자동차는 안전, 편의성, 효율 및 성능을 향상시키고 유해한 배기가스 방출을 최소화하기 위해 갈수록 더욱 많은 전자 시스템을 추가하면서 물리적으로는 더 작은 전력 솔루션에 훨씬 더 높은 전력 레벨을 요구하고 있다. 또한 자동차 내에 EMI에 더 민감한 시스템이 늘어나면서 전원 스위칭에서 발생하는 EMI 방사를 줄이는 일이 매우 중요해졌다.

이는 스위칭 레귤레이터 IC 설계 과제를 더욱 까다롭게 만든다. 미국의 시장조사기관 스트래티지 애널리틱스(Strategy Analytics)에 따르면 이를 구현하는 반도체 소자에 대한 수요가 다음 7년에 걸쳐 연평균 5% 성장률을 기록해, 전체 시장 규모가 2014년 289억 달러에서 2021년에는 410억 달러를 넘어설 전망이다. 스트래티지 애널리틱스는 마이크로컨트롤러와 전력 반도체에 대한 수요가 매출의 40% 이상을 창출할 것으로 분석했다.

스트래티지 애널리틱스는 양적 설명으로 자동차에 들어가는 전자장치의 성장을 예측하고 있지만, 보다 흥미를 끄는 것은 이러한 성장에서 전력 IC가 담당하는 핵심적인 역할이다. 이와 같은 새로운 전력 IC 설계는 다음의 특성들을 제공해야 한다.

1) 36 V를 넘는 과도 전압 처리를 포함해 넓은 범위의 전압에 걸쳐 안정된 성능을 보장해야 한다.
2) 전자기간섭(EMI) 방사가 극히 낮아야 한다.
3) 가능한 최고 효율로 열 문제를 최소화하고 배터리 가동시간을 최적화해야 한다.
4) 최소형 솔루션 풋프린트를 구현해야 한다. 스위칭 잡음을 AM 라디오 대역에서 제거하면서 솔루션 풋프린트를 매우 작게 유지하기 위해서는 매우 높은 전력 밀도와 2 MHz 이상의 스위칭 주파수가 요구된다.
5) 엔진(교류 발전기)이 시동 중이 아닐 때 보안, 환경 제어 및 인포테인먼트 시스템과 같은 상시 동작 시스템이 자동차 배터리를 소모하지 않으면서 작동 상태를 유지하기 위해 정지 전류는 극히 낮아야 한다(＜10 μA).

전력 IC의 증가된 성능 레벨의 목표는 점점 더 복잡해지고 많아지는 전자 시스템의 설계를 구현하는 데 있다. 이러한 성장을 이끄는 애플리케이션들은 자동차의 모든 곳에 있다. 예를 들면 차선 모니터링, 적응형 안전 제어, 자동 회전 및 디밍 헤드라이트를 포함한 새로운 안전 시스템이나 끊임없이 발전하면서 더욱 많은 기능을 조밀한 공간에 추가하고 갈수록 늘어나는 클라우드 애플리케이션을 지원해야 하는 인포테인먼트 시스템(텔레메틱스), 스톱/스타트 시스템과 전자장치로 채워진 트랜스미션 및 엔진 제어를 갖춘 첨단 엔진 관리 시스템이 있다.

그리고 성능과 안전, 편의성 향상을 동시에 추구하는 드라이브 트레인과 섀시 관리 등이다. 십여 년 전만 해도 이러한 시스템은 고급형 차량에만 사용됐지만 지금은 전 차종의 차량에 들어가면서 자동차 전력 IC 성장을 더욱 가속화한다.
그림 1은 오늘날의 차량에 주로 탑재되는 다양한 종류의 전자 시스템을 보여준다.

자동차 시스템의 과도 전압

자동차의 배터리 버스 전압은 통상 12 V이지만, 교류 발전기가 충전 중일 때는 9~16 V 사이에서 변동한다. 더욱이 납산 배터리 전압은 일시적 조건 동안 크게 변동할 수 있다. 콜드 크랭크 및 스톱/스타트의 경우에는 배터리 전압이 3.5 V까지 내려갈 수 있으며, 반면 부하 덤프는 배터리 버스 전압을 36 V까지 높일 수 있다. 따라서 전력 IC는 입력 전압의 넓은 변동폭에 걸쳐 출력을 정확하게 조절할 수 있어야 한다.

그림 2는 단일 셀 납산 배터리에서 콜드 크랭크 및 스톱/스타트와 부하 덤프 시 넓은 일시적 전압 스윙을 보여준다. 적합한 전력 IC(이 경우 LT8640)는 두 경우 모두 3.3 V 출력을 정확히 조절한다.



낮은 EMI 동작

자동차의 전기적 환경은 본질적으로 잡음이 존재하는데다 많은 애플리케이션은 전자기간섭(EMI)에 민감하기 때문에 스위칭 레귤레이터는 EMI 문제를 악화시키지 않아야 한다. 스위칭 레귤레이터는 보통 입력 전력 버스 라인에서 가장 우선적인 능동 부품이기 때문에 다운스트림 컨버터와 관계없이 전체 컨버터의 EMO 성능에 많은 영향을 미친다. 따라서 EMI 최소화가 필수적으로 요구된다.

전통적으로, 솔루션은 EMI 차폐 박스를 이용하는 것이었지만, 이 방법은 솔루션 풋프린트에 적지 않은 비용과 크기를 추가하고 열 관리와 테스트, 제조 용이성을 복잡하게 한다. 전력 관리 IC 내의 또 다른 가능한 솔루션은 내부 MOSFET의 스위칭 에지 속도를 낮추는 것이다. 그러나 이것은 효율을 떨어뜨리고 최소 온-시간을 증가시키는 바람직하지 못한 영향을 미쳐 2 MHz 이상 스위칭 주파수에서 낮은 듀티 사이클을 제공하는 IC 성능을 떨어뜨린다.

고효율과 소형 솔루션 풋프린트를 둘 다 구현하는 것은 바람직하지만, 이는 실행 가능한 솔루션이 아니다. 다행히 빠른 스위칭 주파수, 매우 높은 효율, 낮은 최소 온-시간을 동시에 구현하는 일부 고유 IC 설계가 등장하고 있다. 이러한 설계는 일반적으로 최대 20 dB 더 낮은 EMI 방사를 제공하고, 2 MHz 스위칭 주파수와 95% 효율을 제공한다. 또 일부는 확산 스펙트럼 기능을 이용해 EMI 방사를 10 dB 더 낮출 수 있다. 이러한 효과는 추가적인 부품이나 차폐를 사용하지 않고 달성되는 것으로, 스위칭 레귤레이터 설계에서 의미 있는 혁신을 제공한다.

고효율 동작

자동차 애플리케이션의 전력관리 IC는 두 가지 이유에서 높은 효율로 동작해야 한다. 첫째, 전력 변환이 효율적일수록 열의 형태로 낭비되는 에너지가 줄어든다. 열은 어떠한 전자 시스템이든 장기적인 신뢰성을 유지하는 데 있어서 적이므로 열을 효율적으로 관리해야 한다. 그러기 위해서는 통상적으로 히트 싱크를 필요로 하므로 전체 솔루션에 복잡성, 크기, 비용을 추가한다.

둘째, 하이브리드 카나 전기차에서 전기 에너지를 낭비한다는 것은 그만큼 동일한 에너지로 주행할 수 있는 거리가 짧아진다는 것을 의미한다. 최근까지만 해도 고전압 모놀리식 전력관리 IC와 고효율 동기식 정류 설계는 양립할 수 없었다.

IC 공정이 이 두 가지 목적을 모두 다 충족하지 못하기 때문이었다. 전통적으로 효율이 가장 우수한 솔루션은 동기 정류에 외부 MOSFET을 이용하는 고전압 컨트롤러였다. 하지만 이러한 구성은 25 W 미만의 애플리케이션을 위해서는 모놀리식 솔루션과 비교했을 때 비교적 복잡하고 크기가 큰 편이다. 다행히도 내부 동기식 정류를 통해 높은 전압과 높은 효율을 모두 제공하는 새로운 전력관리 IC 제품들이 시장에 등장하고 있다.

더 작은 전력 변환 회로

전력 변환 회로를 더 작게 만드는 몇 가지 방법이 존재한다. 일반적으로 회로에서 가장 큰 부품은 전력 IC가 아니라 외부 인덕터와 커패시터이다. IC의 스위칭 주파수를 400 kHz에서 2 MHz로 증가시키면 이들 외부 부품의 크기를 극적으로 줄일 수 있다(솔루션 풋프린트 크기가 약 4배 더 작아진다).

그러나 이를 효과적으로 수행하려면 전력 IC는 더 높은 주파수에서 높은 효율을 제공해야 하는데, 이는 전통적으로 실행 가능한 방법이 아니었다. 그러나 최신 공정과 설계 기법을 이용해 95% 이상 효율을 제공하면서 2 MHz에서 스위칭하는 동기식 전력 IC가 개발됐다. 고효율 동작은 전력 손실을 최소화하므로 히트 싱크의 필요를 없애줄 뿐 아니라 AM 주파수 대역에서 스위칭 잡음을 제거하는 이점을 추가한다.

“상시동작(Always-On)”시스템은
극히 낮은 공급 전류 요구

많은 전자 서브시스템이 “대기” 모드 또는 “keep alive” 모드로 동작해야 하며, 이 모드일 때는 잘 조정된 전압으로 정지 전류 소모를 최소화해야 한다. 대부분의 내비게이션, 안전, 보안, 엔진 관리 전자 시스템에 이러한 회로들이 이용되고 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 각각의 서브시스템이 여러 개의 마이크로프로세서 및 마이크로컨트롤러를 이용할 수 있다.

고급형 차종에는 150개 이상의 이와 같은 DSP가 사용되며, 이 중에서 약 20%가 “상시” 동작을 필요로 한다. 이러한 시스템에서는 전력변환 IC가 두 가지 모드로 동작해야 한다. 첫째, 자동차가 주행 중일 때는 이러한 DSP를 구동하는 전원장치가 통상적으로 배터리 및 충전 시스템이 공급하는 최대 전류로 동작한다. 하지만 자동차 시동이 꺼져 있을 때는 이러한 시스템의 마이크로프로세서가 계속해서 동작해야 하므로 이들 시스템에 이용되는 전력 IC들이 지속적인 전압을 공급해야 하고, 그러면서도 배터리로부터 소모되는 전류를 최소화해야 한다.

30개 이상의 이와 같은 “상시동작” 프로세서들이 한꺼번에 동작할 수 있으므로 시동이 꺼져 있는 동안에라도 배터리에 상당한 전력을 요구한다. 이와 같은 “상시동작” 프로세서들을 구동하기 위해서 전체적으로 수백 밀리암페어(mA)의 공급 전류가 필요할 수 있고, 이 정도면 수일 이내에 배터리를 완전히 고갈시킬 수 있다.

전자 시스템의 크기나 복잡성을 증가시키지 않으면서 배터리 수명을 유지하기 위해서는 이와 같은 전력 IC의 정지 전류를 크게 낮춰야 한다. 최근까지만 해도 높은 입력 전압 특성과 낮은 정지 전류는 DC/DC 컨버터로 달성하기에 상충되는 파라미터들이었다. 약 십여 년 전에 몇몇 자동차 제조업체들은 각각의 상시동작 DC/DC 컨버터에 대해서 100 uA 미만의 낮은 정지 전류 목표를 설정했지만, 오늘날에는 10 uA 미만이 요구된다. 다행히, 대기 모드에서 2.5 μA 미만의 정지 전류를 제공하는 새로운 세대의 전력 IC가 나와 있다. 

새로운 대안

최근까지만 해도 전력 IC 선택을 통해 효율 요구를 만족하면서 EMI를 억제할 수 있도록 보장하는 확실한 방법은 없었다. 그러나 LT8640 Silent Switcher 레귤레이터는 이를 가능하게 한다. LT8640는 Silent Switcher 고전압 동기 벅 레귤레이터 제품군의 두 번째 제품이다. LT8640는 5 A(연속 전류, 7 A 피크), 42 V 입력이 가능한 동기식 스텝다운 스위칭 레귤레이터이다.

그림 3에서 보듯이 EMI 방사는 10~30 dB 수준으로, 자동차CISPER 25, Class 5 피크 제한보다 낮다. 이는 확산 스펙트럼을 사용하지 않은 경우이며, 확산 스펙트럼을 적용할 경우 대부분의 주요 자동차 주파수 대역에서 레벨을 5~10 dB 더 낮춘다. 이러한 결합은 현재의 첨단 스위칭 레귤레이터와 비교했을 때 EMI 방사를 25 dB 이상 낮춘다. 다음 그래프에서 LT8640은 4 A 부하 전류로 2 MHz에서 스위칭하며 외부 EMI 차폐를 필요로 하지 않는다.

LT8640의 회로도는 그림 4에 나와 있다. 동기식 정류는 모든 외부 다이오드의 필요를 없애주므로 효율을 향상시키고 솔루션 풋프린트를 간소화한다. 이 특정 회로도는 1 MHz 스위칭 주파수에서 스위칭하며 3.3 μH 인덕터를 이용하고 96% 효율을 제공한다. 그러나 그림 5에서 보듯이 LT8640을 2 MHz에서 실행하면 AM 라디오 대역에서 모든 간섭 문제를 피할 수 있으므로 더 작은 2.2 μH 인덕터를 사용할 수 있으며 여전히 95% 효율을 제공한다.  LT8640은 스위칭 손실을 최소화하는 고유 설계를 사용하므로 2 MHz 이상의 스위칭 주파수에서 이러한 높은 효율을 제공할 수 있다.

LT8640은 3.4~42 V의 입력 전압 범위를 허용하므로 자동차 및 산업 애플리케이션에 매우 적합하다. 내부 고효율 스위치는 최대 5 A의 연속 출력 전류와 7 A의 피크 부하를 0.97 V의 낮은 전압에 제공한다. LT8640의 Burst Mode 동작은 정지 전류를 불과 2.5 μA로 낮추므로 동작 배터리 수명을 연장해야 하는 자동차 상시 동작 시스템과 같은 애플리케이션에 이용하기에 적합하다.

LT8640의 고유 설계는 모든 조건에서 단 100 mV(@1 A)의 최소 전압 강하를 유지하므로 자동차 콜드 크랭크 같은 조건에도 적합하다. LT8640의 40 ns에 불과한 빠른 최소 온-시간은 16 V 입력에서부터 1.5 V 출력까지 2 MHz 정주파수 스위칭을 가능하게 하므로 효율을 최적화할 수 있게 해 잡음에 민감한 중요한 주파수 대역을 피할 수 있다. LT8640는 20리드 3x4 mm QFN 패키지로 제공되고 높은 스위칭 주파수로 동작하므로 외부 인덕터와 커패시터를 작게 유지할 수 있어 초소형의 열 효율적인 풋프린트를 구현할 수 있다. 

AEM_Automotive Electronics Magazine