요구를 비롯 실시간 성능, 신뢰성, 보안성 등 다양한 요구에 대응한다. 

예를 들어, 소프트웨어 업데이트 시 기존 펌웨어가 동작하는 동안 새 버전을 백그라운드 다운로딩하고 업데이트해야 해 메모리가 두 배가 돼야 하지만, 대부분 MCU의 임베디드 플래시는 백그라운드를 할 수 없어 메모리 매니지먼트 유닛(MMU)이 요구된다. 자동차 업계는 이 MMU를 두면서 실제 하드웨어로 업데이트를 지원할 뿐만 아니라, 메모리가 커진데 대한 비용적 부담의 최소화를 요구했다. 이것을 ST의 28nm 스텔라가 PCM의 채택과 함께 해결했다.

한편, 32비트 Power Architecture® MCU인 SPC58x은 여전히 차량용 범용 마이크로 컨트롤러로서 성능, 저전력, 연결성, 기능안전성, EVITA 준거 보안성, OTA 지원 등을 특징으로 다양한 제품에 폭넓게 적용되고 있다.

고성능, 고정밀 자율항법에 최적화된 차량용 6축 IMU 센서(右)와 ‘AIS25BA’로 품명이 결정돼 연말 양산이 예정된 실내 ‘로드 노이즈 캔슬’용 오디오 3축 가속도 센서가 소개했다.


가속도 센서로 노이즈 캔슬  

사코 이사는 고성능, 고정밀 자율항법에 최적화된 차량용 6축 IMU 센서와 ‘AIS25BA’로 품명이 결정돼 연말 양산이 예정된 실내 ‘로드 노이즈 캔슬’용 오디오 3축 가속도 센서도 소개했다. 이 센서는 일반적인 가속도 센서의 인터페이스인 SPI 등이 아닌 TDM 인터페이스를 탑재해 휠 등의 진동으로 생긴 로드 노이즈를 음성 데이터로서 출력, 그 신호파형에 역위상을 걸음으로써 노이즈 취소를 가능하게 한다.

ASM330LHH 센서는 데이터를 사용해 자동차의 정확한 위치를 계산할 수 있도록 지원한다. 도심 밀집지역(Urban Canyon)이나 터널, 지하도, 주차장, 숲이 우거진 곳에서 자동차의 위치 파악이 어려운 경우에도 정확한 위치 정보와 센싱이 가능하다. 특히 센서는 온도 및 시간에 대한 안전성에 초점을 맞췄다. AEC-Q100 표준에 준거한 자동차 등급, 각속도 Zero Rate Level 온도 특성 ± 0.005 dps/°C, 가속도 Zero g Level 온도 특성 ± 0.10 mg/°C, 동작 온도 범위 -40~+105°C, 가속도 검출 범위 ±2~16 g, 각속도 검출 범위 ±125~4000 dps를 특징으로 한다.

CCC 디지털키 2.0 NFC 아키텍처  
 

커넥티비티를 통한 편의성, 공유 모델 솔루션에 해당하는 ‘CCC(Car Connectivity Consortium) 디지털키 2.0 NFC 아키텍처’는 Wi-Fi, Bluetooth® 페어링, 높은 보안성 및 개발 유연성을 포괄적으로 제공한다. 적용 애플리케이션은 도어/트렁크 잠금 해제, 엔진 스타트, 무선충전 시 신용카드 및 교통카드 등 이물질 감지, 인포테인먼트 시스템 등 커넥티비티 페어링, 시트 위치와 미러 각도, 에어컨 등 자동 설정이다.

ST는 CCC가 규격화한 Digital Key Phase 2.0에 대응하면서 그들의 IC카드, 스마트폰, 리더 라이터 등 NFC 기술력을 결집한 아키텍처를 제공하면서, 특히 업계 최초 CC EAL5+ 보안 인증을 취득 차량 규격에 대응하는 ST33을 시스템 구성에 통합했다.