자동차 시스템에서 전원 감시기의 선택과 사용
전원 감시기는 매우 유용한 자동차 전자 시스템이 될 수 있다. 감시기를 적절히 사용하면 이상 전원 상태를 처리해야 하는 어려운 문제를 감시기에 맡길 수 있으므로, 시스템의 나머지 설계를 더 간단하고 빠르고 저렴하게 수행할 수 있다. 자동차 전원의 어려운 과제는 감시기의 선택과 애플리케이션에서 특별한 고려를 필요로 한다.
글│앤드류 J 토마스(Andrew J. Thomas), 리니어 테크놀로지
자동차의 전원 시스템은 자동차의 전자장치 설계를 어렵게 만드는 많은 과제를 요구하고 있다. 그 중에서 특히 어려운 과제는 매우 넓은 범위의 전압과 동적 성능에 있으며, 이를 배터리 시스템이 구동하는 전자 부품에 제공할 수 있어야 한다는 점이다. 환경에 따라 부품은 -14V(역 배터리 시)에서부터 60V(부하 덤프 시)에 이르는 전원 범위를 경험할 수 있으며, 이러한 전체 범위를(꼭 동작할 필요는 없더라도) 견딜 수 있어야 한다. 그런데 이것은 비용과 효율을 구체적으로 고려하게 될 때 어려운 문제가 될 수 있다.
유용한 전원 감시기 IC
전원 감시기 IC는 많은 자동차 전원 시스템의 유용한 부분이 될 수 있다. 다양한 애플리케이션을 위한 다양한 기능을 갖춘 감시기가 생산되지만, 기본적으로 감시기의 기능은 검출로 모아진다. 감시되는 IC 전압 입력의 일부가 정상 동작 범위를 벗어나면 그 사실을 다른 회로에 알려 해당 정보를 바탕으로 필요한 조치를 취할 수 있도록 하는 데 있다. 자동차 전원 환경은 감시기의 선택에 몇 가지 특별한 제약을 요구한다. 이러한 요건들은 다음과 같으며, 아래에서 자세히 설명하기로 한다.
1. 감시기는 배터리 전압으로부터 가능한 직접 구동되어야 한다.
2. 감시기는 최소한 배터리 전압만큼 높은 전압을 모니터링 할 수 있어야 하고, 애플리케이션에 적합한 허용오차에서 과전압 및 저 전압 오류를 보고할 수 있어야 한다.
3. 감시기는 자동차 시스템에 존재하는 비교적 높은 수준의 간섭과 기타 고주파 요소를 적절하게 처리해야 한다.
한편, 자동차 시스템은 휴대장치와 같은 다른 애플리케이션처럼 전력의 제한을 받지 않는다는 점에서 선택은 조금 용이해진다. 이것은 만약 애플리케이션에 적합한 우수한 기능이나 성능을 제공할 경우 더 높은 무부하 전류를 갖는 감시기를 사용할 수 있다는 것을 의미한다.
감시기 기능은 가용성이 높은 전원에서 전력을 공급받을 때 가장 효과적으로 기능한다. 감시기는 모니터링하는 전원에서 발생하는 모든 비정상 상황에 대해 시스템의 다른 모든 회로에 적절히 통보하는 기능을 한다. 따라서, 만약 감시기가 자체적으로 전원을 공급받지 못한다면 이러한 요건을 이행할 수 없다는 것은 자명하다. 그러므로 최고의 신뢰성을 위해 감시기는 전원으로부터 전력을 공급받아야 하며, 이러한 전원은 모든 상태에서 존재할 가능성이 가장 높아야 한다. 자동차에서 이러한 전원은 배터리이다.
12V 전원에서 직접 동작할 수 있는 감시기는 상대적으로 매우 드물며(대부분의 감시기는 5V 전원을 염두에 두고 설계된다), 전원에서 60V 부하 덤프 시에 견딜 수 있는 감시기는 거의 없다. 일종의 전원 레귤레이터를 사용하면 감시기를 높은 전원 전압으로부터 보호할 수 있다. 이러한 레귤레이터는 감시기 솔루션의 부품 수와 보드 공간을 줄일 수 있도록 모니터 내부에 내장하는 것이 이상적이다. 그러나 로드 덤프에 견딜 수 있는 내장형 직렬 레귤레이터를 찾기는 어려우므로 션트 레귤레이트 전원을 갖는 부품이 최상의 선택이다.
이러한 부품은 보통 전원 핀에 합리적 레벨에서 전원 전압을 유지하는 내부 제너 다이오드(또는 동등한 부품)을 갖고 있으며, 배터리와 전원 핀 사이에 직렬로 전압강하 저항을 필요로 한다. 이러한 구조의 장점은 두 가지이다. 임의적으로 높은 전원 전압에서 동작할 수 있을 뿐 아니라 역 배터리 상태로부터 감시기를 내부에서 보호한다.
감시기의 중요한 기능
대부분의 자동차 시스템에서 감시기의 중요한 기능은 배터리 전압을 모니터링하여 전압이 시스템 내부의 회로에 대해 수용 가능한 동작 범위 안에 있는지 확인하는 것이다. 감시기 모니터링 입력은 일반적으로 내부에서 설정하거나 또는 외부에서 조정하는 두 가지 범주가 있다.
내부적으로 설정되는 임계값은 사용자가 외부 부품 없이 모니터링 입력 핀을 모니터링되는 전원에 직접 연결할 수 있도록 하지만, 모니터링 임계값은 선택 시 내부 값에서 선택해야 한다. 이러한 선택은 거의 언제나 개략적인 표준 로직 전원(5V 및 미만)을 기준으로 하기 때문에 배터리 모니터링에 항상 사용할 수 있는 것은 아니다.
게다가, 만약 모니터링 입력 핀을 배터리에 직접 연결하는 경우에는 입력 핀도 60V 스파이크에 견딜 수 있어야 한다.
이와 같은 이유로 일반적으로 외부에서 조정하는 입력이 더 나은 선택이다. 조정 입력은 거의 0.5V의 상당히 낮은 고정 임계값을 갖지만 하이 임피던스 입력이므로, 모니터링되는 전원으로부터 저항 분배기에 연결할 수 있다. 그런 다음 분배기의 저항을 선택하여 임의적인 고전압 값으로 모니터링 임계값을 설정할 수 있다.
또한 외부 분배기는 특별히 해당 시스템의 특성에 맞추어 수용 가능한 전원 범위를 선택할 수 있는 유연성을 제공하는데, 예를 들면, 9.5V 또는 10V에서 적절히 동작하도록 할 수 있다. 또한 분배기에 사용되는 상대적으로 넓은 저항은 로드 덤프 시 또는 기타 예외적인 상황에서 손상을 입힐 수 있는 전류로부터 모니터링 입력을 보호한다.
또한 배터리의 과전압과 저 전압 상태를 모두 검출하기 위해 배터리 모니터링 입력이 필요할 수 있다. 두 가지 경우는 모두 쉽게 발생할 수 있으며, 둘다 시스템 기능에 손상을 줄 수 있다. 기본 감시기는 언제나 미달 전압 모니터링만 제공한다. 만약 과전압 모니터링 임계값을 미달 전압 임계값과 독립적으로 설정하고자 한다면, 반드시 항상 개별적인 저항 분배기를 갖는 두 개의 외부 조정 입력을 사용하여 미달 전압과 과전압을 검출하여야 한다.
고주파수 요소를 처리하는 방식
자동차 전원 전압은 정상 동작 중에도 켜고 끌 수 있는 자동차의 와이퍼 모터와 전조등과 같은 부하, 교류 발전기 출력으로부터 발생하는 리플, 그리고 모든 종류의 EMI로부터 상당한 양의 고주파수를 가질 수 있다. 감시기가 이러한 고주파수 요소를 처리하는 방식은 감시기의 유용성에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 동작 주파수의 에지에 가까운 전원 전압에서 발생하는 교류 발전기 리플은 마이크로프로세서의 리셋 라인이 수 킬로헤르츠에서 토글하는 원인이 되며, 이는 바람직하지 못하다. 이러한 문제는 모니터 임계값에 히스테리시스를 사용하면 어느 정도 해결할 수 있지만 히스테리시스는 임계값 정확도가 떨어진다는 것을 의미하고, 이는 시스템 업타임을 증가시키거나 또는 부품의 동작 전원 범위를 느슨하게 할 필요가 있다는 것을 의미하기 때문에 그다지 바람직하지 않다.
리플 문제는 감시기에 항상 있는 리셋 타임아웃으로도 완화시킬 수 있다. 전원이 동작 범위 밖에 있다가 범위 안으로 들어오면 감시기는 사전에 지정된 일정한 시간을 기다렸다가 전원의 양호 상태를 표시한다. 만약 타임아웃 기간 동안 어느 지점에서 전원이 다시 동작 범위를 벗어나면, 타임아웃은 리셋되고, 전압이 동작 범위에 다시 들어가면 처음부터 시작한다. 타이머는 타임아웃보다 적은 시간에 고주파수 특성이 출력에 나타나지 않도록 한다.
또한 타이머는 타임아웃 시간으로 시스템의 시동과 복구를 지연시키므로, 전원과 마이크로프로세서의 특성에 따라 균형을 맞추어야 한다. 일부 감시기는 해당 시스템에 대해 이러한 트레이드오프를 최적화할 수 있는 조정 가능한 타임아웃 시간을 제공하며, 또 일부 감시기는 고정된 타임아웃 값(보통 200ms)으로 공장에서 프로그램 되어 출시된다. 이러한 감시기는 사용자가 시간을 설정하기 위해 외부 부품을 제공할 필요가 없다.
짧은 전압 과도 현상
마지막으로, 대부분의 모듈은 주로 로컬 전원 바이패스 커패시터로 인해 정상 동작 범위를 벗어나도 동작을 계속하여 짧은 전압 과도 현상을 통과한다. 이러한 과도 현상의 수용 가능한 지속 시간은 진폭에 따라 다르다. 예를 들어, 시스템은 50μs 동안 2V 글리치를, 그리고 100μs 동안 1V 글리치를 통과할 수 있다. 이러한 이유로, 많은 감시기는 단순한 진폭이 아닌 전원 글리치의 에너지에 반응하는 일종의 입력 글리치 필터링을 제공한다.
애플케이션의 예
애플케이션의 예로 자동차 요건에 매우 적합한 리니어 테크놀로지의 LTC2909 감시기를 들 수 있다. 이 제품은 션트 레귤레이트 전원 핀을 비롯해 UV와 OV 검출, 다중 타임아웃 옵션, 입력 글리치 필터링에 대해 구성할 수 있는 외부에서 조정할 수 있는 입력을 제공한다. 간단한 애플리케이션이 그림 1에 나와 있다. 이 애플리케이션에서 부품은 배터리 전압이 10V 미만으로 떨어지거나 또는 16V 이상으로 상승할 때마다 이러한 상황으로부터 시스템을 보호할 수 있도록 액티브 로우 오류 신호를 제공한다.
이러한 전압은 저항 R1-R3을 이용해 선택되며, 배터리 점퍼선을(이 경우 Vcc가 28V가 될 수 있다) 오류 상태로 간주되지 않도록 쉽게 변경할 수 있다. 타임아웃 시간은 커패시터 CTMR를 사용하여 20ms로 선택할 수 있다. 이 값은 50Hz보다 높은 주파수에서 주기적 글리치의 빠른 시동과 제거를 가능하게 한다. 커패시터의 값을 변경하면 더 많은 글리치 내성 또는 더 빠른 시동이 가능하다. 개별적인 과전압과 미달 전압 오류 출력이 필요한 경우 LTC2913은 유사한 기능을 제공하지만 별도의 출력을 갖추고 있어 더 높은 전압에도 견딜 수 있다.
그림 2는 더 정교한 가설적인 전원 시스템을 보여준다. 이 시스템은 기존의 방식에서 탈피하여 감시기를 사용하는 일부 아이디어를 소개하고 있다. 그림은 미달 전압 시스템 리셋을 비롯해 과전압, 과전류, 고온 보호를 제공하는 시스템에 사용되는 3개의 LTC2909를 보여준다. 시스템은 LT1641-2 핫스왑 컨트롤러를 제어 전자회로 차단기로 사용한다. IRLZ34 logic-NFET는 디스커넥트 스위치로 사용되며, 10mΩ 감지 저항은 4.7A의 전류 제한을 설정한다. 과전류 오류 후, LT1641-2는 160ms(CT에 의해 설정)의 지연 후에 다시 연결된다. 복잡함을 줄이기 위해 보이는 시스템에는 회로 차단기 부품에 대한 역 배터리 보호는 포함하지 않았다. 
왼쪽 두 개의 LTC2909는 과전압과 고온 상태를 검출하는 역할을 한다. 적절한 동작을 보장하기 위해 장치는 12V 입력에서 전력을 공급받는다. Vcc 핀은 함께 결합되며, 전원 전류는 단 하나의 드로핑 저항만 통과하기 때문에 그곳의 전압은 두 부품의 개별적인 레귤레이션 전압보다 더 낮은 레벨에서 레귤레이트하는 경향이 있다.
전원 전압 중 어느 하나가 과전압이 되거나 또는 온도 센서가 85℃ 이상으로 과열되면, 공유된 RST 라인이 두 LTC2909 중 하나에 의해 로우로 구동된다. 이렇게 하면 LT1641-2 ON 입력이 로우가 되어 전원 스위치가 차단된다.
동시에, 전류는 Q2를 통해 흘러 Q1를 켜고, 이것은 2N6507 SCR를 트리거하고 그에 따라 12V 전원을 시스템에 안전하게 연결하여 과전압 상태를 제거한다. 오류 상태가 사라지면, LTC2909는 200ms 타임아웃을 적용한 다음 12V 입력으로 재연결한다.
세 개 전원 중 어느 하나가 저 전압이 되면, 그 원인이 부족한 입력 전압에 있든 또는 보호 오류 중 하나가 트립되는데 있든, 세번째 LTC2909는 시스템에 마스터 리셋을 제공한다. 세번째 전원 모니터링 임계값은 Vcc 저 전압 록아웃 비교기에 의해 제공되며, 조정 가능한 입력과 유사한 정확성을 갖는다.
100k의 실온 저항을 갖는 Dale NTHS-1206N01 NTC 서미스터는 온도 검출에 사용되며, 온도 모니터링이 필요한 어느 곳에나 물리적으로 설치할 수 있다. 서미스터는 버터링된 기준 출력으로부터 접지까지 저항 분배기의 일부를 형성한다. 온도가 85℃ 미만인 한 서미스터 저항은 RREF보다 크므로, ADJ1은 임계값을 초과하고, RST는 하이로 구동할 수 있다. 그러나 온도가 상승하면 서미스터 저항이 감소하여 ADJ1을 다운 구동하므로 85℃에서(또는 이상에서) 저항이 RREF와 동일할 때 리셋이 발생된다.
결론
전원 감시기는 매우 유용한 자동차 전자 시스템이 될 수 있다. 감시기를 적절히 사용하면 이상 전원 상태를 처리해야 하는 어려운 문제를 감시기에 맡길 수 있으므로, 시스템의 나머지 설계를 더 간단하고 빠르고 저렴하게 수행할 수 있다. 자동차 전원의 어려운 과제는 감시기의 선택과 애플리케이션에서 특별한 고려를 필요로 한다. 일반적인 감시기는 자동차 환경에 적합하지 않다. 그러나 자동차 애플리케이션에 매우 적합한 감시기가 출시되고 있으므로 이러한 감시기를 선택하고 사용할 수 있다면 설계자의 작업은 훨씬 쉬워질 것이다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 12월호>