스마트 트랜스폰더 디바이스를 이용한
신뢰성 있는 PKE 트랜스폰더 구성 요건
핸즈프리 차량 접근용 PKE 트랜스폰더의 핵심 요소는 최소한의 작동 전력으로 입력 신호를 확실히 탐지해내는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해 트랜스폰더는 고입력 감도, 낮은 변조 폭으로 입력 신호를 탐지하는 능력, 유효한 입력 신호를 수신할 때까지 트랜스폰더를 저전력 모드로 작동하기 위한 프로그램 가능 기동 필터를 갖추고 있어야 한다.
글│이유복 박사, 보안, 마이크로컨트롤러 및 기술 개발 사업부, 기술 엔지니어
제임스 B. 놀란(James B. Nolan), 아날로그 및 인터페이스 제품 사업부, 선임 기술 엔지니어
PKE(Passive Keyless Entry) 트랜스폰더는 고급 차량에 제공되는 보편적인 사양이며, 일반 차량에도 급속히 보급되고 있다. PKE 트랜스폰더의 이점은 휴대하기만 하면 굳이 트랜스폰더 버튼을 누르지 않아도 사용자의 차 문을 열 수 있다는 것이다. 오너(Owner)가 자신의 차에 다가가면 차량 내 베이스 스테이션 유닛(BSU)이 오너의 트랜스폰더와 자동으로 통신하여, 유효한 트랜스폰더이면 차 문을 열어준다. PKE 트랜스폰더 이용자가 증가함에 따라 이 시스템의 신뢰성이 관심사로 떠오르기 시작했다.
두 유닛간의 통신이 제대로 이루어지지 않으면 이 시스템은 제 기능을 하지 못한다. 대부분의 장애는 트랜스폰더의 약한 입력 신호 레벨에서 기인한다. 배터리 전력 사용과 안테나의 실제 크기 같은 모든 설계 매개변수들을 그대로 유지하면서 어떠한 작동 조건에서도 베이스 스테이션의 명령을 확실히 탐지하게 만드는 것이 PKE 시스템 설계 엔지니어에게 주어진 어려운 과제다. 이 글에서는 최신 스마트 트랜스폰더 디바이스를 이용한 신뢰성 있는 PKE 트랜스폰더 구성 요건들을 알아본다.
PKE 응용을 위한 시스템 요구사항
PKE 시스템은 베이스 스테이션 유닛과 트랜스폰더 유닛으로 구성된다. 그림 1은 전형적인 PKE 시스템의 예를 보여준다. 베이스 스테이션 유닛이 125KHz를 이용하여 명령을 전송하면, PKE 트랜스폰더가 그 명령을 수신하여 장거리일 때는 외부 UHF 트랜스미터를 통해 응답을 보내고, 단거리일 때는 동일한 125KHz로 내부 토크백(Talk Back)을 사용한다. 표 1은 PKE 요구사항과 그 솔루션을 정리한 것이다. 트랜스폰더에 푸시 버튼이 있더라도 버튼 사용은 이차적인 작동 방식일 뿐이며, 굳이 버튼을 누르지 않아도 모든 작동이 다 이루어진다.
입력 감도 요구사항
PKE 트랜스폰더는 양방향 통신을 위해 이중 주파수를 이용한다: 베이스 스테이션 명령에는 125KHz, 응답에는 UHF(315/434MHz)대역을 사용한다. 저전력 트랜스폰더 응용 분야에서 UHF 대역(315/434MHz)을 이용하여 성취할 수 있는 최대 통신 거리는 약 100미터이지만, 저주파수 대역(LF, 125KHz)을 이용하면 몇 미터 밖에 되지 않는다. 따라서 이중 주파수 PKE 트랜스폰더의 통신 범위는 125KHz 베이스 스테이션 명령의 범위로 제한된다. 트랜스폰더 쪽에 125KHz를 사용하는 이유는 트랜스폰더 칩 가격을 저렴한 수준으로 유지하기 위해서다. 트랜스폰더 칩에 125KHz 수신 회로를 구현하는 것이 UHF 수신 회로보다 상대적으로 더 용이하다.
파동 전파(Wave Propagation)의 특성상 125KHz 신호는 거리에 따라(또는 신호 레벨 = ~ r-3) 급격하게 약해진다. 이를테면, 적절히 튜닝 된 LC 루프 안테나는 베이스 스테이션 유닛의 200Vpp 안테나 전압으로부터 약 3미터 떨어진 곳에서 약 5mVpp 밖에 픽업하지 못한다. 그림 2는 거리에 따라 수신된 안테나 전압 변화의 예를 보여준다.
실제 응용 시, 트랜스폰더가 베이스 스테이션 유닛과 약 2미터 떨어진 곳에서 저주파 신호를 탐지하기 위해서는 약 3mVpp의 입력 민감도가 필요하다.
스마트 MCU가 3mVpp 이상의 입력 신호를 탐지할 수 있다고 가정하면, 다음 단계는 MCU를 위한 전압을 포착할 외부 안테나를 설계하는 것이다. 125KHz 신호용 안테나는 LC 병렬 공진 회로로 구성될 수 있다. 트랜스폰더의 LC 공진 회로는 베이스 스테이션 안테나로부터 전송된 자기장이 트랜스폰더 코일 안테나를 통과할 때 전압을 발생시킨다. 특정 거리에서 수신된 코일 전압은 다음과 같이 계산된다.
여기서 f0는 베이스 스테이션 유닛의 반송파 주파수, N은 코일 권선 수, S는 코일의 단면적, Q는 LC 회로의 품질 계수, B0는 자속 밀도(Magnetic Flux Density), cos는 수신 자기장과 수신 안테나 코일의 표면 면적간의 방향각을 뜻한다. LC 회로를 위한 안테나 튜닝 주파수 f0는 다음과 같이 계산된다.
125KHz 안테나의 경우, L은 몇 mH, C는 몇 백 pF 범위에서 설계자가 L 값과 C 값을 선택할 수 있다. LC 공진 회로의 특정한 물리적 제약 때문에, 트랜스폰더의 입력 수신 전압은 (a) LC 회로가 베이스 스테이션 명령의 반송파 주파수로 튜닝 되어 있고(125KHz), (b) 안테나(인덕터, L)의 표면 면적이 수신 자기장의 방향을 향하고 있을 때 극대화된다.
안테나 방향성 문제에 대한 솔루션
저주파 대역(125KHz) 통신은 두 안테나간의 유도 결합에 기반을 두고 있다. 베이스 스테이션과 트랜스폰더 안테나간의 상호 결합은 두 안테나가 서로 마주볼 때 최적이 되고, 직교 배열될 때 가장 약하다. 핸즈프리 PKE 응용 시, 트랜스폰더는 사용자의 주머니에서 어느 방향으로나 놓여 있을 수 있다. 최적의 상호 결합 가능성을 높이기 위해서는 트랜스폰더에 3개의 안테나가 필요하다.
트랜스폰더의 각 안테나는 x, y, z 방향을 향하게 된다. 3개의 직교 배열 안테나를 이용함으로써, 트랜스폰더는 어느 방향에서나 베이스 스테이션 신호를 포착할 수 있다. 그림 3은 안테나 방향성 문제를 시각적으로 보여준다. 안테나의 표면 면적이 자기장의 방향과 수직으로 배열될 때(α = 0) 수신 안테나 전압이 극대화된다.
Wake-Up 필터를 이용한 전력 소모
최소화
RKE와 달리, PKE 트랜스폰더는 입력 신호들을 연속적으로 탐색한다. 가장 중요한 고려 사항 중 하나가 구동 전력 절감이다. 통합 트랜스폰더 MCU는 디지털 및 아날로그 프론트 엔드(AFE) 섹션들을 가지고 있다. 전력 소모를 적절히 관리하기 위해서는 아날로그 섹션이 유효한 입력 신호를 찾는 동안 디지털 섹션을 저전력 모드(또는 비활성 모드)로 유지할 필요가 있다.
유효한 베이스 스테이션 명령이 탐지될 때만 디지털 섹션이 기동한다. 이것은 아날로그 프론트 엔드 섹션에서 특수 기동 필터를 이용함으로써 이루어질 수 있다. 아날로그 검출 회로는 사전 정의된 헤더를 포함하고 있는 입력 신호를 탐지할 때만 출력을 이용할 수 있게 프로그램 된다.
그림 4~그림 6은 입력 신호 파형과 아날로그 프론트 엔드 검출기의 출력 예를 보여준다. 
그림 4는 입력 신호가 PIC16F639 MCU의 아날로그 프론트 엔드 회로에 사전프로그램 된 것과 동일한 헤더를 가지고 있는 경우를 보여준다. 이 아날로그 프론트 엔드 회로는 복조된 데이터를 출력한다. 이 출력의 첫 번째 상승 엣지에 의해 디지털 회로부분이 동작하고 탐지된 데이터를 디코딩 한다. 데이터가 유효하면 트랜스폰더가 외부 UHF 트랜스미터나 내부 LF 토크백 변조기를 통해 베이스 스테이션에 응답을 보낸다.
그림 5는 입력 신호가 사전프로그램 된 헤더의 요건을 충족시키지 않을 때를 보여준다. 이 예에서는 회로가 복조된 데이터를 출력하지 않는다. 따라서 디지털 회로부분은 계속 비활성 상태를 유지할 수 있다. 트랜스폰더는 이런 유형의 입력을 불필요한 것으로 간주하고 무시하며 계속 저전력 모드를 유지한다.
그림 6은 아날로그 프론트 엔드 회로의 기동 필터가 작동 중지된 경우를 보여준다. 여기서는 회로가 신호를 탐지하는 즉시 복조된 출력이 제공된다. 디지털 회로부분은 아날로그 프론트 엔드 회로가 탐지해낸 입력 신호에 반응하여 기동하도록 설계된다. 이 시나리오에서는 MCU의 디지털 회로부분이 쓸모 없는 입력 신호들에 의해 계속 기동하기 때문에 트랜스폰더가 불필요한 전력을 소모한다. 따라서 차량 접근 용도로 PKE 트랜스폰더를 응용할 때는 그림 6의 경우가 권장되지 않는다.
PIC16F639 MCU의 예에서, PKE 트랜스폰더의 기동 필터는 펄스 폭과 첫 펄스 2개의 총 기간을 기반으로 프로그램 될 수 있다. 펄스 폭 타이밍을 다르게 선택함으로써 기동 필터 설정을 다양하게 할 수 있다.
실제 PKE 애플리케이션 분야인 자동차의 경우 문 손잡이에 마이크로터치 스위치가 있다. 이 스위치는 일단 터치되면 베이스 스테이션 유닛을 "온" 상태로 만든다. 그러면 차주의 주머니에 있는 트랜스폰더가 베이스 스테이션 명령에 응답하고, 그 응답이 유효한 경우 베이스 스테이션 유닛이 문을 열어준다. 양방향 통신에 필요한 전체 시간은 약 100분의 1 밀리초에 불과하다.
따라서 지연 시간을 눈치챌 틈도 없이 문이 열린다. 문 손잡이를 터치하지 않으면 베이스 스테이션 유닛이 아무런 명령 신호도 전송하지 않기 때문에, 단순히 차량 옆을 지나가는 것만으로는 베이스 스테이션 유닛 용으로 동일한 기동 필터를 가지고 있는 모든 다른 PKE 트랜스폰더들이 기동하지 않는다. 기동 필터와 짝이 맞는 트랜스폰더의 ID 번호를 이용하는 것도 가능하다. 이 경우 시스템 설계자는 양방향 통신에 소요되는 전체 시간을 고려해야 한다. 양방향 통신 시간을 단축하려면 기동 필터 쪽 시간이 짧을수록 좋다.
아날로그 신호 탐지 과정에서의
전력 절감
아날로그 프론트 엔드 회로의 전류 소모(Current Draw)는 인에이블된(Enabled) 또는 활성화된 채널 수에 따라 다르다. 인에이블된 또는 활성화된 입력 채널이 많을수록 트랜스폰더는 더 많은 전류를 소모한다. 전류 소모를 최소화하기 위해, PKE MCU는 애플리케이션이나 입력 신호 조건에 따라 펌웨어 컨트롤에 의해 각각의 아날로그 입력 채널을 동적으로 인에이블 또는 디스에이블 할 수 있다.
표 2는 인에이블된 채널 수에 따른 PIC16F639 MCU의 대기 전류 및 활성
전류 소모의 예를 보여준다.
결론
핸즈프리 차량 접근용 PKE 트랜스폰더의 핵심 요소는 최소한의 작동 전력으로 입력 신호를 확실히 탐지해내는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해 트랜스폰더는 고입력 감도, 낮은 변조 폭으로 입력 신호를 탐지하는 능력, 여러 방향의 신호를 탐지하는 다수의 입력 채널, 입력 신호와 애플리케이션 조건에 따라 입력 신호를 인에이블 또는 디스에이블 하는 능력, 유효한 입력 신호를 수신할 때까지 트랜스폰더를 저전력 모드로 작동하기 위한 프로그램 가능 기동 필터를 갖추고 있어야 한다. 이러한 기능 세트는 사용자에게 편리한 MCU 펌웨어에 의해 동적으로 컨트롤 되어야 한다. 수동형 차량 접근 제어 응용 분야에서(PKE 트랜스폰더의) 보급을 급속히 확산시키기 위해서는 이러한 인텔리전스 기능들을 지원할 수 있는 저렴한 스마트 마이크로컨트롤러가 필요하다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 10월호>