머지않은 ADAS의 티핑 포인트

리니어 솔루션으로 ADAS IC의 전압 요구 해결

2016년 03월호 지면기사  /  글│토니 암스트롱(Tony Armstrong), 전력 제품 사업부 제품 마케팅 디렉터 Linear Technology Corporation


ADAS 시스템이 점점 더 많은 자동차에 탑재돼 주행 시 주변 인식을 강화하면서 운전자에게 더 안전하고 더 편안한 운전 경험을 제공하게 될 것이다. 한편 이러한 시스템을 설계하는 엔지니어들은 3.5 ~ 42 V의 넓은 입력 전압 범위를 처리할 수 있는 다중 출력 전력 컨버터를 이용해 비용은 물론 공간 효율적인 솔루션을 공급할 수 있다.

 

인 간은 더 이상 도로 위에서 책임 있는 운전자가 되지 못하는 것일까, 아니면 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)이 필요할 만큼 도로가 더 위험해지고 있는 것일까. 1960년대에는 자동차에 안전벨트가 없었다. 1970년대 중반 필자가 운전을 배우기 시작했을 때, 자동차는 보통 스티어링 휠과 조작 레버,

방향지시등, 백미러, 자동차 계기판, 주차 브레이크 정도만 갖추고 있었다.
운전대를 잡으면 주변에서 일어나는 상황을 이해하기 위해서 자신의 눈과 귀를 통해 주변의 필요한 정보를 얻었으며, 이렇게 축적된 운전 경험을 통해 가변적인 교통 조건 아래서 다양한 상황에서 일어날 수 있는 것을 예측했다.
물론 그때는 차량도 적어 이면도로나 고속도로를 달리는 운전자가 적었던 훨씬 “단순했던” 시대였다고 주장할 수 있다.

전 세계 도로에 12억 대 이상의 차량이 달리고 있는 2016년으로 훌쩍 건너오면, 왜 자동차 운전자가 주변을 이해할 수 있도록 도와주는 시스템을 자동차에 갖춰야 하는지 이해할 수 있을 것이다. 일례로 매년 전 세계 120만 명이 도로 교통사고와 관련된 원인으로 다치거나 사망한다(출처: WHO 및 세계은행). 더 경악할 만한 일은 이 수치가 2020년에는 65% 증가할 것이라는 전망이다.

이러한 사고의 주요 원인으로 무엇이 지목되었는지 설명하기 전에 약간의 배경 지식을 아는 것이 도움이 될 것이다. 최초의 사망자가 나온 자동차 사고는 1896년 런던에서 일어났다. 그 이후 전 세계에서 2,500만명 이상의 사람들이 자동차와 관련된 사고로 사망했다(출처: WHO). 여기에서 가장 큰 아이러니는 교통사고의 주요 원인이 운전자 자신이라는 사실이다. 교통사고의 6가지 주요 원인을 위험 요소가 큰 순서대로 나열하면 다음과 같다.

1. 운전자 부주의. 여기에는 목을 빼고 뭔가를 멍하니 쳐다보는 행위, 경치나 탑승자 또는 아이를 보는 행위, 오디오를 조작하거나 지도 혹은 책, 기타 문서를 읽는 행위가 포함된다.
2. 운전자 피로. 미국에서 매년 교통사고 원인으로 졸음 운전자가 100,000건 이상을 차지하고 있다(출처: 미국 도로교통안전청_NHTSA).
3. 음주운전
4. 과속. 과속은 충돌을 피하는 데 필요한 시간을 단축시켜 위협을 가중시키고, 충돌이 발생하면 보다 심각한 상황을 유발하므로 위험이 증가한다.
5. 난폭한 운전. 위협적으로 앞차에 바싹 붙기, 감정적으로 다른 운전자에게 라이트를 비추는 행위, 난폭하거나 무례한 제스처, 욕설, 물리적 공격, 교통신호 무시, 무리하고 잦은 차선 변경 등이 포함된다.
6. 날씨

운전자가 이러한 원인을 피하거나 교통사고의 잠재적 가능성을 낮추기 위해서 ADAS가 필요하다면, 이러한 ADAS 시스템은 무엇이며 예상되는 성장 잠재력은 어떻게 될 것인가.

 

ADAS 시장과 성장

ADAS의 전세계 시장규모는 2014년에서 2020년까지 22.8%의 연평균 성장률을 기록하며 2020년에 600억 달러에 이를 것으로 예상된다(출처: Allied Market Research). 결코 무시할 수준이 아니다.

ADAS는 기본적으로 운전자의 안전한 운전을 돕는 동시에 운전자 주위의 물체로부터 어느 것이든 위험이 감지되면 시스템이 이를 운전자에게 알려주는 역할을 한다. 이들 시스템은 지난 5~6년 동안 자동차 시장의 주요 트렌드 중 하나였다. 대표적으로 앞차와의 차간거리 유지, 사각지대 감지, 차선이탈 경고, 졸음운전 모니터링, 야간 주행 시 시야 확보 등을 비롯 역동적인 기능을 제공한다. 소비자의 안전 중시, 주행 시 편의성에 대한 요구와 정부의 지속적인 안전규정 강화가 맞물리면서 ADAS 수요가 크게 증가하고 있다. 그러나 이러한 성장은 업계에 가격 압력, 인플레이션, 복잡성 그리고 시스템에 대한 테스트 어려움 등의 과제를 안겨준다.

유럽의 자동차 산업이 가장 혁신적 자동차시장 중 하나라는 사실은 전혀 놀랄만한 일이 아니다. 미국과 일본의 자동차 제조업체들도 그렇게 뒤쳐져 있지 않다. ADAS 주요 업체들로는 발레오, 보쉬, 콘티넨탈, 아우디, 포드, GM, 덴소 등을 들 수 있다.
ADAS 시스템의 “암묵적인” 궁극적 목표는 운전자가 전혀 조작할 필요가 없는 완전한 자율주행차라는 사실은 당연하다.

 

ADAS의 IC 기능

대부분 ADAS 시스템의 심장부에는 마이크로프로세서가 자리하고 있으면서 차량 내부의 다양한 센서로부터 발생하는 모든 입력을 처리하고 이를 운전자가 쉽게보고 이해할 수 있는 방식으로 표시할 수 있도록 처리한다. 또한 이들 시스템은 일반적으로 공칭 9~18 V의 자동차 메인 배터리로부터 직접 전력을 공급받지만, 이들 전압은 콜드 크랭크(cold-crank) 조건에서 3.5 V까지 낮아질 수 있다. 따라서 사용하는 모든 DC/DC 컨버터는 3.5~42 V의 넓은 입력 전압 범위를 처리할 수 있어야 한다.

많은 ADAS 시스템은 다양한 아날로그 및 디지털 IC 기능에 전력을 공급하기 위해 5 V 및 3.3 V 레일을 필요로 한다. 그러나 프로세서 I/O와 코어 전압은 2 V 이하 영역에 있다. 뿐만 아니라 공간과 열 문제도 고려해야 한다. 5 V 및 3.3 V 레일을 위해 고전압 DC/DC 컨버터를 사용하는 것이 일반적이지만, 2 V 이하 레일에 이러한 종류의 컨버터를 사용하는 것은 여러 개의 단일 출력 컨버터의 사용으로 인한 솔루션 크기와 잠재적 열 제약으로 인해 실용적이라고 보기 어렵다. 보다 적합한 솔루션은 다중 출력을 갖는 단일 DC/DC 컨버터를 사용하는 것이다.

이러한 제약을 해결하기 위해 리니어 테크놀로지에서는 4출력 모놀리식 동기 벅 컨버터 LT8602를 개발했다. 이 디바이스는 3~42 V 입력 전압 범위를 가져 3 V의 낮은 최소 입력 전압으로 콜드 크랭크 및 스톱-스타트 경우와 40 V를 초과하는 로드 덤프(load dump) 과도 상태에서도 레귤레이트해야 하는 ADAS를 포함한 자동차 애플리케이션에 이상적이다.

 

그림 1에서 보듯이 디바이스의 4채널 설계는 2개의 고전압 2.5 A 및 1.5 A 채널과 2개의 저전압 1.8 A 채널을 결합해 0.8 V의 낮은 전압을 공급하는 4개의 독립적인 출력을 제공해 현재 이용 가능한 최저 전압 마이크로프로세서 코어를 구동할 수 있다. 또한 동기 정류 토폴로지는 최대 94% 효율을 제공하 며 , 버스트 모드(Burst Mode) 동작은 무부하 대기 조건에서 (모든 채널 온 상태 시) 30 ЧA 미만의 무부하 전류를 유지할 수 있어 상시 동작(alwayson) 시스템에 이상적이다.

 

노이즈에 민감한 애플리케이션을 위해 LT8602는 소형 외부 필터를 내장하고 있어 펄스 스키핑(pulse-skipping) 모드를 이용해 스위칭 잡음을 최소화하고 CISPR25, 클래스 5 EMI 요구사항을 만족할 수 있다(그림 2).

LT8602의 스위칭 주파수는 250~2 MHz 사이에서 프로그래밍할 수 있으며, 이 범위 전체에서 동기화할 수 있다. 디바이스의 60 ns 최소 온(on) 시간은 2 MHz 스위칭 주파수에서도 고전압 채널에서 16 VIN → 2.0 VOUT 스텝다운 변환을 가능하게 한다. 고전압 VOUT2채널은 2개의 저전압채널(VOUT3 및 VOUT4)을 공급할 수 있기 때문에, 이들 채널은 0.8 V의 낮은 출력을 공급하면서 2 MHz에서 스위칭할 수 있다. 따라서 그림 3에서 보듯이 초소형(~25×25mm) 4출력 솔루션을 구현한다.

LT8602의 2 MHz 스위칭 주파수는 솔루션 풋프린트 최소화 외에도 설계자가 AM 라디오 대역과 같은 노이즈에 민감한 주요 주파수 대역을 피할 수 있도록 한다.

 

LT8602의 각 채널은 모든 조건에서 단 200 mV(@1 A)의 최소 전압 강하를 유지해 자동차 콜드 크랭크와 같은 조건에서도 정상 동작한다. 프로그래머블 파워-온리셋 및 각 채널에 대한 전력 양호(power good) 표시는 전체 시스템 신뢰성을 보장하도록 도와준다. LT8602의 40-리드 발열 향상 6×6 mm QFN 패키지와 높은 스위칭 주파수는 외부 인덕터와 커패시터를 소형으로 유지할 수 있도록 해 초소형, 열효율적인 풋프린트를 제공한다. 이 밖에 고유의 설계 기법과 새로운 고속 공정은 넓은 입력 전압 범위에서 높은 효율을 달성해 LT8602의 전류 모드 토폴로지는 빠른 과도 응답과 탁월한 루프 안정성을 보장한다.

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