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자동차 인포테인먼트의 최적화된 전력 관리를 통한 차량 효율 향상

직장 동료들, 소셜 미디어의 친구, 가족, 스마트 가전제품에 이르기까지 일상 생활의 모든 것이 네트워크를 통한 상시 연결성에 점점 더 많이 의존하게 됨에 따라 원활한 연결성에 대한 열망이 자동차 인포테인먼트 시스템의 변화를 주도하고 있다. 애널리스트들의 전망에 따르면 최신의 디지털 라이프스타일에 적합하면서도 스타일리쉬하고 운전자의 주의를 떨어뜨리지 않는 새롭고 개선된 차동차내 기기 수요가 늘어남에 따라 인포테인먼트 시스템 시장은 2020년까지 미화 350억 달러 이상 성장 가능 할 것으로 보인다.

설계의 관점에서 본다면 인포테인먼트 기기는 점점 더 복잡해지고 있다. 간단한 DIN 규격 크기의 라디오/CD 플레이어를 사용하던 시절은 이미 끝났지만 인터넷 접속, 스마트폰 연결, 보조 관성 항법 센싱을 통한 위성 항법, 카메라 피드, 그래픽 터치 스크린, 운전자 이외의 다른 탑승자를 위한 멀티 디스플레이 출력 등 여러 가지 추가 기능들을 하나로 통합 지원하는 기기 안에 여전히 이러한 기존 기능들이 담겨 있어야 한다.

복잡한 시스템 전력 요구사항

이 모든 것들을 충족시키기 위해서는 자동차 대시보드 뒤에 수많은 공학적인 연관관계를 갖고 있는 매우 복잡한 회로 설계가 필요하다. 공간은 매우 한정되어 있지만 반도체 집적을 통해 어느 정도까지 이를 해결할 수 있다. 고성능 프로세서나 FPGA/ASIC, 인터페이스 칩, 디스플레이 컨트롤러, 아날로그 부품 등 다양한 IC를 사용한 결과 저전압 로직 소자의 경우 1.5V ~ 3.3V의 낮은 전압, 레거시 튜너와 CD 회로 소자의 경우 5V, 8V 또는 9V, 콘솔 조명과 같은 기타 회로에 관하여는 10V ~ 12V의 전압이 필요하게 되는 등 다양한 전압에서 수많은 전력 레일이 필요하게 되었다.

지금보다 훨씬 더 낮은 서플라이 전압이 필요했던 과거에는 엔지니어들이 각 레일에 개별 전압 조정기를 사용해 충분한 전력 제어를 보장했었다. 그러나 설계 결정보다 공간적 제약이 더 큰 영향을 미치게 됨에 따라 이러한 접근 방식은 더 이상 사용할 수 없게 되었다.

열도 보다 신중하게 관리되어야 할 사항이다. 이를 위해 필요로 하는 부가적인 부품 및 그에 따른 파워 서플라이는 또 열을 발생시키며 이미 잘 알려진 직사광선으로 인한 열과 엔진에서 발생하는 열은 여전히 강하다. 또한 휴대폰 송신기, Bluetooth®, 레이더 및/또는 LiDAR 장비, 엔진 점화 장치 및 차량 배선의 전기적 빠른 과도 현상 등 수 많은 난관과 여러 가지 노이즈 원인들이 상존하게 된다.

인포테인먼트 시스템의 전력 요구사항이 복잡해짐에 따라 추가되는 부품들에 전력을 공급하게 되고 있다. 또한 사용자들이 보다 경제적인 차량을 요구함에 따라 또 자동차 업계는 전기 자동차를 선호하는 경향으로 전환되고 있으며 이는 차량의 총 에너지 효율이 더 중요해지는 추세이다. 그 결과 배터리 에너지와 주행 거리간 연관성은 최종 사용자에게 아주 중요한 구매 요소로 여겨지게 되었다.

이에 따라 차세대 고기능의 차량 내부 연결용 인포테인먼트 시스템 전력 관리는 이 모든 사항들을 고려해야 한다. 기존의 접근 방식을 간단히 확장해서 여러 개의 전압 조정기 소자를 사용, 각 레일에 전압을 공급할 경우, 그림 1과 같이 수많은 개별 부품들을 포함하는 시스템이 필요해진다. 각 조정기의 외부에 필요한 수동형 부품들은 솔루션 크기를 늘리게 될 뿐 아니라 자재명세서도 늘어나게 된다.

그림 1. 전압 조정기 소자를 사용해 여러 전압 레일을 공급할 경우 부품의 개수와 솔루션의 크기가 모두 증가한다
그림 1. 전압 조정기 소자를 사용해 여러 전압 레일을 공급할 경우 부품의 개수와 솔루션의 크기가 모두 증가한다

통합된 대안책

전력 관리 IC(PCIM) 등을 사용한 보다 고집적의 접근 방식이 필요하지만 설계자들은 주의해야 한다. 최신 인포테인먼트 시스템 요구 사항을 염두에 두고 PMIC를 설계할 경우 불필요한 기능들이 포함되어 솔루션이 과도하게 집적될 수 있다. 이와는 반대로 일부 출력은 시스템 요구 사항에 비해 저평가될 수 있다. 시스템 설계자들은 PMIC에 적합한 정격 전원 레일을 선택해야 하는데 외부에 추가할 부품과 비용을 절약하면서 부가 가치가 있는 기능들을 통합해 필요 시 개별 시스템 요구 사항을 충족할 조정 사항들의 유연성도 제공해야 한다.

이는 자동차 인포테인먼트 분야용으로 응용할 LV56851UV 멀티 출력 시스템 파워 서플라이 IC 설계 시 온세미컨덕터가 채택해 온 접근 방식이다. 칩에는 하이 사이드 스위치뿐 아니라 5개의 선형 조정기(LDO)가 탑재되어 있다. 이 집적 방식은 IC 온도가 140°C를 초과할 경우 경고를 발령하고 175°C 이상일 때 열 차단을 개시해 손상을 효과적으로 방지하는 열 보호 기능을 제공한다. 또한 파워 서플라이의 과전압과 과전류 방지 등 필요한 보호 메커니즘을 단순화시켜주기도 한다.

이 솔루션에는 또한 배터리-전압 탐지 및 부속품(ACC) 파워 서플라이 전압의 모니터링 등 기능이 집적되므로 추가적인 외부 부품들의 숫자를 줄일 수 있다. 외부 증폭기 서플라이(AMP)를 달아 부품들의 총 비용을 줄이는 데 기여한 이 칩은 설계자들이 자동차 전기 시스템의 국제 안전 요구사항을 준수하도록 강제 리셋 기능도 제공한다. 그림 2는 인포테인먼트 시스템 전력 요구 사항과 관련해 그림 1에 제시한 부품 소자들의 설계와 대조되는 LV56851UV의 특징을 설명해주고 있다.

그림 2. 인포테인먼트 시스템 요구를 충족시키기 위해 최적화된 집적 멀티 출력 파워 서플라이 IC
그림 2. 인포테인먼트 시스템 요구를 충족시키기 위해 최적화된 집적 멀티 출력 파워 서플라이 IC

5개의 LDO 는 3.3V ~ 5.5V 및 1.25V ~ 5V 범위에서 작동하는 로직 소자와 프로세서뿐 아니라 10V ~ 12V에서 작동하는 오디오/튜너, CD 회로, 조명에 전원을 공급하도록 설계되었다. 집적된 하이 사이드 스위치는 스마트폰이나 개인용 미디어 플레이어 등의 기기를 차량 내부에서 연결해주는 USB 포트 처리 시 사용할 수 있다.

이 소자의 중요한 특징은 시스템, 오디오, CD 및 조명 출력에 대하여 I2C 프로그램을 사용할 수 있다는 것이다. 이로써 개별 레일의 전원을 필요에 따라 켜거나 사용하지 않아도 되며 출력 전압을 조정할 수도 있다. 설계자는 개별 시스템 요구 사항을 충족시키거나 추가되는 외부 부품들을 바꾸지 않고 신속히 설계를 변경할 수 있는 유연성을 얻게 된다. I2C 명령을 사용하면 하이 사이드 스위치 출력을 활성화 또는 비활성화할 수도 있다.

칩에 더 많은 기능 탑재하기

인쇄회로기판(PCB) 자원을 절약하고 자재 비용을 줄이는 데 도움이 되는 추가 기능으로는 내장된 배터리-전압 탐지 기능이 있는데 이는 3개의 트랜지스터, 2개의 다이오드, 2개의 축전기, 4개의 저항기로 구성되는 전통적인 제너 기반 탐지 회로를 필요하지 않게 해준다. 그림 3a와 3b는 일반적인 소자 회로를 통합된 온보드 탐지 회로 LV56851UV와 비교한 것이다. 탐지의 정확도 또한 ±3%로 향상되었지만 기존의 회로는 제너 다이오드의 일반 공차 때문에 ±5% 이상의 정확도를 갖지 못한다. 각 소자 솔루션에 대한 부족 전압 및 과전압 탐지 임계값은 대개 온도에 많이 의존하지만 이와는 대조적으로 통합 탐지기 회로는 매우 안정적인 온도 특성을 가진다.

그림 3a 및 3b. 부품의 개수와 PCB 면적을 줄여주는 배터리-전압 탐지 집적 설계
그림 3a 및 3b. 부품의 개수와 PCB 면적을 줄여주는 배터리-전압 탐지 집적 설계

LV56851UV에 내장된 ACC 부족 전압 탐지 기능은 배터리가 너무 장시간 부속품을 가동해야 할 경우 부속품에 과도한 저전압이 공급되지 않도록 차량을 보호한다. 제너 다이오드, 트랜지스터, 축전기, 5개의 저항기를 포함한 8개의 개별 소자들은 칩 상의 이 회로 내에 통합되어 줄어든다. 내장된 리셋 회로도 온도의 안정성과 탐지의 정확성을 향상시킨다. I2C 버스 연결은 배터리 전압과 ACC 전압뿐 아니라 다른 진단 정보를 메인 시스템 컨트롤러에 보고하는 채널을 제공한다.

컴팩트한 HZIP15 패키지는 15핀 폼 팩터 안에 보강된 기능들을 제공한다. 전압 조정기 출력의 출력 전류 정격은 DC 출력의 1500mA 출력 정격 등 연결된 회로의 요구 사항에 맞게 맞춤화되는데 I2C 명령에 의해 5V ~ 8V 사이로 설정될 수 있다. IC는 대기 전류가 매우 낮으며 대기 시 단지 60µA만 소모한다.

개별 전압 조정기 배열 또는 “그동안 최적으로 여겨지던” PMIC 대신 집적 시스템 파워 서플라이 IC를 최근의 인포테인먼트 시스템 요구 사항에 맞도록 사용하면 기판의 크기를 마음대로 조정하게 되어 자재 비용을 줄이고 에너지 효율을 극대화하는 게 가능하다. 그뿐 아니라 열 위협으로부터의 보호 기능 이외에도 설계의 간소화, 무게 감소 등을 통해 인포테인먼트 시스템이 차량의 연비에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

결론

자동차 인포테인먼트는 운전자와 승객에게 더 탁월한 체험을 제공하도록 고안된 보다 정교한 시스템을 지향한다. 사용의 편의성과 연결성을 높이려면 추가 기능이 요구되지만 부품과 회로의 개수는 최소 한으로 유지하는 것이 중요하다. 반도체 집적도를 높이면 이러한 문제를 전력관리 서브 시스템 통합 등의 방향으로 개선할 수 있다. 차세대 멀티 출력 시스템 파워 서플라이 IC는 공간 및 에너지 효율 향상에 최적의 솔루션 임이 확실하다고 하겠다.

[저자. 히로토다 혼마 (Hirotoda Honma), 애플리케이션 엔지니어, 온세미컨덕터]






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