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[칼럼] 자동차 전장 기기에 필수적인 ESD 방지 기능

[글_ 제레미 코레알(Jeremy Correale), 온세미컨덕터(www.onsemi.com)]
나는 하루 일과를 공식적으로 시작하기 전에, 이메일을 훑어보면서 견적, 샘플, 프로젝트 또는 다른 요청 사항들을 먼저 파악한다. 나에게는 “HELP”나 “ESD”라는 단어가 포함된 요청들이 언제나 다른 것보다 눈에 띈다. 이런 특정한 요청은 대체로 제조업체들의 설계 시도 단계에서 오지만 ESD 방지 솔루션 제공 업체에게는 대수롭지 않은 케이스이므로 웃을 수 밖에 없다.

정전기 방전(ESD)는 사람처럼 전기적으로 단락 된 물체가 접지된 금속 물체와 접촉하면서 마찰로 인해 전기적으로 충전되어 갑자기 방전될 때 발생한다. 정전기 잠재력은 30kV까지 도달하기도 하는데 결과적으로 방전은 보통은 100ns 정도로 매우 짧지만 피크 전류는 100A까지 올라갈 수 있다.

사람들은 집에서 걸어 다니거나 문 손잡이를 만지거나 계속해서 충격을 받으면서 정전기를 발생시키는 형태의 ESD를 경험한다. 이로 인해 아주 짧은 순간 상처를 주기도 하지만 공기를 통해 에너지를 끊는 약간의 푸른 불꽃은 과학적으로 보자면 “꽤 멋지다”. 그러나, 당신이 자동차에서 나와 휘발유를 주유하기 위해 자동차 차체에 기댔을 때 이런 일이 발생했다고 상상해보자.

자동차에서 승하차를 할 때는 네비게이션이나 자동차 내 시스템의 전력을 주는 전기를 돌아오게 하는 부분에 충격을 줄 수 있다. 이러한 충격이 사람을 다치게하지는 않지만, 그것보다 더 작은 펄스도 이러한 시스템에서 민감한 전자 장치를 손상시켜 쓸모 없게 만들 수도 있는데, 이러한 일은 절대 “멋지지 않다”.

fig1. Transmission Ling Pulse(TLP) Test
fig1. Transmission Ling Pulse(TLP) Test

 

예를 들어, GPS 또는 글로벌 위치 확인 위성 서브-시스템은 차의 위치를 공유하면서 확실한 지리적 정보를 특정 지도 및 지원 시스템에 접근시켜 준다. 이것은 일반적으로 차량 외부에서 흔히 볼 수 있는 “ shark-fin” 모듈과 GPS 트랜시버 회로 안에 있는 안테나에 의해 이뤄진다. 시스템을 구현해보면 이 트랜시버 회로는 최근의 자동차 업계에서 무엇보다 중요한 역할을 하는 텔레매틱 박스 내부에 위치하고 있음을 보게 된다. 더 많은 커넥티드 자동차들이 시장에 진입하면서, 4G 셀룰러 서비스, WiFi, GPS 및 V2x (차량 대 차량 및 인프라 통신)과 같은 기능들이 모두 탤레매틱 박스에 구현된다.

GPS 트랜시버 회로의 공통적인 구성 요소는 집적 회로 (IC) 칩과 발룬과 같은 관련 RF 프론트 엔드 개별 부품 및 표면 실장 캐패시터 및 레지스터이다. 트랜시버 IC는 더욱 강력해지고, 더 많은 기능을 통합하며, 더 낮은 실리콘 공정 구조를 활용해서 물리적인 크기를 줄인다.

마지막 핵심 포인트는 ESD에 대항하여 버틸 수 있는 수준이다. 업계 동향이 점점 더 제조 공정을 줄이는 쪽으로 변화함에 따라 칩셋이 ESD에 더욱 민감해지고 있다. 이에 따라 ESD에 대항하여 버틸 수 있는 수준이 전체적으로 낮아지는 추세이다.

앞서 언급한 이메일의 ESD 실패로 돌아가보자. 곧 출시 될 텔레매틱스 기기가 새로운 GPS 트랜시버 IC로 변경했는데 ISO 10605 자동차 시스템 ESD 사양의 8kV 레벨을 통과하지 못했다. 이 제품이 통과할 수 있었던 가장 높은 수준은 4kV에 불과했는데 이는 곧 OEM 자동차 제조업체로서는 잠재적 작동 실패에 대한 책임을 요구하게 된다.

이러한 진단은 회로와 PCB 레이아웃 검토에서 시작되고 이 단계에서 문제가 없었다면 그 다음 단계는 실제적인 모듈 평가이다. 온세미컨덕터는 트랜스미션 라인 펄스 (TLP)라는 테스트 방식을 선호하는데 이는 ESD 펄스의 상승 시간, 펄스 길이 및 총 에너지를 복제하는 방식이다. 임피던스 불일치가 커지는 ESD 총을 이용해 방전시키는 방식 대신 TLP는 깨끗한 50ohm 환경에서 방전하면서 테스트 중인 소자의 클램핑 전압을 보여준다.

트랜스미션 라인 펄스 (TLP) 테스트
특정 모듈에 대한 TLP 테스트를 수행하면, 새로운 GPS 트랜시버의 내부 ESD 클램핑 구조가 매우 낮은 턴온 및 후속 클램핑 전압을 갖는 것이 명확해진다. 대부분의 소자가 7에서 10V의 항복 전압을 갖는 일반적인 제너 다이오드 구조를 사용하므로 외부의 저 기생 용량 ESD 방지 소자로 보호하기가 더욱 어려워진다.

이 소자는 이 전압에서 작동을 시작해 펄스를 통해 이 레벨에서 트랜션트를 고정함으로써 과도한 전류의 대부분이 GPS 내부 ESD 구조로 흐르게 해 8kV 펄스의 높은 에너지를 견딜 수 없게 한다. 외부 ESD 방지 소자를 갖춘 몇 개의 새로운 보드를 테스트한 결과 모든 보드가 (더) 높은 전압 제너 타입 구조였으므로 ESD는 더 이상 버틸 수 있는 수준을 넘어서지 못했음을 알 수 있었다.

fig2. SZESD9101 Protection
fig2. SZESD9101 Protection

 

빠른 턴-온 통합 SCR ESD 클램핑 구조의 온세미컨덕터 ESD9000 시리즈를 사용한 최신 SZESD9101P2T5G ESD 방지 소자를 입력해보았다. 그 결과 예전의 제너 구조와는 다르게 SCR 구조는 같은 7V 레벨에서 켜지지만 3나노 초 이내에 2에서 3V의 매우 낮은 클램핑 전압으로 신속하게 복귀함을 알 수 있었다.

이로 인해 ESD 펄스의 과도 전류는 흩어져서 GPS 트랜시버 IC를 지속적으로 손상시키는 대신 적절하게 분로된다. 새로운 모듈상의 소자를 빠르게 납땜한 후 ESD 테스트를 해보면 SZESD9101은 필수 8kV 에서 버틸 수 있는 수준을 넘어서서 GPS를 성공적으로 보호하는 것과 같은 우수한 결과를 산출한다.

이 ESD 방지 소자를 이용한 TLP 결과와 8kV 통과 결과가 상위 관리자에게 전달되면, 잠재적인 현장 실패를 막을 수 있도록 스위치를 전환하는 게 가능해 진다. 이는 업계를 선도하는 ESD 방지 기술이지만 그래도 ESD 전문가들은 문제를 해결하고 이러한 이슈를 해결하기 위해 여전히 심도 깊은 분석을 제공해야 한다.

나는 이러한 방법으로 업계 전문가들이 차별화된 기술을 사용해 어려운 문제를 해결하고 궁극적으로는 도로에서의 차량 안전을 지켜줄 수 있다고 믿는다. 그래서 많은 이메일을 읽는 것으로부터 하루를 시작하면서 어딘가에는 자동차 회로에서 심각한 ESD 실패를 경험하고 있는 누군가가 있음을 기억하며 이 문제를 해결해주어야 함을 다짐한다. 한 번에 한 개의 모듈씩!

[글_ 제레미 코레알(Jeremy Correale), 온세미컨덕터(www.onsemi.com)]






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