자동차 계기판은 잡음과 온도에 민감한 기능들로 가득 차 있어서 IC 설계를 더욱 어렵게 만든다. 배터리 전압의 급격한 변화는 또 다른 난제다. 시스템 설계자는 수많은 디스크리트 전력 IC 부품이나 과도하게 통합된 기존의 대형 PMIC를, 단일의 다중 출력 8채널 벅 IC인 LTC3375로 대체한다면 작고 간단한 솔루션으로 핵심적인 전력관리 기능을 시스템에 통합하면서 새로운 차원의 성능을 구현할 수 있다.

최근의 자동차 대시보드 내부는 라디오, 블루투스, GPS, 휴대전화 기반 네트워크 연결과 같은 수많은 잡음원과 온도에 민감한 기능들로 가득 차 있다. 따라서 이와 같은 환경에 사용되는 모든 회로는 전원을 포함해 과도한 발열이나 EMI가 생성되지 않도록 하는 것이 매우 중요하다.

더욱이 배터리 전압의 급격한 변화는 시스템을 현저히 불안정하게 만들 수 있다. 그러나 이러한 까다로운 과제에도 카 인포테인먼트 시스템의 인기는 가히 폭발적이다. 오늘날의 기술 발전은 위성 라디오, 터치스크린, 내비게이션 시스템, 블루투스, HDTV, 내장 휴대전화, 미디어 플레이어, 비디오 게임 시스템 등에서 보듯이 운전 경험을 향상시켜왔다. 전 세계에서 매년 5,000만 대 이상의 자동차가 생산되고 있는 가운데 새로 출하되는 이들 차량의 대부분은 어떤 종류이든 인포테인먼트 시스템을 탑재하고 있다.

전원장치의 관점에서 기본 인포테인먼트 콘솔은 전체 전류가 수 암페어인 여러 개의 저전압 전원 레일을 필요로 하며, 프리미엄 콘솔의 경우에는 더 많은 전원 레일을 요구할 수 있다. 전통적으로 이러한 전압 레일과 전류 레벨은 다수의 디스크리트 전력 레귤레이터 IC나 과도하게 통합된 대형 전력관리 ICs(PMICs)에 의해 전력을 공급받았다.

그러나 이러한 대형 PMIC는 종종 필요한 수준보다 더 많은 레일과 보조 기능을 포함하며 대형 회로 풋프린트를 필요로 하고 일부 레일은 항상 충분한 전력을 공급받지 못한다. 그 결과 구성 가능한 수의 레일에 적절한 전력을 공급하면서 소형 풋프린트 솔루션을 제공할 수 있는 다중 출력 IC가 필요하게 되었다.

인포테인먼트 전력 시스템 설계 과제
자동차 애플리케이션을 위한 전자 시스템 설계는 많은 점에서 까다로운 과제이다. 공간은 매우 제한되고 동작 온도 범위는 넓어야 하며 잡음을 최소화해야 할 뿐만 아니라 배터리 과도 상태를 견뎌야 한다. 게다가 품질 수준이 높아야 한다. 풋프린트를 줄이기 위한 매우 높은 통합 수준은 이번에는 다시 전력 효율적인 부품의 필요로 이어진다.

많은 경우 방사 잡음(radiated emission) 및 전도 잡음(conducted emission), 방사 및 전도 내성 또는 민감성, 정전기 방전(ESD)을 다루는 엄격한 전자기 적합성(EMC) 요구사항을 준수해야 한다. 이러한 요구사항을 모두 준수한다는 것은 통상 여러 개의 채널을 갖게 되는 IC 설계의 많은 성능 측면에 영향을 미친다.

어떤 요구는 DC-DC 스위칭 레귤레이터가 AM 라디오 대역 외부의 고정 주파수에서 동작해야 한다는 것과 같이 간단하지만, 또 어떤 요구는 DC-DC 컨버터의 스위칭으로 인한 방사 잡음을 최소화하기 위해 내부 전력 FET의 슬루율을 조정하는 문제와 같이 해결하기가 까다롭다.

개발 사이클이 진행 중일 때 “끊임없는 기능 추가”나 입/출력 전압, 출력 전류와 같은 제품 규격의 변경은 IC와 관련된 디스크리트 부품의 선택에 큰 혼란을 초래할 수 있다. 보드 레이아웃이 설정된 후 시스템 규격을 변경해야 하는 경우 최상의 시나리오에서는 가변 출력 컨버터에서 몇 개의 저항을 교체하여 전압을 조정하는 정도로 끝날 수 있다.

최악의 경우에는 새로운 출력 전류 레벨 요구사항이 현재 부품의 스위치 전류 정격을 초과한다면 많은 IC를 핀 호환이 되지 않는 IC로 교체해야 하며, 이에 따라 보드의 재설계와 재배치에 따른 비용이 증가하고 설계 지연이 발생한다. 따라서 시스템의 모든 성능 이점을 실현하고 이와 같은 피할 수 없는 블록 시스템 변경에 대한 유연성을 허용하기 위해서는 고도로 전문화된 고성능의 구성 가능한 전력관리 IC로 전력 블록을 적절히 관리해야 할 필요가 있다. 그러나 현재까지 이러한 문제를 해결해주는 단일 전력관리 IC는 나오지 않았다.

간단한 해법
지금까지 기존에 나와 있는 많은 다중 출력 PMIC는 이러한 최근의 시스템을 다루는 데 필요한 유연성이 없다. 위에서 언급한 자동차 전력관리 IC 설계 제약을 해결할 수 있는 솔루션은 중간 범위 전류 벅 스위칭 레귤레이터를 포함한 높은 통합 수준과 저전압 기능, 넓은 동작 온도 범위, 높은 수준의 유연성을 모두 결합하는 것이어야 한다. 필요한 것은 이러한 모든 문제를 단일 소자로 해결하면서 높은 수준의 통합과 구성 가능성을 제공하는 동시에 다양한 애플리케이션 요구를 만족하는 다중 채널의 구성 가능한 DC/DC 컨버터이다.

유연한 8채널 벅 레귤레이터
LTC3375는 다중 저전압 전원을 필요로 하는 시스템을 위한 고집적 범용 전력관리 솔루션이다. 이 소자는 초소형 QFN 패키지에 8개의 독립적인 1 A 채널과 I2C 제어, 유연한 시퀀싱 및 오류 모니터링을 제공한다. LTC3375는 8개의 내부 보상 고효율 동기식 스텝다운 레귤레이터와 고전압 상시 접속(always-ON) 선형 컨트롤러를 포함한다.

벅 레귤레이터는 각각 자체의 독립적인 2.25~ 5.5 V 입력 전원과 0.425 V ~ VIN의 출력 전압 범위를 지원한다. 소자의 푸시버튼 ON/OFF/RESET 제어, 파워온 리셋 및 워치독 타이머는 유연하고 신뢰할 수 있는 파워업 시퀀싱과 시스템 모니터링을 제공한다. LTC3375는 2 MHz 디폴트 스위칭 주파수로 프로그래밍 가능하고 동기화할 수 있는 1~3 MHz 발진기를 내장하고 있다.

무부하 전류는 모든 DC/DC를 오프 했을 때 11 μA에 불과하므로 상시 동작 시스템의 전력을 절감한다. LTC3375는 산업용, 자동차 및 통신 시스템을 포함하여 다양한 종류의 다중 채널 애플리케이션에 이상적이다.

LTC3375의 8개 벅 컨버터를 독립적으로 또는 병렬로 연결하여 사용하면 공유된 단일 인덕터에서 출력당 최대 4 A의 높은 출력 전류를 달성할 수 있다. 최대 4개의 인접한 레귤레이터를 결합할 수 있기 때문에 15가지의 각기 다른 출력 구성이 가능하다. 레귤레이터는 두 가지 동작 모드를 제공한다.

즉, 낮은 부하에서 높은 효율을 위한 버스트 모드(Burst Mode) 동작(파워업 디폴트 모드)과 낮은 부하에서 낮은 잡음을 위한 강제 연속 PWM 모드이다. I2C 인터페이스를 사용하여 동작 모드, 위상, 피드백 레귤레이션 전압 및 스위치 슬루율을 선택할 수 있다. 벅 모드는 순방향 및 역방향 전류 제한, 스타트업 시 돌입전류를 제한하는 소프트스타트, 단락회로 보호, 낮은 EMI 방사를 위한 슬루율 제어를 제공한다.

기타 기능으로는 내부 다이 온도를 나타내는 다이 온도 모니터 출력(I2C를 통해 읽기 가능), 다이 온도가 프로그래밍된 알람 임계값에 도달하면 사용자에게 이를 알려줌으로써 시스템에서 교정 조치를 취할 수 있게 하는 다이 온도(DT) 경고 기능이 있다. LTC3375는 열 강화, 로우 프로파일(0.75 mm) 48핀 7×7mm 노출형 패드 QFN 패키지로 제공된다. LTC3375는 또한 -40~+150℃의 접합부 온도 정격을 갖는 고온(H-Grade) 옵션을 제공하므로 고온의 자동차 동작 요건을 쉽게 만족한다.

방사 및 전도 방출 억제
LTC3375 PWM 스위칭 주파수는 특별히 2 MHz로 트리밍 되며 400 kΩ RT 저항으로 1.8~2.2 MHz의 보장된 범위를 갖는다. RT 저항을 사용하여 1~3 MHz 사이의 모든 동작 주파수를 프로그래밍할 수 있다. 레귤레이터는 강제 연속 PWM 동작 모드로 설정할 수 있으며, 이렇게 하면 낮은 부하에서도 버스트 모드로 작동하는 것을 방지할 수 있다.

이것은 주파수를 고정으로 유지할 뿐만 아니라 DC-DC 출력 커패시터의 전압 리플을 감소시킨다. 더욱이 LTC3375는 SYNC 핀을 통해 1~3 MHz 범위의 외부 클록과 동기화하여 시스템 잡음을 추가로 줄일 수 있다.

LTC3375는 사용자가 특별히 방사 잡음을 감소시키기 위해 스위칭 에지 속도를 저하시킬 수 있는 특수한 기능을 포함하고 있다. LTC3375는 또한 소스 억제를 위한 일부 추가적인 툴을 제공한다. 벅 레귤레이터에 있는 스위치의 슬루율은 I2C를 통해 조정할 수 있다.

벅 레귤레이터는 동기 방식이므로 상승과 하강 시간이 모두 증가된다. 그림 2와 3은 최대 속도와 감속된 속도에서 각각 상승 및 하강 시간을 표시한 스위칭 그래프를 보여준다. 그림 3은 감속된 속도의 상승 및 하강 시간을 표시한 스위칭 그래프이다.

심각한 전압 이탈 내성
자동차 전자장치의 또 하나의 까다로운 과제는 콜드 크랭크 시 약 5 V까지 갑작스런 전압 하강 또는 고전압 스파이크로부터 발생하는 배터리 전압의 급격한 변화이다. 자동차 전자장치는 이러한 열악한 전압 변화에서 살아남아야 할 뿐 아니라 동작을 지속해야 한다.

LTC3375는 푸시버튼 컨트롤러와 외부 고전압 벅을 작동시키는 데 사용할 수 있는 외부 pass-FET 레귤레이터를 포함하고 있어 LTC3375에 조정된 안전한 전압을 공급한다. 그림 4는 고전압 과도 상태 시 IC의 조정된 출력 전압 성능을 자세히 보여준다. 

AEM_Automotive Electronics Magazine