복잡한 자동차 환경에 적합하도록 설계된 전력 IC - Technology

복잡한 자동차 환경에 적합하도록
설계된 전력 IC

글│Jeff Gruetter, 리니어 테크놀로지

승차감, 안전성, 성능을 극대화하고 유해가스 배출을 최소화하기 위해 매해 자동차들이 갈수록 더 복잡한 전자 시스템을 채택하고 있다. 시장 조사 회사인 Strategy Analytics는 오늘날에는 전자 시스템이 대체적으로 자동차 가격의 22% 이상을 차지하나 2009년에 이르러서는 이 수치가 33% 이상으로 뛰어오를 것이라는 흥미로운 전망을 내놓고 있다.
그러한 전자 시스템의 예로서 인포테인먼트 시스템(텔레매틱스), 안전성 시스템, 엔진 관리, 위성 라디오 및 TV, LED 표시등, 블루투스 및 기타 무선 시스템, 리어 뷰 카메라 등을 들 수 있다. 5년 전에는 이러한 시스템이 고급형 유러피언 럭셔리 차종에만 이용되었으나 현재는 모든 자동차 업체의 중간급 자동차에 이용됨으로써 자동차 IC 시장이 더 빠른 속도로 성장하고 있다.
전자 애플리케이션이 증가하는 주된 요인의 하나가 엔진 제어 관리이다. 해가 지날수록 전세계 배기가스 규격은 더 엄격해지고 연비 요구는 높아지는데 고객들은 여전히 더 높은 성능을 요구한다. 한때는 상호 배타적인 요구였으나 이제는 `스마트` 엔진 제어 시스템, 다중의 센서, 다수의 DSP를 채택함으로써 자동차 업체들이 더 깨끗하게 작동하는 엔진을 이용해서 더 높은 수준의 엔진 효율을 달성할 수 있다.
전자 시스템이 안전성, 기후 제어, 표시등, 내비게이션, 무선 접속, 새시 제어 시스템에서 마찬가지의 혁신을 이루고 있다. 이들 새로운 시스템들이 결합적으로 운전자를 위해서 안전성, 성능, 승차감을 향상시키며 인류를 위해서 환경을 보호할 수 있도록 돕는다.
이들 자동차 시스템에서 전자 부품의 비중이 높아짐에 따라 이용할 수 있는 공간 요구가 지속적으로 축소됨으로써 각 시스템의 전자 부품 밀도가 대폭적으로 높아지고 있다. 이들 모든 시스템이 각각의 서브시스템을 위해 다중의 전압 레일을 이용함으로써 전력 변환 IC를 필요로 한다. 전통적으로 선형 레귤레이터가 이러한 전력 변환 요구의 대부분을 충족했다. 효율 및 소형의 크기가 그렇게 중요하지 않았기 때문이다.
하지만 전력 밀도가 십여 배까지 높아지고, 많은 애플리케이션이 비교적 높은 주위 온도 동작을 요구함으로써 효과적인 히트 싱킹을 이용하는 것이 지나치게 대형이 되었다. 그러므로 이러한 공간 및 동작 온도범위 제약으로 인해서 전력 변환 효율이 중요하게 되었다.
출력 전압이 낮거나 수백 밀리암페어 이상의 중간 정도의 전류 레벨이라 하더라도 단순히 선형 레귤레이터를 이용해서 그러한 전압을 발생시키는 것은 더 이상 실용적이기 않게 되었다. 선형 레귤레이터는 과도하게 높은 열을 발생시키기 때문이다.
이러한 열적 제약의 결과로서 스위칭 레귤레이터가 선형 레귤레이터를 대체하기 시작했다. 효율 향상이나 풋프린트 소형화 등의 스위칭 레귤레이터의 이점이 설계 복잡성의 증가나 EMI 고려사항의 단점보다 크기 때문이다.

`Always-On` 시스템은 극히 낮은(IQ<100㎂) 전원 전류 필요

많은 전자 서브시스템이 `대기` 또는 `생존` 모드로 동작해서 그 상태일 때 최소의 정지 전류를 소비해야 한다. 대다수의 내비게이션, 안전성, 보안, 엔진 관리 전자 전력 시스템에서 그와 같은 회로들을 발견할 수 있다. 이들 각각의 서브시스템이 다수의 마이크로프로세서 및 마이크로컨트롤러를 이용할 수 있다.
대다수의 고급형 차량이 이들 DSP의 60%에서 100%까지 온보드로 포함하며 이중 10%에서 20%는 두가지의 다른 모드로 동작한다. 첫째, 자동차가 주행할 때는 이들 DSP를 구동하는 전원장치가 배터리 및 충전 시스템이 공급하는 최대 전류로 작동한다.
하지만 자동차 시동이 꺼지면 이들 마이크로프로세서가 `살아있는` 상태를 유지해야 하므로 전력 IC가 일정한 전압을 제공하면서 배터리로부터 최소의 전류(<100㎂)를 소비해야 한다. 내비게이션, 보안, 기후 제어, 엔진 관리 시스템을 위해서 20개 이상의 이러한 `Always-On` 프로세서가 필요할 수 있으므로 시동이 꺼져 있을 때라도 배터리에 대해서 상당한 전력 요구가 부과된다.
전체적으로 이들 Always-On 프로세서를 구동하기 위해서 수백 밀리암페어(mA)의 전원 전류가 필요할 수 있는데 이는 수일 내로 배터리를 완전히 고갈시킬 수 있다. 만약에 자동차의 고전압 스텝다운 컨버터가 각기 2~10mA의 전원 전류를 필요로 한다면 보안 시스템, GPS 시스템, 원격 키리스 엔트리 시스템에 이용된 그러한 20여 개의 컨버터 및 ABS 브레이크 등의 기타의 필수적인 Always-On 시스템과 전동 창문으로부터의 누설 전류가 결합적으로 2주에서 3주에 걸친 운행 후에 배터리를 고갈시킴으로써 엔진을 시동할 수 없게 할 수 있다.
전자 시스템의 크기나 복잡성을 높이지 않으면서 배터리 수명을 절약하기 위해서는 이들 전원장치의 정지 전류를 대폭적으로 낮추어야 한다. 최근까지만 해도 높은 입력 전압 용량과 낮은 정지 정류 요구는 DC/DC 컨버터 IC에 있어서 상호 배타적인 파라미터였다.
이러한 요구들을 더 잘 충족하기 위해서 많은 자동차 업체들이 각각의 Always -On DC/DC 컨버터에 대해서 100㎂의 낮은 정지 전류 목표를 설정했다. 최근까지만 해도 시스템 업체들은 낮은 정지 전류 LDO를 스텝다운 컨버터와 병렬로 연결하고 자동차가 꺼질 때마다 이 컨버터에서 더 낮은 전류 LDO로 전환해야 했다. 이는 비용적으로 비싸고 대형이고 비교적 비효율적인 솔루션을 야기했다. 표 1은 36V~60V 입력 전압 가능 <100㎂ 스텝다운 DC/DC 컨버터 제품군을 보여준다.
예를 들어서 LT3680은 75㎂에 불과한 무부하 정지 전류로 최고 36V에 달하는 입력 전압으로부터 최대 3.5A의 출력 전류를 제공할 수 있다. 이러한 모든 특성이 리디드 열 향상 MSOP-10E 패키지나 3mm x 3mm DFN을 이용해서 Always-On 문제를 충족하기 위한 훨씬 더 간소하고 효율적인 솔루션을 제공한다.

부하 덤프 및 콜드 크랭크 문제

`부하 덤프`는 교류기가 배터리를 충전하고 있는 중에 배터리 케이블이 차단되는 경우를 말한다. 이는 자동차가 작동 중에 배터리 케이블이 느슨하거나 아니면 자동차가 주행 중에 배터리 케이블이 끊어졌을 때 발생한다.

이와 같이 배터리 케이블이 갑작스럽게 차단되면 교류기가 연결되지 않은 배터리를 최대로 충전하려고 함으로써 최고 60V에 달하는 트랜션트 전압 스파이크를 발생시킬 수 있다. 그림 1과 그림 2는 이러한 36V 및 60V 트랜션트를 보여준다. 교류기 상의 트랜소브(Transorb)가 버스 전압을 36V와 60V 사이로 클램핑하고 서지의 대부분을 흡수하기는 하지만 교류기 하위의 DC/DC 컨버터는 이러한 36V에서 60V 사이의 트랜션트 전압 스파이크를 겪는다.
이들 컨버터들이 살아남아야 하며 어느 경우에는 이 트랜션트 이벤트를 통과해서 출력 전압을 안정화해야 한다. 그러므로 이들 컨버터가 그와 같은 고전압 트랜션트를 다룰 수 있어야 한다. 트랜소브와 같은 다양한 대안적인 보호 회로를 이용할 수 있으며 이를 외부적으로 구현할 수 있으나 그러려면 비용과 공간이 추가된다.
`콜드 크랭크`는 자동차 엔진이 일정한 시간 동안 낮은 또는 동결 온도에 놓인 경우를 말한다. 그러면 엔진 오일이 과도하게 점성을 띰으로써 스타터 모터가 더 높은 토크를 제공해야 하며 이는 다시 배터리로부터 더 많은 전류를 소비한다.
이러한 대형 전류 부하는 점화 시에 배터리/일차 버스 전압을 4.0V 아래로 끌어내릴 수 있으며 점화 후에는 보통 공칭 12V로 돌아간다(그림 1참조). 엔진 제어, 안전성, 내비게이션 시스템 등의 일부 애플리케이션을 위해서는 계속해서 작동할 수 있도록 콜드 크랭크 시나리오를 통과해서 잘 안정화된 출력 전압(보통 3.3V)이 요구된다.

이용 가능한 솔루션

출력 전류와 요구되는 트랜션트 보호 레벨에 따라서 리니어 테크놀로지는 콜드 크랭크 및 부하 덤프 상황에도 작동할 수 있고 100㎂ 미만의 정지 전류를 요구하는 다수의 스위칭 레귤레이터를 공급한다(표 1참조). 그러한 한 예가 LT3480으로서 이는 최대 60V에 달하는 입력 트랜션트를 방지하는 2A 38V 스텝다운 스위칭 레귤레이터이다. 이의 버스트 모드 동작은 무부하 대기 조건일 때 정지 전류를 70㎂ 미만으로 유지한다.
LT3480의 3.6V~38V 입력 전압 범위와 60V 트랜션트 보호는 자동차 애플리케이션에서 발생하는 부하 덤프 및 콜드 크랭크에 이용하기에 적합하다. 그림 1에서는 LT3480이 36V 트랜션트를 통과해서 3.3V 출력을 안정화한다. 그림 2에서는 LT3480이 자신과 하위의 회로를 보호하기 위해서 41.5V 이상일 때 스스로를 셧다운한다. 트랜션트가 38V 아래로 떨어지면 LT3480이 다시 안정화 상태로 돌아간다.

이의 3A 내부 스위치는 최저 0.79V의 전압에 대해서 최대 2A의 연속 출력 전류를 제공할 수 있다. 최소의 외부 소자를 필요로 하며 최고 90%에 달하는 효율을 달성할 수 있다(그림 3). LT3480의 버스트 모드 동작은 70㎂에 불과한 무부하 정지 전류를 제공하므로(그림 4참조) Always-On 동작과 최적의 배터리 시간을 요구하는 자동차나 통신 시스템 등의 애플리케이션에 매우 적합하다.
스위칭 주파수를 200kHz에서 2.4MHz로 사용자가 프로그램할 수 있으므로 효율을 최적화하면서 주요한 잡음 민감성 주파수 대역을 피할 수 있다. 3mm x 3mm DFN-10 패키지(또는 열 향상 MSOP-10E)와 높은 스위칭 주파수를 결합함으로써 외부 인덕터 및 커패시터를 소형으로 유지하므로 매우 컴팩트한 열 효율 풋프린트를 제공한다.
LT3480은 고효율 3A 0.25Ω 스위치를 이용하며 이와 함께 단일 다이에 필요한 부스트 다이오드 발진기, 제어 및 로직 회로를 통합했다. 낮은 리플 버스트 모드 동작은 낮은 출력 전류로 높은 효율을 유지하며 출력 리플을 15mVPK-PK 미만으로 유지한다.
특수한 설계 기법과 새로운 고전압 프로세스는 넓은 입력 전압 범위에 걸쳐서 높은 효율을 가능하게 하며 전류 모드 토폴로지는 고속의 트랜션트 응답과 우수한 루프 안정성을 가능하게 한다. 그 밖의 특징으로서 외부 동기화(250kHz에서 2MHz까지), Power Good 플래그, 소프트 스타트 기능을 포함한다.

자동차 환경의 열 관련 해결 과제

자동차 애플리케이션의 복잡한 전기적 환경뿐만 아니라 열 환경 또한 문제이다. 갈수록 더 많은 전자 시스템이 자동차의 귀중한 공간을 공유함으로써 열 관리가 중요해졌다. UTH(Under-The-Hood) 애플리케이션은 대개 125℃ 이상의 주위 동작 온도를 요구하며, 내비게이션/인포테인먼트 시스템 같은 주요 전자 시스템이 높은 주위 온도로 자동차 파이어월에 근접해 있고 전자적 밀도가 매우 높음으로써 열적으로 문제를 야기할 수 있다.
모든 전자 시스템은 어느 정도의 전기 전력을 열로 발산한다. 전력 컨버터에서 열 발생을 관리하기 위한 비결은 먼저 각 컨버터의 효율을 극대화함으로써 열로 소실되는 전력을 최소화하는 것이다. 이것이 지난 몇 년에 걸쳐서 LDO를 스위칭 레귤레이터로 교체하는 주된 요인이었다.
특정한 디바이스 효율 이외에도 각각의 전력 변환 디바이스가 IC로부터 열을 효율적으로 전도하기 위해서는 열적으로 매우 효율적인 패키지를 이용하는 것 또한 중요하다. 리니어 테크놀로지는 이용 가능한 열적으로 가장 효율적인 패키지로 자동차 부품을 패키징함으로써 이를 달성한다. DFN이나 MSOP 및 TSSOP 패키지 같은 리드리스 패키지는 패키지 하단면에 열 패드를 채택한 열 향상 디자인을 이용함으로써 기존 패키지에 비해서 열 저항을 1/2 이상 감소시킨다.
UTH 애플리케이션 같이 매우 까다로운 고온 애플리케이션을 충족하기 위해서 리니어 테크놀로지는 부품에 따라서 140℃ 또는 150℃의 접합부 온도로 작동할 수 있는 `H` 등급 컨버터 제품군을 공급한다(표 2참조). 표 2는 이들 제품군의 전체적인 표를 보여준다. 변환 토폴로지는 LDO, 고전압 모노리딕 스위칭 레귤레이터, 컨트롤러를 포함한다.

애플리케이션이 공칭 12V로 작동하고 5V 1.5A 출력을 안정화한다고 하자. 그러면 LDO는 41%에 불과한 효율을 제공하고 10.5W의 낭비 전력을 소비함으로써 80℃에서 벌써 열 결함을 방지하기 위해서 상당한 히트 싱크를 필요로 할 것이다. 이에 반해서 그림 5에서 보는 LT3508 같은 스위칭 레귤레이터는 89% 효율로 작동하며 0.8W만을 외부적으로 발산한다. 이의 TSSOP-16E 패키지는 θJA가 40℃/W이므로 32℃의 온도 상승에 해당된다. 이는 산업용 등급 디바이스(125℃)의 경우 93℃의 주위 온도 및 `H` 등급 디바이스의 경우 108℃의 주위 온도를 가능하게 한다.

결론

자동차에 매우 전문적인 전자 서브시스템이 급속히 늘어남으로써 자동차 애플리케이션의 전력 IC에 대한 성능 요구가 높아졌다. 전원장치가 자동차 전력 버스 상에서 작동하는 위치에 따라서 높은 주위 온도뿐만 아니라 부하 덤프 및 콜드 크랭크 문제를 겪을 수 있다. 뿐만 아니라 일부 이들 시스템은 Always-On 대기 모드로 동작함으로써 최소의 전원 전류를 요구한다.
각각의 자동차에 더 많은 전자 시스템이 추가될수록 솔루션 풋프린트를 최소화하면서 열 효율을 극대화하는 것 역시 중요하다. 다행히 전력 IC 디자이너들이 이러한 요구를 충족하는 솔루션들을 개발함으로써 미래형 자동차에서 전자 부품 비중이 높아지는 것에 대비할 수 있게 되었다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 10월호>