자동차 전력 IC,
새로운 애플리케이션 및 도전 과제 발견
스위칭 레귤레이터는 리니어 레귤레이터를 대신하고 있다.
증가된 효율 및 더욱 소형의 풋프린트를 포함한 스위칭 레귤레이터의 장점은 추가적인 설계 복잡도 및
EMI 고려사항들보다 중요하다. 이 글은 이러한 자동차에 특화된 새로운 전력 IC들이 전기적으로 온도적으로 부식성이 있는 환경에서 요구되는 새로운 모든 요구조건들을 어떻게 충족시키고 있는 가를 살펴 볼 것이다.
글│Jeff Gruetter, 리니어 테크놀로지스
매년 자동차들은 안락성, 안전성 및 성능을 최대화하고 유해한 배기 가스를 최소화하기 위해 점점 복잡한 전자 시스템을 통합하고 있다. IC 인사이트는 자동차 반도체 시장이 2006년 140억 달러에서 2008년 181억 달러(USD) 이상의 규모로 성장할 것이라고 예측했다. 또 다른 리서치 전문 기관인 스트래티지 애널리틱스는 이와 동일한 낙관적인 전망을 제시했다. "오늘날, 전자 제품은 일반적인 자동차 비용의 22% 이상을 차지한다. 그러나 이 수치는 오는 2008년까지 30% 이상 상승할 것이다."
이러한 전자 제품의 예로 인포테인먼트 시스템(텔레매틱스), 보안 시스템, 엔진 관리, 위성 라디오, TV, LED 조명, 핸즈-프리 휴대폰 및 기타 무선 커넥티비티 등이 있다. 5년 전, 이러한 시스템들은 `고기능`의 유럽식 고급 자동차에만 볼 수 있었으나, 지금 이 전자제품들은 모든 제조업체들이 생산하는 중급형 자동차에 통합되고 있어, 자동차 IC 성장 속도를 더욱 가속화시키고 있다.
구동식 전자 애플리케이션들 중의 하나는 엔진 제어 관리이다. 매년, 전세계 배기 가스 배출의 표준은 더욱 엄격해 지고 있으며 가스 연비 조건들은 증가하고 있다. 그러나 고객들은 더욱 더 고성능을 요구하고 있다. 일단 상호배타적인 요구조건이라면, `스마트` 엔진 제어 시스템 채택 및 수많은 센서와 여러 개의 DSP를 통해 자동차 제조업체는 더욱 깨끗하게 동작하는 엔진으로 더욱 높은 수준의 엔진 효율성을 달성할 수 있다.
전자제품들은 안전, 기상 관리, 조명, 네비게이션, 무선 접속뿐 만 아니라 섀시 제어 시스템에서 비슷한 대변혁을 주도하고 있다. 총괄적으로, 이러한 새로운 시스템들은 안전, 성능 및 운전자를 위한 안락함을 비롯해 모두를 위한 더욱 깨끗한 환경으로 향상시킨다.
이러한 자동차 시스템에서 전자 부품 수가 증가하고 있기 때문에, 이용할 수 있는 공간 요구조건들도 지속적으로 줄어들고 있으며, 각 시스템의 전기 밀도를 증가시키고 있다. 이러한 모든 시스템은 각 서브시스템을 위한 다중 전압 레일을 갖춘 전력 변환 IC를 요구한다.
일단, 리니어 레귤레이터가 대다수의 전력 변환을 제공하게 되면, 효율성과 소형 크기는 1차적인 중요도가 아니다. 그러나 전력 밀도가 대규모로 증가하고 있으며 수많은 애플리케이션들이 상대적으로 높은 대기 온도를 요구하고 있기 때문에, 실용적인 히트 싱크는 수용하기엔 너무 크다.
따라서, 전력 변환 효율성은 공간 제약 및 동작 온도 범위 요구조건으로 인해 중요해 지고 있다. 낮은 출력 전압 및 수백만 밀리앰프(Milliamp) 이상의 적당한 전류 레벨에서 조차도, 이러한 시스템 전압을 생성하는 리니어 레귤레이터를 간단히 사용하는 것이 더 이상 실용적이지 않다. 그 이유는 시스템 전압들이 너무 많은 열을 생성하기 때문이다.
이러한 제약의 결과로, 스위칭 레귤레이터는 리니어 레귤레이터를 대신하고 있다. 증가된 효율 및 더욱 소형의 풋프린트를 포함한 스위칭 레귤레이터의 장점은 추가적인 설계 복잡도 및 EMI 고려사항들보다 중요하다.
이 글의 주요 목적은 이러한 자동차에 특화된 새로운 전력 IC들이 전기적으로 온도적으로 부식성이 있는 환경에서 요구되는 새로운 모든 요구조건들을 어떻게 충족시키고 있는 가를 살펴 볼 것이다.
`올웨이즈-온` 시스템에 적합한
저 전원 전류
앞에서 기술한 부하 덤프(Load Dump) 및 콜드 크랭크(Cold Crank) 요구조건 이외에 수많은 전기 서브시스템들은 최소의 대기 전류를 사용하는 대기 모드에서 동작할 수 있도록 요구 받고 있다. 이러한 회로들은 대부분의 네비게이션, 보안, 안전 및 엔진 관리 전기 전력 시스템에서 볼 수 있다. 각 서브시스템들은 여러 개의 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러를 사용할 수 있다.
실제로, 대부분의 고급 승용차는 보드 상에 60~100개 사이의 DSP를 보유하고 있다. 대부분 2가지의 다른 모드로 동작한다. 첫째, 자동차가 주행 중일 때, 이러한 DSP들은 전체 전류로 일반적으로 동작하며 배터리로 전원을 공급 받으며 시스템에 충전을 한다. 그러나, 자동차 시동이 꺼질 때, 수많은 마이크로프로세서들은 `동작상태`로 남아 있어야 한다. 따라서 배터리에서 전력을 끌어 온다.
네비게이션, 보안, 기상 관리, 엔진 관리 시스템에서 필요한 이러한 올웨이즈-온 프로세서들이 30개 이상 존재할 수 있기 때문에, 시동이 꺼진 상태에서조차도 전력 요구는 계속 증가하고 있다 종합적으로, 배터리를 완전히 고갈시킬 수 있는 수백 mA의 전원 전류는 올웨이즈-온 프로세서 전압에 공급하도록 요구 될 수 있다.
예를 들어, 출장이 2~3주 연장된 이후, 고급 자동차의 배터리는 크랭크를 돌려서 엔진을 걸 수 없을 것이다. 이러한 전원 공급장치의 대기 전류는 전자 시스템의 크기나 복잡도를 더욱 증가시키지 않고도 배터리 수명을 보존하기 위해 급격히 감소되어야 한다. 최근까지, 고입력 전압 성능 및 낮은 대기 전류의 요구조건들은 DC-DC 컨버터를 위한 상호 배타적인 요소들이었다.
만약에 자동차의 고전압 스텝-다운 컨버터가 각각 2-10mA의 전원 전류를 필요로 한다면, 이러한 컨버터들과 ABS, 브레이크, 전기적으로 동작되는 윈도우에서 누설 전류 및 다수의 올웨이즈-온 시스템과 같은 필수적인 올웨이즈-온 시스템을 결합하는 것은 배터리에서 심각한 배터리 고갈을 유발할 수 있다.
이러한 요건들의 관리를 더욱 더 잘하기 위해, 몇몇 자동차 제조업체들은 각각의 올웨이즈-온 DC-DC 컨버터에 대해 100uA 의 낮은 대기 전류 목표치를 제시했다. 최근까지, 자동차가 꺼질 때 마다 시스템 제조업체들은 스텝-다운 컨버터와 병렬로 낮은 대기 전류 LDO를 연결시키고 이 컨버터를 더욱 낮은 전류 LDO로 변경하도록 요청 받았다.
이것은 비용을 증가시키고, 부피를 크게 만들며 상대적으로 비효과적인 해결 방법이다. 리니어 테크놀로지의 36V~ 60V 입력이 가능한, <100uA 스텝-다운 DC-DC 컨버터 제품군이 표 1에 제시되어 있다. 버스트 모드(Burst Mode) 동작을 갖춘 스위칭 레귤레이터는 올-웨이즈 온 문제에 대해 더욱 콤팩트하고 효과적인 솔루션을 제시한다. 
부하 덤프 상황 & 콜드-크랭크 상황
부하 덤프는 배터리 케이블이 연결되지 않으면서 얼터네이트가 배터리에 충전하는 상황이다. 이것은 자동차가 동작하면서 배터리 케이블이 헐거워지거나 자동차가 운행 중이면서 배터리 케이블이 고장 날 경우 발생할 수 있다. 배터리 케이블의 갑작스런 비접촉은 트랜지스터 전압 스파이크를 최대 60V까지 생성할 수 있다.
이 때 얼터네이트는 다 소진된 배터리의 전체 충전을 시도하고 있기 때문이다(36V 및 60V의 그래프 설명을 위해 그림 1과 그림 2참조). 얼터네이트에서 트랜솝(Transorb)은 36V와 60V 사이 어딘가에 버스 전압을 클램프하고 대부분의 서지 전류를 흡수한다.
그러나 얼터네이트로부터의 스텝다운 DC-DC 컨버터는 36V~60V 과도 스파이크를 견디어야 한다. 컨버터 및 전원을 공급하는 서브시스템은 이조건에서 살아 남아야하며, 일부 사례에서 과도 상태의 경우에서도 출력 전압을 내야하기 때문에, 이러한 DC-DC 컨버터들이 높은 과도 전압 상태에서도 견딜 수 있다는 것이 중요하다. 다양한 보호 회로, 트랜솝 등이 존재한다. 이것은 매우 잘 구현될 수 있으나. 비용을 추가시키고 귀중한 공간을 차지한다.
콜드 크랭크는 자동차 엔진이 일정 기간 동안 차가워지거나 결빙 온도로 되기 쉬울 때 발생하는 상황이다. 엔진 오일은 매우 점성이 강해 스타터 모터가 더욱 많은 토크를 제공할 것을 요구한다. 차례로 이것은 배터리에서 더욱 많은 전류를 필요로 한다.
대규모 전류 부하는 시동에 따라 4.0V 미만의 배터리/프라이메리 버스 전압을 끌어 내릴 수 있다. 그 다음 이것은 명목 12V를 13.8V로 되돌린다(그림 1참조). 엔진 제어, 안전, 네비게이션 시스템과 같은 애플리케이션들이 시나리오를 통해 완벽하게 동작하기 위해 콜드 크랭트를 통해 잘 조절된 출력 전압(3.3V)을 요구하는 것이 필수적이다. 
이용가능한 솔루션
출력 전류 및 요구되는 과도 상태 보호 수준에 따라, 리니어 테크놀로지는 콜드 크랭크와 부하 덤프 시나리오 모두를 통해 동작할 수 있으며 100uA 미만의 대기 전류를 필요로 하는 스위칭 레귤레이터 제품들을 갖추고 있다(표 1참조). 최대 60V의 입력 과도 상태 보호 기능을 갖춘 2A, 38V 스텝다운 스위칭 컨버터인 LT3480은 좋은 예이다. 버스트 모드 동작은 무부하 대기 조건에서 70uA 미만의 대기 전류를 가능하게 한다.
LT3480의 3.6V~38V 입력 전압 범위와 60V 과도 상태 보호 기능을 통해 이 제품은 자동차 애플리케이션에서 발견되는 부하 덤프 및 콜드-크랭크 상황에 이상적이다. 그림 1에서 LT3480은 36V과도 상태를 통해 3.3V 출력을 조절할 것이다. 그림 2에서, LT3480은 스스로 및 회로 다운 스트림을 보호하기 위해 41.5V 이상으로 셧 다운시킨다. 과도 상태가 38V 미만으로 하강할 때, LT3480은 다시 조절될 것이다.
3A 내부 스위치는 0.79V만큼 낮은 전압에 연속적인 출력 전류 2A까지 제공할 수 있다. LT3480의 버스트 모드 동작은 단지 70uA의 무부하 대기 전류를 제공한다(그림 3). 이것은 올웨이즈-온 동작 및 최적의 배터리 수명을 요구하는 자동차나 텔레콤 시스템과 같은 애플리케이션에 매우 적합하다.
스위칭 주파수는 200kHz에서 2.4MHz까지 사용자 프로그램 가능형으로 설계자가 효율성을 최적화시키면서 중요한 잡음 민감 주파수 대역을 피한다. 3mm x 3mm DFN-10 패키지(또는 열 기능이 향상된 MSOP-10E)와 높은 스위칭 주파수의 결합은 외부 인덕터 및 커패시터를 작게 유지시키면서, 매우 콤팩트하면서 열 기능이 향상된 풋프린트를 제공한다.
LT3480은 필수적인 부스트 다이오드, 오실레이터, 제어 및 로직 회로가 단일 다이에 통합되어 있는 고효율 3.A, 0.25옴(Ohm) 스위치를 활용하고 있다. 낮은 리플 버스트 모드 동작은 낮은 출력 전류에서 높은 효율을 유지하면서 15mVPK-PK. 미만의 출력 리플을 유지한다. 특별한 설계 기법과 새로운 고전압 공정들은 폭넓은 입력 전압 범위에서 높은 효율성을 가능하게 하는 반면, 전류 모드 토폴로지는 고속 과도응답 및 뛰어난 루프 안정성을 실현시킨다. 다른 기능들에는 외부 동기화(250kHz~2MHz), 파워 굿 플래그(Power Good Flag), 소프트스타트 성능들이 있다.
자동차 환경에서 열 제약
자동차 애플리케이션에서 부식성의 전기적 환경 이외에, 열 환경도 똑같이 까다로워지고 있다. 점점 더 많은 전자제품들이 자동차에서 동일하게 주요 실제 면적을 공유하고 있기 때문에, 열 관리가 중요해 지고 있다. 후드 하부의 애플리케이션들은 125℃의 대기 온도나 더 높은 온도를 요구하면서 네비게이션/인포테인먼트 시스템, 게이지와 같은 주요한 전자제품의 실제 면적은 열 문제를 겪고 있다.
그 이유는 높은 대기 온도로 자동차 방화벽에 모두 가깝기 때문이며 전자제품의 고밀도를 갖추고 있기 때문이다. 모든 전자제품은 열을 통해 전기적 전력 양을 소모한다. 전력 컨버터에서 열 관리의 핵심은 각각의 컨버터 효율을 최대로 하는 것에서부터 시작된다. 따라서 열로 사라지는 전력을 최소화시킨다. 이것은 지난 몇 년 동안 LDO를 스위칭 레귤레이터고 교체하는 원동력 가운데 하나로 작용한다.
특정 디바이스 효율성 이외에, 각 전력 변환 디바이스가 열적으로 효율적인 패키지를 갖고 IC에서 열을 사라지게 수행하게 하는 것이 중요하다. 리니어 테크놀로지는 열 기능이 가장 효과적인 패키지를 이용해 자동차 부품을 패키징함으로써 이것을 달성했다. DFN 뿐만 아니라 MSOP 및 TSSOP 패키지와 같은 무연 패키지들은 모두 패키지의 하단에 열 패드를 통합시킨 열적 기능이 향상 설계를 이용해 계수 2 이상까지 열 저항을 감소시킨다.
언더-더-후드 애플리케이션처럼 가장 까다로운 고온 애플리케이션을 충족시키기 위해, 리니어 테크놀로지는 H-급 컨버터의 제품군을 제공했다. 이것은 부품에 따라 140℃~150℃의 접합 온도로 동작할 수 있다. 포괄적인 리스트는 표 2에 제시되어 있다. 변환 토폴로지는 LDO, 고전압 모놀리식 스위칭 레귤레이터 및 컨트롤러를 포함한다.
예를 들어, 애플리케이션이 12V에서 동작하고 5V로 조절되면서 1A의 출력 전류를 제공하는 LDO는 단지 41%의 효율을 제공하며 7W의 전력을 손실한다. 이것은 실질적인 히트 싱크를 필요로 해 80℃에서도 열 오류를 방지할 것을 요구한다. 반대로, 그림 4에서 보듯이 LT3480과 같은 스위칭 레귤레이터는 0.5W만 외부적으로 소비하면서 90% 효율성에서 동작할 것이다. TSSOP-16E 패키지의 45℃/W의 thetaJA를 이용해, 이것은 22.5℃ 온도 상승을 보일 것이다. 산업용 등급 디바이스(125℃)를 위한 102.5℃ 대기온도와 H급으로 평가된 디바이스를 위한 137.5℃ 대기온도가 가능하다. 
결론
자동차에서 매우 특화된 전자 서브시스템의 급성장은 자동차 애플리케이션에서 사용되는 전력 IC에 대한 엄격한 성능 조건을 탄생시켰다. 전원 공급장치가 자동차 전력 버스에서 동작하는 장소에 따라, 전원 공급장치들은 부하 덤프 및 콜드 크랭크 뿐만 아니라 높은 대기 온도에 영향을 받기 쉬울 수 있다. 또한, 이러한 시스템의 일부는 올-웨이즈 온 모드에서 동작할 것이며, 최소 전원 전류를 요구할 것이다.
더욱 더 다양한 전자 시스템들이 각 차량에 부착되고 있기 때문에 솔루션의 풋프린트를 최소화하면서 열 효율성을 최대화시키는 것 또한 중요하다. 다행히, 일부 전력 IC 설계자들은 이러한 요구조건을 만족시키는 솔루션을 개발해, 미래 자동차에서 더욱 더 다양한 전자 컨텐츠를 위한 길을 개척하고 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 08월호>