차세대 전력 IC 설계 요구
자동차의 전자식 제품 항목 증가
자동차에서 필수적인 전용 전자식 서브시스템의 급속한 성장은 자동차 애플리케이션의 전력 IC에 적합한 엄격한 성능 조건들을 제시하고 있다. 전원 공급장치가 자동차 전력 버스 어디에서 동작하는가에 따라, 전원 공급장치들은 부하-덤프 및 콜드-크랭크(Cold-Crank) 뿐만 아니라 높은 대기 온도에 영향을 받기 쉬울 수 있다.
글│Jeff Gruetter, 리니어 테크놀로지
해마다 자동차는 점점 복잡해지고 있는 전자식 시스템을 계속 통합하고 있다. IC 인사이트(Insights)는 자동차 반도체 시장이 2005년 125억 USD에서 증가해 2008년 181억 USD 이상 성장할 것으로 전망했다. 다른 시장조사 전문기관인 스트래터지 애널리틱스(Strategy Analytics)는 이와 동일한 낙관적인 전망을 제시했다.
오늘날, 전자식 시스템은 일반적인 자동차 비용의 20% 이상을 차지한다. 그러나, 이 수치는 2008년까지 30% 이상 상승할 것이다. 이에 대한 사례로 인포테인먼트 시스템(예: 텔레매틱스), 안전 장치, 엔진 관리, 위성 라디오 및 TV, 핸즈프리 휴대폰을 비롯해 기타 무선 접속 등이 포함된다.
5년 전에, 이러한 시스템들은 "고기능" 유럽식 고급 승용차에서만 볼 수 있었다. 그러나 이제, 이러한 시스템들은 모든 제조업체들이 공급하는 중저가형 자동차에 탑재되고 있으며, 이를 통해 자동차 IC 시장은 더욱 빠른 속도로 성장하고 있다.
동시에, 이러한 시스템내의 전자식 부품 수는 증가하면서 한편으론 이용 가능한 공간 제약은 점점 줄어들어, 각 시스템의 전자식 밀도는 더욱 증가하고 있다. 이러한 모든 시스템들은 전력 변환 IC를 필요로 하며, 종종 각 서브시스템을 위한 다중 전압 레일을 요구하기도 한다. 매우 높은 전력 밀도와 상대적으로 높은 대기 온도로 인해, 실제 히트 싱크가 탑재되기에 너무 크다. 따라서, 전력 변환 효율은 공간 제약과 동작 온도 범위의 요구조건 때문에 더욱 중요해지고 있다.
낮은 출력 전압과 수백만 밀리암페어 이상에서 적당한 전류 레벨을 통해, 이러한 시스템 전압을 생성하기 위해 리니어 레귤레이터를 간단히 사용하는 것은 더 이상 실용적이지 않다. 왜냐하면, 너무 많은 열을 방출하기 때문이다. 이러한 제약으로 인해, 스위칭 레귤레이터는 리니어 레귤레이터를 대체하고 있다. 효율성 증가 및 소형 풋프린트를 포함해 스위칭 레귤레이터의 장점은 추가적인 설계 복잡도 및 EMI 고려사항의 문제점들을 해결하고 있다.
이 글의 주요 목적은 자동차 애플리케이션용 전력 IC 설계자들이 직면한 새로운 도전 과제들을 비롯해 새로운 "자동차 전용" 전력 IC 들이 새로운 요구사항을 어떻게 충족할 수 있는 가에 대해 살펴보는 것이다. 자동차 환경은 모든 IC에 전기 및 열 관점에서 부식적인 특징이 있어, 급속도로 변화하는 시장의 조건을 만족시키기 위해 새로운 설계를 요구하고 있다.
부하 덤프 상황 & 콜드 크랭크 상황
"부하-덤프(Load-Dump)"는 배터리 케이블이 불연속되면서 교류기가 배터리를 충전하는 상황이다. 이 같은 상황은 배터리 케이블이 헐거워지면서 자동차가 동작하던지 배터리 케이블이 끊어져 자동차가 운행 중일 때 발생할 수 있다. 갑작스럽게 발생하는 배터리 케이블의 불연속은 최대 80V까 과도 상태의 전압 스파이크를 생성할 수 있다.
이 때 교류기는 비어 있는 배터리의 완벽한 충전을 시도한다(그래프 발표 자료용 그림 1참조). 교류기의 트랜소브(Transorb)는 36V와 60V 사이에서 버스 전압을 움직이지 못하게 하며 대부분의 서지 전류를 흡수한다. 그러나 교류기의 스트림으로 하강하는 DC/DC 컨버터는 36V~60V 과도 응답 스파이크에 영향을 받기 쉽다.
이러한 컨버터들과 컨버터가 전원을 공급하는 서브시스템들은 오래 견딜 수 있을 것으로 예측되기 때문에, 과도 
응답의 경우를 통해 출력 전압을 조절하는 사례에서, 이러한 DC/DC 컨버터들은 고전압 과도응답을 처리할 수 있다는 사실이 중요하다. 트랜소보와 같은 다양한 보호 회로들도 존재하나, 트랜소브는 외부에서 구현될 수 있으나 비용이 추가되며 귀중한 공간을 차지할 수 있다.
"콜드 크랭크(Cold Crank)"는 자동차의 엔진이 일정 시간 동안 서늘해지거나 결빙되는 온도에 영향을 받을 때 발생하는 조건이다. 엔진 오일은 매우 점성이 높아 더욱 많은 토크를 제공하기 위해 스타터 모터를 필요로 한다. 이것은 차례로 배터리에서 더 많은 전류를 필요로 한다.
이 같은 대규모 전류 부하는 점화장치에 따라 4.0V 미만의 배터리/주요 버스 전압을 요구할 수 있다. 그 이후 이것은 일반적으로 공칭 13.8V(그림 1)으로 되돌아 온다. 엔진 제어, 안전, 네비게이션 시스템과 같은 애플리케이션은 이러한 시나리오를 통해 완벽히 동작하는 콜드 크랭크를 통해 잘 조절된 출력 전압(3.3V)을 요구하는 것이 필수적이다.
이용 가능한 다양한 솔루션
출력 전류 및 필요한 과도 상태의 레벨에 따라, 리니어 테크놀로지는 콜드 크랭크(Cold Crank) 및 부하 덤프 시나리오(표 1)에서 동작할 수 있는 스위칭 레귤레이터를 제공한다. 예를 들어, LT3508은 최대 40V까지 과도 상태와 3.7V 만큼 낮은 콜드 크랭크 전압을 견디며, 이러한 경우 두 채널에 대한 출력 전압을 조절하는 듀얼 출력 스위칭 레귤레이터이다.
LT3508은 열 기능이 향상된 4mm x 4mm QFN-24 또는 TSSOP-16으로 채널 당 최대 1.4A를 제공하며, 매우 소형으로 온도 효율적인 솔루션을 제공한다(회로도 및 효율 그래프에 대해 그림 2참조).
LT3508의 250kHz~2.5MHz 스위칭 주파수는 사용자 프로그래머블로 최대 효율을 실현시키면서 소형의 저가형 인덕터 및 세라믹 커패시터를 사용할 수 있게 한다. 따라서 낮고 예측 가능한 출력 리플의 결과를 가져온다. 이 제품은 낮은 VCESAT(1.4A에서 300mV) 내부 스위치는 최대 89% 효율을 제공하면서, 잠재적인 온도 문제를 최소화시킨다.
LT3508의 컨버터는 공통적인 외부 클록 입력이나 내부 오실레이터로 동시에 동작되며 전압 리플을 최소화하기 위해 채널 간 180° 위상 오프셋을 관리한다. 내부 0.80V 레퍼런스는 최신형 저전압 DSP와 마이크로컨트롤러에 전력 공급을 위해 필요한 서브 1V 출력 전압을 가능하게 한다.
독립적인 트랙킹, 소프트스타트 및 파워 굿(Power Good) 회로는 전원 시퀀싱을 쉽게 해 주면서 저 드롭아웃 내부 스위치는 듀티 사이클을 98%까지 달성될 수 있게 하면서 내부 사이클별 전류 제한은 쇼트 출력(Shorted Output)에 대한 보호 기능을 제공한다. 저전류 (<2uA) 셧다운은 배터리 구동식 시스템에서 연장된 동작 시간을 제공한다.
"Always-On" 시스템을 위한
저전원 전류
부하 덤프와 콜드 크랭크 조건을 앞서 설명한 것과 더불어, 수많은 전자식 서브시스템들은 최소의 대기 전류를 사용하는 "대기 모드"에서 동작하는 것이 필수이다. 이러한 회로들은 대부분 네비게이션, 안전, 보안, 엔진 관리, 전자식 전력 시스템에서 볼 수 있다. 각 서브시스템은 여러 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러를 사용할 수 있다.
실제로, 대부분의 고급 승용차들은 60~100개의 DSP를 탑재하고 있다. 대부분은 2가지의 다른 모드에서 동작한다. 첫째, 자동차가 주행 중일 때 자동차는 배터리와 충전 시스템으로 공급된 전체 전류에서 동작한다. 그러나, 자동차 점화장치가 꺼질 경우, 수많은 마이크로프로세서들은 "동작 중"이어야 하며, 따라서 배터리에서 전류를 소모한다.
네비게이션, 보안, 기후 제어, 엔진 관리 시스템에서 필요한 Always-On 프로세서가 30개 이상이 될 수 있기 때문에, 점화장치가 꺼질 때 배터리에서 점점 전력 요구가 증가한다. 전체적으로, 전원 전류의 수백 mA가 Always-On 프로세서 전압에 전원을 공급하기 위해 요구될 수 있다. Always-On 프로세서 전압은 배터리를 완전히 고갈시킬 수 있다.
예를 들어, 2~3주 동안 연장된 출장을 다녀온 후, 고급 승용차 배터리는 크랭크를 돌려 엔진을 걸 수 없을 것이다. 이러한 전원 공급장치의 대기 전류는 전자 시스템의 크기나 복잡도를 증가시키지 않으면서 배터리 수명을 보존하기 위해 급격 감소되어야 한다.
최근까지, 고입력 전압 성능 및 낮은 대기 전류 조건들은 DC/DC 컨버터를 위해 상호 배타적인 요소들이었다. 자동차의 높은 전압 스텝다운 컨버터들이 각 전원 전류의 2-10mA만 요구했다면, ABS 브레이크와 같은 다른 의무적인 Always-On 시스템과 결합되어, 전기로 동작하는 윈도우의 누수 전류와 시스템에서 항상 켜져 있는 호스트는 배터리의 심각한 유출을 제공할 수 있다.
이러한 요구 조건을 더욱 잘 관리하기 위해, 자동차 제조업체들은 올웨이즈 온 DC/DC 컨버터를 위해 100uA의 낮은 대기 전류 목표를 설정했다. 최근까지, 시스템 제조업체들은 낮은 대기 전류의 LDO를 스텝다운 컨버터와 병렬로 연결해, 자동차에서 전원이 꺼질 때 마다 이 컨버터가 훨씬 더 낮은 전류 LDO로 변경될 수 있도록 요구 받았다.
이것은 매우 비싼, 대용량인 상대적으로 비효율적인 솔루션을 탄생시켰다. 리니어 테크놀로지의 36V에서 60V 입력 케이블, 100uA 스텝다운 DC/DC 컨버터 제품군은 표 2에서 보는 것처럼 Always-On 문제를 해결할 수 있는 더 소형의 효율적인 솔루션을 제시한다.
최적의 솔루션
LT3480은 버스트 모드(Burst Mode) 동작 기능의 2A, 38V 스텝다운 스위칭 레귤레이터로, 70uA 이하에서 대기 전류를 유지시킨다(그림 3). LT3480은 3.6V~ 38V의 VIN 범위 내에서 동작하며 최대 60V까지 과도 응답을 견뎌낸다. 이 같은 특징은 이 제품이 자동차 애플리케이션에 일어나는 부하 덤프 및 콜드 크랭크 상황에서 이상적인 솔루션 역할을 수행할 수 있게 한다.
일반적인 자동차 회로도는 그림 4에서 볼 수 있다. 3A 내부 스위치는 0.79V 만큼 낮은 전압에 대해 최대 2A의 연속 출력 전류를 제공할 수 있다. LT3480의 버스트 모드 동작은 Always-On 동작과 최적의 배터리 수명을 요구하는 자동차 시스템과 같은 애플리케이션에 적합한 매우 낮은 대기 전류를 제공한다.
스위칭 주파수는 200kHz~2.4MHz로, 사용자가 프로그래밍을 할 수 있으며, 설계자가 효율을 최대화하면서 AM 라디오처럼 잡음에 민감한 주파수 대역을 피할 수 있도록 한다. 3mm x 3mm DFN-10 패키지(또는 열 기능이 향상된 MSOP-10E)와 높은 스위칭 주파수의 결합은 외부 인덕터와 커패시터를 작게 유지시키면서, 매우 소형이면서 온도 기능이 효율적인 풋프린트를 제공한다.
LT3480은 필수적인 부스트 다이오드, 오실레이터, 제어 및 로직 회로를 단일 다이에 통합시켜 높은 효율성의 3A, 0.5mVCESAT 스위치를 활용한다. 이 제품은 12V 입력과 3.3V 출력을 이용해 86%의 높은 효율을 달성할 수 있다(그림 5). 낮은 리플 버스트 모드 동작은 저출력 전류에서 높은 효율을 유지시키면서 15mVPK-PK 미만의 출력 리플을 유지시킨다.
특수한 설계 기법과 새로운 고전압 공정은 폭넓은 입력 전압 범위에서 높은 효율을 실현시키며 전류 모드 토폴로지는 더욱 신속한 과도 응답과 뛰어난 루프 안정성을 가능하게 한다. 다른 기능으로 외부 동기화(250kHz~2MHz), 전력 우수 플래그, 소프트스타트 성능이 포함된다.
자동차 환경에서 열 기능 제약사항
자동차 애플리케이션에서 부식적인 전자식 환경과 함께, 열 환경은 똑같이 까다로울 수 있다. 점점 더 많은 전자제품들이 자동차에서 동일한 최고 위치에 배치되기 때문에 온도 관리는 중요해지고 있다. 언더후드(Under-The-Hood) 애플리케이션은 125℃ 또는 그 이상의 대기 온도를 요구하며, 반면 네비게이션/인포테인먼트 시스템과 같은 주요 전자제품이 배치되는 "위치"는 경험적으로 열 문제를 측정한다.
이 때 이 제품들은 높은 대기 온도를 갖춘 자동차 방화벽에 모두 근접해 있으며 전자제품의 밀도가 매우 높다. 모든 전자제품은 열로 전기 전력량을 소비한다. 전력 컨버터에서 열을 관리하는 핵심은 각 컨버터의 효율성을 최대화하는 것으로 출발하며 이에 따라 열에 따른 전력 손실을 최소화한다. 이것은 지난 몇 년 동안 LDO를 스위칭 레귤레이터로 교체시키는 원동력 가운데 하나였다.
특정 디바이스 효율성과 함께, 각 전력 변환 디바이스가 IC에서 열을 더욱 더 잘 전도하기 위해 온도 효율적인 패키지를 갖는다. 리니터 테크놀로지는 이용할 수 있는 가장 온도적으로 효율적인 패키지에서 자동차 부품을 패키징함으로써 이 목표를 달성한다. DFN과 같은 무연 패키지뿐 만 아니라 MSOP와 TSSOP 패키지 모두는 온도 기능이 향상된 설계를 사용한다. 이 설계는 패키지의 바닥에 열 패드가 통합되어 있어 계수 2 이상까지 열 저항을 감소시킨다.
언더후드 애플리케이션과 같은 까다로운 고온 애플리케이션을 만족시키기 위해, 리니어 테크놀로지는 140℃ 또는 150℃(부품에 따라 다름)의 접합 온도에서 동작할 수 있는 "H" 등급의 컨버터 제품군을 제공한다. 이에 대한 광범위한 목록은 표 3에 제시되어 있다. 변환 토폴로지는 LDO, 고전압 모놀리식 스위칭 레귤레이터 및 컨트롤러를 포함한다.
예를 들어, 12V에서 동작해 5V로 조정되는 애플리케이션은 1A의 출력 전류를 공급한다. LDO는 단지 41%의 효율만 제공하며, 80°C에서 온도 오류를 방지하기 위해 실질적인 히트 싱크가 필요한 소비 전력의 7W를 소모시킨다. 반대로, 그림 4에서 볼 수 있는 LT3480와 같은 스위칭 레귤레이터는 외부에서 단지 0.5W만 소비하면서 90% 효율에서 동작할 것이다.
TSSOP-16E 패키지의 thetaJA 45℃/ W으로, 이 제품은 22.5℃ 온도 상승을 나타낼 것이다. 산업 등급 디바이스(125℃)를 위한 102.5℃ 대기 온도와 "H"급의 137.5℃ 대기 온도를 실현하는 것은 디바이스 등급을 결정한다.
결론
자동차에서 필수적인 전용 전자식 서브시스템의 급속한 성장은 자동차 애플리케이션의 전력 IC에 적합한 엄격한 성능 조건들을 제시하고 있다. 전원 공급장치가 자동차 전력 버스 어디에서 동작하는가에 따라, 전원 공급장치들은 부하-덤프 및 콜드-크랭크(Cold-Crank)뿐만 아니라 높은 대기 온도에 영향을 받기 쉬울 수 있다. 게다가, 이러한 일부 시스템들은 대기 모드 상태에서 동작할 것이며, 최소한의 전원 전류를 요구한다.
더욱 많은 전자 시스템들이 각 차량에 부가됨에 따라, 솔루션 풋프린트를 감소시키면서 온도 효율성을 최대화하는 작업이 중요하다. 다행히, 일부 전력 IC 설계자들은 미래형 자동차에 탑재되는 더욱 다양한 전자식 제품 항목이 요구하는 조건들을 만족시킬 수 있도록 솔루션들을 개발하고 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 04월호>