최저 EMI/EMC 방사 스위칭 컨버터로 손쉬운 ADAS 설계

2 MHz 시 효율 94%와 초저 EMI/EMC 방사를 제공하는 65V, 8A 동기식 벅 Silent Switcher 2

2018년 03월호 지면기사  /  토니 암스트롱(Tony Armstrong), Power by Linear 제품 마케팅 디렉터 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

ADAS 시스템에 방해가 되지 않도록 모든 필요한 성능 요건을 충족하는 적합한 전원 변환 소자를 찾기란 결코 쉽지 않다. 자동차 시스템 디자이너들의 이러한 요구를 충족하도록 개발된 제품이 바로 Silent Switcher 2 DC/DC 컨버터다. 이 컨버터는 전원 디자이너의 노력을 크게 간소화할 뿐 아니라 필요한 성능 요구를 충족한다.


오늘날 자동차에서 첨단운전자지원시스템(ADAS)이 점점 더 일반화되고 있다. ADAS 시스템은 안전한 운전을 돕는다. 무단횡단 보행자, 자전거, 주변 자동차 등 주변의 위험을 감지하고 이를 운전자에게 알려주기 때문이다. 또한 적응형 순항제어(Adaptive Cruise Control, ACC), 사각지대 감지, 차선이탈경고, 운전자 졸음방지, 자동 제동, 트랙션 컨트롤(traction control), 나이트 비전(야간 투시) 같은 동적인 기능들을 제공한다. 따라서 운전 중 안전성 및 편의성에 대한 소비자들의 갈수록 높아지는 요구와 정부 당국의 엄격해지는 안전성 요건을 충족할 수 있다. 이에 따라 ADAS는 더 빠른 속도로 적용이 늘어날 것으로 전망된다.

그렇다고 해서 이 업계가 아무런 어려움 없이 성장을 이룰 수 있다는 의미는 아니다. 가격 압박, 물가 상승, 시스템 복잡성, 테스트의 어려움 같은 과제를 풀어 나가야 하기 때문이다. 현재 유럽 자동차 업계가 세계적으로 앞서 혁신을 주도하고 있으며 ADAS 도입이 가장 빠르게 이뤄지고 있다. 미국과 일본 자동차 회사들도 바짝 뒤따르고 있다. 자동차 업계의 궁극적인 목표는 사람이 운전대를 잡을 필요 없는 자율주행차를 실현하는 것이다.

시스템 차원의 과제

ADAS 시스템은 특정한 종류의 마이크로프로세서를 사용해서 여러 센서로부터 수집된 정보를 처리해 운전자가 이해하기 쉬운 형태로 표현하는 것이다. 이들 시스템은 통상 직접적으로 자동차 주 배터리 전원을 사용해서 작동하는데, 자동차 배터리는 공칭 9 V~18 V이지만, 전압 트랜션트로 인해 높게는 42 V까지 이를 수 있다. 콜드 크랭크 시에는 최저 3.4 V까지 이를 수 있다.

그러므로 이들 시스템에 사용되는 DC/DC 컨버터는 적어도 3.4 V부터 42 V까지 넓은 입력 전압 범위를 처리할 수 있어야 한다. 게다가 트럭에 흔히 사용되는 것과 같은 듀얼 배터리 시스템은 훨씬 더 넓은 입력 범위를 필요로 함으로써 높은 쪽 한계를 최고 65 V까지로 끌어올릴 수 있다. 그러므로 일부 ADAS 시스템 업체들은 자사 시스템을 3.4 V~65 V 입력 범위를 처리할 수 있도록 설계한다. 그러면 이러한 시스템은 승용차와 트럭에 모두 사용될 수 있다. 그러므로 규모의 경제를 달성할 수 있다.

많은 ADAS 시스템은 다양한 아날로그 및 디지털 IC를 구동하기 위해서 5 V 및 3.3 V 레일을 사용한다. 또한 이러한 시스템 업체들은 단일 컨버터로 단일 및 이중 배터리 구성을 충족할 수 있기를 원한다. 또한 이들 시스템은 대개 자동차 내에서 공간 및 열적으로 제약적인 부위에 탑재된다.

그러므로 냉각 용도로 사용할 수 있는 히트싱크가 제한적이다. 고전압 DC/DC 컨버터를 사용해서 배터리로부터 곧바로 5 V 및 3.3 V 레일을 생성하는 것이 일반적인데, 오늘날 ADAS 시스템에서는 스위칭 레귤레이터를 500 kHz 아래의 전통적인 스위칭 주파수가 아니라 2 MHz 이상으로 스위칭해야 한다. 그 이유는 솔루션 풋프린트를 줄이고자 하기 때문이며, 또 한편으로는 AM 주파수 대역으로의 간섭을 피하기 위해서다.

이것으로 이미 충분히 복잡한데, 디자이너의 또 다른 과제는 ADAS 시스템이 자동차에 관한 다양한 잡음 내성 표준을 충족해야 한다는 것이다. 자동차에서 낮은 열 발생과 효율이 중요하게 요구되는 부위에서 스위칭 레귤레이터가 선형 레귤레이터를 대체하고 있다. 그런데 스위칭 레귤레이터는 흔히 입력 전원 버스 라인 상에서 가장 먼저 작동되는 장치로서 전체적인 컨버터 회로의 EMI 성능에 중대하게 영향을 미친다.

EMI 방사에는 두 가지가 있다. 전도 방사와 복사 방사이다. 전도 방사는 와이어와 트레이스를 타고 전달된다. 잡음은 특정 단자나 커넥터에 국한되므로 이미 설명한 바와 같이 양호한 레이아웃이나 필터 설계로 비교적 개발 초기 단계에 전도 방사 요건을 충족할 수 있다.

하지만 복사 방사는 얘기가 다르다. 보드 상에서 전류를 전달하는 모든 것은 전자기장을 방사한다. 보드 상의 모든 트레이스가 안테나가 되며, 모든 구리 면적이 공진기다. 순수한 사인파나 DC 전압을 제외하고는 어떤 것이든 신호 스펙트럼 전반에 걸쳐서 잡음을 발생시킨다. 전원장치 디자이너가 아무리 신중하게 설계를 하더라도 시스템을 테스트하기 전까지는 복사 방사가 얼마나 심할지 알 수 없다. 그리고 복사 방사 테스트는 디자인이 기본적으로 완성되기 전까지는 실시할 수 없다.

흔히 필터를 사용해 특정한 주파수 또는 주파수 범위에 대해서 강도를 감쇠시켜 EMI를 낮출 수 있다. 이 에너지 중에서 공간으로 전달되는 것(복사 방사)은 금속 또는 자기 차폐를 사용해서 감쇠시킬 수 있다. PCB 트레이스를 타고 전달되는 것(전도 방사)은 페라이트 비드나 여타 필터를 사용해서 억제할 수 있다. EMI는 완전히 제거할 수는 없으나 다른 통신장치나 디지털 장치가 허용할 수 있는 수준으로 감쇠시키는 것은 가능하다.

표면실장 기술을 적용한 최근의 입력 필터 소자들은 도통홀(through-hole) 소자에 비해서 더 우수한 성능을 제공한다. 하지만 스위칭 레귤레이터의 동작 스위칭 주파수가 증가함에 따라 이러한 개선을 앞지르고 있다. 더 높은 효율과 낮은 최소 온 타임 및 오프 타임을 위해서 스위치 전이를 더 빠르게 하면 고조파 성분이 높아진다. 스위칭 주파수가 두 배가 되면 스위치 용량이나 전이 시간 같은 다른 파라미터는 그대로라고 했을 때 EMI가 6 dB 나빠진다. 광대역 EMI는 일차 고역통과처럼 동작하며 스위칭 주파수가 10배 높아지면 20 dB 더 높은 방사를 일으킨다.

현명한 PCB 디자이너라면 핫 루프를 되도록 작게 하고 차폐 접지 층을 동작 층에 되도록 가깝게 할 것이다. 그렇더라도 디바이스 핀아웃, 패키지 구조, 열 설계 요구, 디커플링 소자로 충분한 에너지 저장을 위해서 필요한 패키지 크기에 따라서 최소 핫 루프 크기가 결정될 수밖에 없다. 게다가 통상적인 평면 PCB에서는 30 MHz 이상에서 트레이스들 사이에 자기 또는 트랜스포머 방식 결합 때문에 필터를 사용한 효과를 떨어트릴 수 있다. 고조파 주파수가 높을수록 원치 않는 자기 결합이 심해지기 때문이다.

EMI 방사가 낮은 고전압 DC/DC 컨버터

위에서 언급한 이러한 모든 애플리케이션 요구를 충족하도록 아나로그디바이스가 내놓은 제품이 바로 Power by Linear™ LT8645S이다. 이 디바이스는 높은 입력 전압이 가능한 모놀리식 동기식 벅 컨버터로서 EMI 방사가 낮은 것이 특징이다. 3.4 V~65 V 입력 전압 범위로 동작하므로 승용차와 트럭 ADAS에 사용하기에 적합하다. 자동차에서는 콜드 크랭크와 스톱-스타트 시에는 최소 입력 전압이 3.4 V까지 떨어질 수 있고, 부하 덤프 트랜션트 시에는 60 V 이상까지 이를 수 있다.

그림 1은 단일 채널 디자인으로 5 V, 8 A 출력을 제공하는 것을 보여준다. 동기 정류 토폴로지로 2 MHz의 스위칭 주파수로 최대 94% 효율을 제공하며, Burst Mode® 동작은 무부하 대기 시에 정지 전류를 2.5 μA 아래로 유지하므로 “always-on” 시스템에 적합하다.



LT8645S는 스위칭 주파수를 200 kHz부터 2.2 MHz까지로 프로그램 할 수 있으며 이 범위로 동기화할 수 있다. 또한 고유의 Silent Switcher® 2 아키텍처로 내부 커패시터 외에 BST 및 INTVCC 내부 커패시터를 포함함으로써 솔루션 풋프린트를 최소화한다. 또한 잘 제어된 스위칭 에지 및 내부 구조에 더해서 내부 접지 플레인을 포함하고 본드 와이어 대신에 구리 필러(copper pillar)를 사용하는 LT8645S는 EMI 방사를 크게 줄일 수 있다.

또한 Silent Switcher 2 디자인은 2층 PCB를 포함한 어떤 PCB로든 견고한 EMI 성능을 제공한다. 또한 여타의 다른 컨버터와 비교해서 PCB 레이아웃에 따라서 민감한 것이 훨씬 덜하다. 이처럼 새로운 차원의 성능을 달성할 수 있는 것은 LT8645S가 내부 듀얼 입력 커패시터, BST 커패시터, INTVCC 커패시터를 포함함으로써 핫 루프 크기를 최소화하기 때문이다. 그래도 여전히 2개의 외부 입력 커패시터를 필요로 하지만, 되도록 입력 핀에 가깝게 해야 하는 것을 크게 완화할 수 있다.

내부 커패시터들을 포함함으로써 핫 루프 크기를 최소화하는 것과 더불어, BT 기판에 접지 플레인을 포함함으로써 또한 EMI 성능을 상당히 향상시킨다. 다층 BT 기판은 I/O 핀들로 QFN 패키지와 정확히 동일한 패턴을 사용할 수 있으며 넓은 접지 열 패드를 제공한다.

또한 LT8645S는 전체적인 부하 범위에 걸쳐서 자동차 CISPR25 클래스 5 피크 EMI 한계를 손쉽게 충족한다(그림 2). 또한 확산 스펙트럼 주파수 변조 기능을 사용해서 EMI 수준을 추가적으로 더 낮출 수 있다. LT8645S는 상측 및 하측 고효율 전력 스위치와 필수 부스트 다이오드, 오실레이터, 제어 및 로직 회로를 하나의 칩에 집적하고 있다. 리플이 낮은 Burst Mode 동작은 낮은 출력 전력으로 높은 효율을 유지하며 출력 리플을 10 mVp-p 미만으로 유지한다. LT8645S는 소형 열 향상 4mm × 6mm 32핀 LQFN 패키지로 제공된다.

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