자동차에 사용되는 복잡한 전자 시스템이 갈수록 늘어남으로써 전력관리 IC에 대해서 갈수록 더 높은 성능이 요구되고 있다. 다행히 이와 같은 요구들을 충족하는 새로운 IC 제품들이 등장함으로써 미래의 자동차에 더욱 더 다양한 전자 장치를 구현할 수 있게 됐다.

글 | 제프 그루터(Jeff Gruetter) 수석 제품 마케팅 엔지니어
        리니어 테크놀로지(Linear Technology)

자동차는 편의성, 안전성, 성능은 극대화하면서 유해 배기가스는 최소화할 수 있도록 하기 위해서 갈수록 더 많은 복잡한 전자 시스템을 채택하고 있다. 시장 조사회사인 Databeans에 따르면, 자동차 반도체는 2012년에서 2014년에 이르는 동안 연평균 9%의 성장률을 기록할 전망이다. 또한 자동차의 전자 장치 비중을 더욱 더 높이는 요인들로서 새로운 안전성 시스템, 인포테인먼트 시스템(텔레매틱스), 엔진, 드라이브 트레인 및 섀시 관리, 위성 라디오 및 TV, LED 조명, 블루투스 및 기타 무선 시스템, 후방 카메라 같은 시스템이 도입되고 있다. 몇 년 전만 하더라도 이러한 시스템은 고급형 차량에만 채택되었으나 지금은 모든 업체들의 중급형 모델까지 일반화됨으로써 차량용 IC 수요는 더 빠른 속도로 성장할 것으로 예상된다.
자동차 전자 시스템 증가의 또 다른 요인은 새로운 엔진 및 드라이브 트레인 설계가 도입되고 있다는 것이다. 이러한 것들로서는 직분사(direct injection), 엔진 스톱-스타트 제어, 다양한 수준의 하이브리드/EV 구성을 포함한다. 이러한 시스템들의 목적은 유해 배기가스를 최소화하면서 동시에 연비와 전반적인 자동차 성능을 향상시키는 것이다. 이제는 자동차 제조업체들이 “스마트” 엔진 제어 시스템, 무수한 센서, 다수의 DSP를 이용함으로써 한때 상호 배타적이었던 요구들로서 더욱 더 높은 엔진 효율을 달성하면서 엔진을 더욱 더 “청정(clean)”하게 작동하는 것이 가능케 됐다. 엔진 및 드라이브 트레인 관리에서부터 동적 섀시 제어에 이르기까지 자동차 설계의 다양한 측면들을 최적화하기 위해서 ECU(electronic control unit)의 사용이 빠르게 늘어나고 있다. 이러한 새로운 유형의 시스템들이 안전성, 성능, 편의성을 향상시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 인류 전체를 위해서 더 깨끗한 환경을 만들 수 있도록 기여하고 있다.
자동차 시스템의 전자부품 수가 빠르게 증가함으로써 이용 가능한 공간이 계속해서 줄어들고 있으며 각각의 시스템 밀도가 빠르게 높아지고 있다. 이러한 모든 시스템이 전력 변환 IC를 필요로 하며 각각의 서브시스템에 다중의 전압 레일을 포함한다. 기존에는 효율과 작은 크기가 크게 중요하지 않았기 때문에 선형 레귤레이터가 이러한 전력 변환 요구의 대부분을 충족했다. 하지만 전력 밀도가 수십 배로 높아지고 많은 애플리케이션이 비교적 높은 주위 온도에서 동작해야 하므로 이용할 수 있는 히트싱크는 이와 같은 여건들을 충족하기에는 지나치게 크기가 크게 되었다. 이에 따라 열로 낭비되는 전력을 최소화하기 위해서 전력 변환 효율이 중요하게 됨으로써 스텝다운 스위칭 레귤레이터가 선형 레귤레이터를 대체하게 됐다. 그런데 첨단 자동차 설계는 스위칭 레귤레이터에 대해서 넓은 전원 전압 변동에도 불구하고 매우 높은 효율, 매우 낮은 정지 전류, 고속 스위칭 주파수를 요구한다. 또한 매우 콤팩트한 풋프린트와 비용적으로 경제성이 뛰어날 것을 요구하고 있다.

설계 과제 : 스톱/스타트, 콜드 크랭크, 로드 덤프

스톱/스타트 시스템
연비를 극대화하고 탄소 배출을 최소화하기 위해서 구동 기술이 계속해서 진화하고 있다. 이러한 새로운 구동 기술이 하이브리드 설계이든, 청정 디젤 설계이든, 좀더 전통적인 내연기관 설계이든 구분 없이 스톱/스타트 모터 설계를 이용할 가능성이 높다. 하이브리드 설계는 이미 전 세계적으로 거의 모든 차종이 스톱/스타트 시스템을 채택하고 있으며, 유럽 및 아시아 지역의 많은 자동차 제조업체들이 기존의 가솔린 및 디젤 차종에도 이 시스템을 채택하고 있다. 미국에서는 포드 자동차가 자사의 2012년도 국내용 차량 모델에 이 시스템을 도입할 것이라고 발표한 바가 있다.
스톱/스타트 시스템 자체가 전력관리 시스템으로 또 다른 과제를 제기한다. 첫째, 엔진/발전기가 꺼져 있는 동안에 배터리가 자동차 조명, 환경 제어, 기타 전자 장치들을 구동할 수 있어야 한다. 또한 엔진을 재시작 할 때 스타터를 구동할 수 있어야 한다. 스타트업 시에 배터리로 가해지는 이와 같은 과도한 부하가 또 다른 설계상의 과제를 제기한다. 엔진을 재시작 하기 위해서 높은 수준의 전류가 필요하므로, 그림 1에서 보는 콜드 크랭크 전압 프로파일과 매우 유사하게 배터리 전압이 일시적으로 낮게는 4 V로까지 떨어질 수 있다. 그러므로 일시적으로 배터리 버스 전압이 차저가 안정 상태로 돌아갔을 때의 공칭 13.8 V보다 낮게 떨어지더라도 주요 시스템들이 중단 없이 동작할 수 있도록 전자 장치들이 입력보다 수백 밀리볼트 정도 낮은 잘 조정된 출력을 공급할 수 있어야 한다.
“콜드 크랭크(cold crank)”는 자동차의 엔진이 일정한 시간 동안 저온 또는 영하의 온도에 노출되었을 때 발생한다. 엔진 오일이 점성이 과도하게 높아짐으로써 스타터 모터가 더 높은 토크를 공급해야 하고, 그럼으로써 배터리로부터 더 높은 전류를 인출한다. 이와 같은 높은 전류 부하가 시동 시에 배터리/일차 버스 전압을 4.0 V 아래로 끌어내릴 수 있으며, 이후에는 통상적으로 공칭 13.8 V로 돌아간다. 그림 1은 각기 다른 요인으로 인한 자동차 전력 버스의 전기적 응답을 보여주고 있다. 엔진 제어, 안전성, 내비게이션 시스템 같은 애플리케이션은 자동차가 시동을 거는 동안에도 계속해서 작동할 수 있기 위해서 콜드 크랭크 시나리오 동안에 잘 조정된 출력 전압(최소 3 V)을 필요로 한다.
“로드 덤프”는 발전기가 배터리를 충전하고 있는 상태에서 배터리 케이블이 차단되었을 때 발생한다. 자동차가 동작하고 있는 동안에 배터리 케이블이 느슨해지거나 자동차가 주행 중에 배터리 케이블이 끊어졌을 때 이러한 조건이 발생할 수 있다. 이와 같이 배터리 케이블이 갑작스럽게 차단되면 발전기가 “없는” 배터리를 최대로 충전하려고 함으로써 최고 60 V에 이르는 과도 전압 스파이크가 발생할 수 있다. 발전기에 트랜소브(transorb)를 이용해서 버스 전압을 30~34 V 사이로 클램핑 시킬 수 있으며 서지의 대부분을 흡수할 수 있다. 하지만 그림 1에서 보는 것처럼 발전기 하위의 DC/DC 컨버터가 최고 36 V에 이르는 과도 전압 스파이크에 노출될 수 있다. 이러한 컨버터들은 이러한 과도 전압 조건을 견뎌낼 수 있어야 할 뿐만 아니라, 이러한 조건에서도 연속적으로 잘 조정된 출력 전압을 제공해야 한다.

고효율 동작
자동차 애플리케이션의 전력관리 IC는 두 가지 이유에서 높은 효율로 동작해야 한다. 첫째, 전력 변환이 효율적일수록 열의 형태로 낭비되는 에너지가 줄어든다. 열은 어떠한 전자 시스템이든 장기적인 신뢰성을 유지하는 데 있어서 적이므로 열을 효율적으로 관리해야 한다. 그러기 위해서는 통상적으로 히트싱크를 필요로 하므로 시스템의 복잡성, 크기, 비용을 증가시킨다. 둘째, 하이브리드 자동차나 전기차에서 전기 에너지를 낭비한다는 것은 그만큼 동일한 에너지로 주행할 수 있는 거리가 짧아진다는 것을 의미한다. 최근까지만 해도 고전압 모놀리식 전력관리 IC와 고효율 동기식 정류 설계는 양립할 수 없었다. IC 공정이 이 두 가지 목적을 모두 다 충족하지 못하기 때문이었다. 전통적으로 효율이 가장 우수한 솔루션은 동기 정류에 외부 MOSFET을 이용하는 고전압 컨트롤러였다. 하지만 이러한 구성은 15 W 미만의 애플리케이션을 위해서는 모놀리식 솔루션과 비교했을 때 비교적 복잡하고 크기가 큰 편이다. 다행히도 높은 전압(최대 42 V)과 높은 효율을 모두 제공하면서 내부 동기식 정류를 포함하는 새로운 전력관리 IC 제품들이 시장에 등장하고 있다.

“always-on” 시스템은 극히 낮은 공급 전류 요구
많은 전자 서브시스템이 “대기” 모드 또는 “keep alive” 모드로 동작해야 하며, 이 모드일 때는 잘 조정된 전압으로 정지 전류 소모를 최소화해야 한다. 대부분의 내비게이션, 안전성, 보안, 엔진 관리 전자 시스템에 이러한 회로들이 이용되고 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 각각의 서브시스템이 다수의 마이크로프로세서 및 마이크로컨트롤러를 이용할 수 있다. 고급형 차종에는 100개 이상의 이와 같은 DSP가 사용되며, 이 중에서 약 20%가 “always-on” 동작을 필요로 한다. 이러한 시스템에서는 전력 변환 IC가 두 가지 모드로 동작해야 한다. 첫째, 자동차가 주행 중일 때는 이러한 DSP를 구동하는 전원장치가 통상적으로 배터리 및 충전 시스템이 공급하는 최대 전류로 동작한다. 하지만 자동차 시동이 꺼져 있을 때는 이러한 시스템의 마이크로프로세서가 계속해서 동작해야 하므로 이들 시스템에 이용되는 전력 IC들이 지속적인 전압을 공급해야 하고, 그러면서도 배터리로부터 소모되는 전류를 최소화해야 한다. 20개 이상의 이와 같은 “always-on” 프로세서들이 한꺼번에 동작할 수 있으므로 시동이 꺼져 있는 동안에라도 배터리에 상당한 전력을 요구한다. 이와 같은 “always-on” 프로세서들을 구동하기 위해서 전체적으로 수백 밀리암페어(mA)의 공급 전류가 필요할 수 있으므로, 이 정도면 수일 이내에 배터리를 완전히 고갈시킬 수 있다. 예를 들어, 자동차의 고전압 스텝다운 컨버터가 각기 2~10 mA의 공급 전류를 필요로 한다면 보안 시스템, GPS 시스템, 리모트 키리스 엔트리(RKE) 시스템과 ABS 브레이크 같은 기타 필수적인 always-on 시스템에 이용되는 이와 같은 20개 컨버터와 파워 윈도 등의 누설 전류를 합하면 3주 동안의 조금 긴 출장 후에 배터리가 완전히 고갈됨으로써 엔진을 시동할 수 없게 될 수 있다. 전자 시스템의 크기나 복잡성을 증가시키지 않으면서 배터리 시간을 유지하기 위해서는 이와 같은 전원장치의 정지 전류를 크게 낮춰야 한다. 최근까지만 해도 높은 입력 전압 특성과 낮은 정지 전류는 DC/DC 컨버터 IC로 달성하기에 상충되는 파라미터들이었다.
이러한 요구들을 충족하기 위해서 많은 자동차 제조업체들은 각각의 always-on DC/DC 컨버터에 대해서 10 μA 미만의 낮은 정지 전류 목표를 설정하고 있다. 최근까지만 해도 시스템 제조업체들은 자동차 엔진이 작동하지 않을 때 배터리로부터의 전류 인출을 낮추기 위해서 낮은 정지 전류 LDO와 스텝다운 컨버터를 병렬로 연결하고, 이 둘 사이를 스위칭 하도록 주문을 받았다. 하지만, 이 방법은 높은 비용과 큰 부피, 비교적 비효율적인 솔루션으로 귀결됐다.

새로운 솔루션
앞서 살펴보았듯이, 자동차 배터리 버스의 전압은 각기 다른 과도전압 시나리오가 발생하는 것에 따라서 4 V에서부터 40 V 이상으로까지 변동적일 수 있다. 스톱-스타트 동작을 공격적으로 도입한다면 매 주행 시마다 잦은 횟수로 전력 버스로 저전압 과도 조건이 발생할 수 있다. 그러므로 자동차 전자 시스템은 이와 같은 조건 시에 잘 조정된 전압 레일을 제공하는 것이 무엇보다도 중요하다. 보안, 안전성, 내비게이션, 섀시 제어, 엔진/트랜스미션 제어에 이용되는 ECU가 증가함에 따라서 자동차에 이용되는 전자부품의 비중이 계속해서 빠르게 증가하고 있으며, 그에 따라서 높은 효율, 낮은 정지 전류, 높은 스위칭 주파수를 제공하면서 견고한 보호 기능들을 통합하고 신뢰성이 높은 고전압 전력관리 IC 또한 요구되고 있다. IC 디자이너들이 이와 같은 까다로운 요구들을 충족할 수 있도록 새로운 솔루션이 제공된다.
리니어 테크놀로지는 고전압 동기식 벅 레귤레이터 제품군의 첫 번째 제품으로서 LT8610을 내놓았다. LT8610은 3.4~42 V의 입력 전압 범위를 허용하므로 콜드 크랭크나 스톱-스타트 시나리오 같은 저전압 과도전압과 부하 덤프 시나리오 시의 고전압 과도전압에 노출되는 자동차 애플리케이션에 이용하기에 적합하다. 또한 2.5 A의 연속 출력 전류 용량을 제공하고 VIN - 200 mV부터 0.97 V에 이르는 출력을 공급할 수 있으므로 직접적으로 배터리 버스로 동작하는 다수의 자동차 레일에 이용하기에 매우 적합하다. 또한 외부 다이오드를 필요로 하지 않으므로 매우 콤팩트하면서 간소한 솔루션 풋프린트가 가능하다(그림 2).
이 디바이스의 동기식 정류 설계는 내부에 상단 및 하단 MOSFET을 통합하고 최고 96%에 이르는 효율을 달성한다. 그림 3에서는 비교적 높은 800 kHz 스위칭 주파수를 이용한다 하더라도 공칭 12 V 입력을 이용해서 5 V 부하를 구동할 때 95% 이상의 효율을 달성할 수 있다는 것을 보여준다. 마찬가지로 공칭 12 V 입력으로 3.3 V를 공급할 때는 최대 94% 효율을 달성할 수 있다. 이와 같은 고효율 동작으로 낭비되는 전력을 최소화하고 공간적으로 매우 조밀한 애플리케이션에서도 히트 싱크를 필요로 하지 않는다. 그럼으로써 전기차와 하이브리드 카에서 배터리 재충전 사이의 주행 거리를 향상시킬 수 있다.
또한 LT8610의 Burst Mode 동작은 무부하 정지 전류를 불과 2.5 μA로 낮추므로 무부하일 때라도 일정한 전압 레귤레이션을 유지하면서 배터리 시간은 극대화해야 하는 always-on 애플리케이션에 이용하기에 적합하다. 이 점은 특히 보안, 환경 제어, 데이터 기록, 안전성, 위치 기반 시스템을 비롯해서 always-on 시스템의 숫자가 갈수록 늘어나고 있어서 더욱 더 중요해지고 있다. 또한 리플이 매우 낮은 Burst Mode 동작 토폴로지는 출력 잡음을 10 mVPK-PK 이하로 최소화하므로 잡음에 민감한 애플리케이션에 이용하기 적합하다. 만약 애플리케이션이 주파수 외부 동기화를 필요로 하면 Burst Mode 기능을 펄스 스키핑 주파수 방식으로 교체할 수 있다.
LT8610의 매우 낮은 드롭아웃 성능은 스톱-스타트나 콜드 크랭크 조건 시에 출력을 조정해야 하는 애플리케이션에 특히 유용하게 이용할 수 있다. 그림 4에서는 입력 전압이 이 예의 경우에 5 V인 프로그램 된 출력 전압보다 낮게 떨어지더라도 입력이 2.9 V 이상이기만 하다면 출력이 항상 입력 전압보다 200 mV 낮도록(@1A) 유지된다는 것을 알 수 있다. 이 점이 중요한 것은 이와 같은 ECU를 구동하기 위해서는 하나 또는 다중의 마이크로프로세서/마이크로컨트롤러를 필요로 하기 때문이다. 이러한 마이크로프로세서는 공칭 5 V로 동작하도록 설계되었으나 최저 3 V에 이르는 공급 전압을 이용해서도 계속해서 동작할 수 있다. 그러므로 콜드 크랭크 조건 시에 입력이 최저 3.2 V까지로 떨어지더라도 마이크로프로세서가 계속해서 동작할 수 있으므로 콜드 크랭크 조건 시에 ECU가 매끄럽게 동작할 수 있다.
또한 LT8610의 50 ns에 불과한 빠른 최소 온-시간은 16 V 입력 및 1.8 V 출력으로 2 MHz 정주파수 동작을 가능하게 하므로 효율을 극대화하면서 AM 라디오 같은 잡음에 민감한 중요한 주파수 대역을 피할 수 있다. 16 V 이상의 전압이라 하더라도(42 V 이하), LT8610은 매우 잘 조정된 출력 전압을 제공한다. 더 빠른 스위칭 주파수 동작일수록 외부 부품의 크기를 줄일 수 있으므로 LT8610의 2.2 MHz 스위칭 동작은 매우 콤팩트한 솔루션 풋프린트를 달성할 수 있도록 한다.
LT8610은 내부에 상단 및 하단 고효율 전력 스위치와 필요한 부스트 다이오드, 발진기, 제어 및 로직 회로를 단일 다이로 통합하고 있다. 특수한 설계 기법과 새로운 고속 프로세스를 채택함으로써 넓은 입력 전압 범위에 걸쳐서 높은 효율을 달성할 수 있으며, LT8610의 전류 모드 토폴로지는 빠른 과도 응답 및 우수한 루프 안정성을 가능하게 한다. 그 밖의 기능들로서 내부 보상회로, power good 플래그, 견고한 단락 회로 보호 출력, 소프트 스타트/트래킹, 열 보호 기능을 포함한다. 또한 16핀 방열 향상 MSOP 패키지와 높은 스위칭 주파수를 결합함으로써 외부 인덕터 및 커패시터의 크기를 줄일 수 있으므로 매우 콤팩트하면서 열 성능이 향상된 풋프린트를 달성할 수 있다.

결론
자동차에 사용되는 복잡한 전자 시스템이 갈수록 늘어남으로써 전력관리 IC에 대해서 갈수록 더 높은 성능이 요구되고 있다. 전원장치가 자동차 전력 버스 상의 어느 위치에서 동작하느냐에 따라서 스톱-스타트, 콜드 크랭크, 부하 덤프 조건을 경험할 수 있으며, 이와 같은 조건들이 발생하더라도 출력 전압을 정확하게 조정할 수 있어야 한다. 또한 이러한 일부 시스템은 “always-on” 대기 모드로 동작해야 하므로 최소한의 공급 전류를 소모한다. 또한 갈수록 더 제한적인 공간으로 더 많은 전자 시스템을 추가하고 있으므로 솔루션 풋프린트를 최소화하면서 효율을 극대화하는 것 또한 중요한 과제이다. 다행히 이와 같은 요구들을 충족하는 새로운 IC 제품들이 등장함으로써 미래의 자동차로 더욱 더 다양한 전자 장치 시스템을 구현할 수 있게 되었다.