글 | 존 먼손(Jon Munson) 선임 애플리케이션 매니저 리니어 테크놀로지

isoSPI는 CANbus에 대해 추가적인 프로토콜 적용을 요구했던 표준 SPI 디바이스를 원격으로 제어할 수 있는 강건하고 간단한 방법을 제공한다. isoSPI 2-와이어 데이터 링크는 ADC의 유연한 네트워킹 기능을 통해 배터리 관리 시스템의 신뢰성과 구조적 최적화를 개선할 수 있는 경제적인 방법이다.

HEV, PHEV, EV 등의 드라이브-트레인에서 사용되고 있는 배터리 팩의 신뢰성, 성능, 장수명에 있어서 핵심 요소는 배터리 관리 서브시스템(Battery Management Subsystem, BMS)에 채용되는 전자장치이다. 최근까지 대부분의 팩 설계가 BMS 하드웨어의 중앙 집중화된 특성으로 인해 대형 단일 어셈블리로 제한돼 있었다. 특히, 배터리 및 관련 장비의 전자 노이즈가 가혹한 동작 환경으로 인해 차량 내에서 중요한 정보를 전송하는데 필요한 데이터 통신 링크에 많은 제한을 둔다. 어디에서나 사용되고 있는 CANbus는 이러한 노이즈-제거(noise-rejection) 수준을 처리할 수 있도록 설계됐지만, 원 BMS 데이터의 데이터 처리량 요구와 이와 관련된 부품 비용으로 인해 모듈화와 특히 양호한 무게 분산을 제공할 수 있도록 셀 모듈을 구조적으로 매력적인 설계로 분배하는 것을 불가능하게 한다. 표준 칩-레벨 SPI(Serial Peripheral Interface)의 isoSPI™ 물리 계층 도입 시 비용 효과적인 분산-팩 아키텍처의 가능성을 완벽하게 활용할 수 있다.

isoSPI 인터페이스 동작 방법
높은 수준의 간섭 현상을 견디기 위해서 채용되는 주요한 기법은 “밸런싱된” 와이어 쌍(접지된 와이어가 아님)을 통한 차동 신호 전송 방법이다. 이것은 노이즈가 와이어 상에 흐르도록 하지만, 두 와이어 모두의 노이즈(공통-모드)가 거의 동일해지기 때문에 전송된 차동-모드 신호가 상대적으로 영향을 받지 않고 유지된다. 매우 큰 공통-모드 노이즈 진입을 처리하기 위해서 절연 방법 역시 요구되는데, 가장 간단한 방법은 초소형 트랜스포머를 통해 제공되는 자기 결합(mag-netic coupling)이다. 트랜스포머 권선은 절연층(dielectric barrier)을 통해 중요한 차이 정보를 결합하지만, 전기적으로 절연되어 공통-모드 노이즈를 강하게 결합하지 않는다. 이것은 매우 성공한 이더넷 꼬임쌍선(twisted-pair) 표준에서 사용된 것과 동일한 접근법이다. 마지막 측면은 신호 전송 방법을 최적화하여 최대 1 Mbps 신호 전송을 지원하면서 전송을 위해 단일 꼬임쌍선만을 필요로 하는 전이중 SPI 액티브 맵을 제공하는 것이다. 그림 1은 정보 손실 없이 결합될 수 있는 DC-프리 펄스 생성을 나타낸 이상적인 isoSPI 차동 파형을 나타낸 것이다. 펄스의 폭, 극성, 타이밍은 전통적인 SPI 신호의 다양한 상태 변화를 인코딩한다.
이러한 모든 기법을 통합함으로써 isoSPI는 에러가 없는 전송을 제공하는 것에서 출발하여 설계됐으며 엄격한 BCI(Bulk Current Injection) 테스트를 거쳤다. 사실상 매우 가혹한 200 mA BCI에 대해 전체 성능을 리니어 테크놀로지에서 검증했으며, 다수의 주요 자동차 회사에서 반복해서 검증함으로써 섀시-하네스 차량 배선용으로 isoSPI 링크는 완벽한 인증을 받았다. isoSPI는 내부 모듈 간 통신 기능을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 안전성과 배터리 시스템의 고전압 조건에서의 동작을 위해 궁극적으로 필요한 다른 온-보드 절연 방법들보다 비용이 저렴하기 때문에 추가적인 비용절감 기회를 제공할 수 있다.

isoSPI를 통한 복잡성 경감 방법
BMS를 구성하는 것은 일반적으로 ADC(Analog-to-Digital Converter) 프런트-엔드 디바이스를, 다시 말해 차량 내에서 메시지 교환을 위해 CANbus 링크와 인터페이스 하는 프로세서에 연결해야 한다. 그림 2(a)는 단지 2개의 ADC 디바이스를 사용하여 전통적인 SPI 데이터 연결을 지원하는 이와 같은 구조를 나타낸 것이다. SPI 신호 전송을 통해 안전성과 데이터 무결성을 위한 완벽한 갈바닉 절연을 달성하기 위해서는 각 ADC 유닛에 대해 전용 데이터 아이솔레이터 유닛이 필요하다. 이들은 호스트 마이크로프로세서 시스템과 CANbus 네트워크로부터 셀-스택을 부유시키기 위해서 자기, 정전용량성, 광학 등의 방법을 사용할 수 있지만, 이들은 4개의 신호 경로를 처리해야 하기 때문에 상대적으로 부품 비용이 높아질 수 있다.
그림 2(b)는 동일한 기능을 나타낸 것이지만 isoSPI를 사용하여 구현한 것이다. 비용이 낮은 소형 트랜스포머가 데이터 아이솔레이터를 대체하여 호스트 프로세서 요소들과 배터리 팩 포텐셜 사이에 갈바닉 장벽(galvanic barrier)을 제공한다. 호스트 마이크로프로세서에서 소형 어댑터 IC(LTC6820)가 isoSPI 마스터 인터페이스를 제공한다. 제시된 ADC 유닛(LTC6804-2)은 통합 isoSPI 슬레이브 지원 기능을 포함하고 있기 때문에, 필요한 추가 회로는 밸런싱 된 전송-라인 구조가 필요로 하는 적절한 종단 저항뿐이다. 그림에서는 단지 2개의 ADC 유닛만을 사용하고 있지만, 단일 확장 isoSPI 버스의 경우에 최대 16개를 사용할 수 있다.

멀티드롭 버스 또는 P2P 데이지-체인을 지원하는 isoSPI 디바이스
isoSPI 링크는 물론 간단한 P2P(point-to-point) 연결을 통해서도 잘 동작하며, 그림 3에 나타낸 바와 같이 듀얼-포트 ADC 디바이스(LTC6804-1)는 완전 절연 데이지-체인 구조들을 형성할 수도 있다. 버스 또는 데이지-체인 접근법은 유사한 전체적인 구조 복잡성을 포함하고 있기 때문에, 실질적인 설계 측면에서는 포함된 미묘한 세부 요소들에 따라 어느 하나만을 선호할 수 있다. 데이지 체인 방식은 어드레스 설정이 필요 없고 일반적으로 보다 간편한 트랜스포머 결합을 포함하고 있기 때문에 다소 비용 면에서 유리하지만, 병렬 버스가 보다 우수한 내고장성을 제공한다.

BMS 분할 방법
그림 2와 그림 3에 제시한 예제 회로는 현재 BMS 시스템에서 일반적으로 사용되고 있는 중앙 집중화된 아키텍처를 보여준다. 하지만, 중앙 집중화된 구조는 주요 isoSPI 성능 중 하나, 즉 다시 말해 길이가 긴 노출 배선을 통한 동작을 완전히 활용할 수 없다. 전통적인 SPI 연결은 이러한 상황에 적합하지 않기 때문에 현재의 배터리 시스템은 전자장치의 통신 제약사항에 따라 특별히 최적화돼야만 한다. isoSPI 솔루션의 경우, 이러한 설계 제약사항이 제거되어 향상된 기계적 최적화를 달성할 수 있다.
그림 4(a)는 팩을 임의적으로 모듈화하거나 분산 네트워크로 동작하도록 지원하는 분산 데이지 체인 BMS 구조를 나타낸 것이다. 네트워크는 요구되는 회로 분산을 충족시키는데 필요한 수의 ADC 디바이스(LTC6804-1)와 하네스-레벨 연결을 사용한다. ADC 정보에 대해 isoSPI 네트워킹 기능을 사용한다는 것은 모든 데이터 처리 활동을 단일 마이크로프로세서 회로로 통합할 수 있기 때문에 특정 배터리 유닛에 별도의 마이크로프로세서를 배치할 필요가 전혀 없다는 것을 의미한다. 이러한 전체적인 네트워크 유연성을 통해 isoSPI-기반 BMS 시스템으로 고성능과 향상된 비용-효율을 제공할 수 있도록 설계할 수 있다.
그림 4(b)는 멀티드롭 버스에서 isoSPI를 사용하는 분산 BMS 구조를 나타낸 것이다. 차량 배선 측면을 포함하여 그림 4(a)와 외형적으로 상당히 유사하지만, isoSPI 전송-라인은 사실상 모든 ADC 디바이스(최대 16개의 LTC6804-2)를 병렬 연결하고 버스의 끝만 종단시키는 연속 신호 쌍이다. 버스의 일부는 사실상 모듈 내에 존재하지만 궁극적으로 다음 모듈로 전파하기 위해서 다시 떠난다.
그림들에서 한 가지 주의해야 할 사항은 isoSPI 부분은 하네스-레벨 조건으로 노출될 경우(따라서 BCI 간섭 현상 테스트를 받아야 하기 때문에), 소형 CMC(Common-Mode-Choke)가 포함된 IC의 관련 isoSPI 포트와 연결된다는 것이다. CMC는 결합 트랜스포머의 상호-권선 커패시턴스를 통해 누설되는 잔류 VHF(Very-High-Frequency) 공통-모드 노이즈를 제거하는 초소형 트랜스포머 요소이다. 이외에도 하네스 배선은 완벽한 안전성을 제공하기 위해서 완벽하게 절연된다.

새로운 기술적 과제
isoSPI 구조를 통해 셀 모듈들 내에 존재하는 전자장치를 최소화할 수 있기 때문에 ISO 26262 등과 같은 새로운 지침을 보다 간편하고 비용 효과적으로 처리할 수 있다. 예를 들어, 리던던시 측면에서 ADC 영역의 추가 복사본을 추가하여 필요에 따라 isoSPI 네트워크에 추가할 수 있다. 또한 네트워킹 접근법을 통해 제공되는 통합 프로세서 기능을 통해 신뢰성 목표를 달성하는데, 필요한 만큼 추가 회로를 다양한 모듈에 추가함으로써 패키징에 중대한 영향을 미치지 않으면서 이중화된 데이터 경로와 듀얼 프로세서를 제공하는 것이 간단해진다.

결론
유효성이 검증된 데이터 통신 기법들을 통합함으로써 isoSPI는 이전까지 CANbus에 대해 추가적인 프로토콜의 적용을 요구했던 표준 SPI 디바이스를 원격으로 제어할 수 있는 강건하고 간단한 방법을 제공한다. isoSPI 2-와이어 데이터 링크는 ADC의 유연한 네트워킹 기능을 통해 배터리 관리 시스템의 신뢰성과 구조적 최적화를 개선할 수 있는 경제적인 방법이다. 셀들의 프로세서 기능을 통합해 팩 모듈을 단순화시키고 셀 당 전자장치를 최소화시킬 수 있다.