“LED 조명 설계, Maxim에게 맡겨둬”

업계 최저 저항 제공으로 발열 해결, 페일세이프 지원까지

2018년 11월호 지면기사  /  글│ 윤 범 진 기자 bjyun@autoelectronics.co.kr




LED 매트릭스 조명은 뛰어난 안정성에도 불구하고 복잡성과 고비용으로 인해 과거에는 프리미엄 차에만 사용됐다. 맥심의 자동차 LED 조명 솔루션은 발열, 공간, 노이즈, 설계 복잡성, 비용 문제에 화답함으로써 더 많은 LED 적용의 길을 열었다. 맥심 자동차 사업부 테이머 키라 이사가 매트릭스 및 픽셀 조명 기능을 강화한 LED 매트릭스 매니저(IC)를 들고 방한했다. 촉박한 방한 일정을 쪼개 단독 인터뷰를 진행했다.



Clean+Safe+Reliable

자동차 내/외부에 LED 적용 사례가 늘고 있습니다. 배경이 뭘까요?

스트래티지 애널리틱스(Strategy Analytics)에 따르면, 자동차 전조등 플랫폼에 LED를 쓰는 주요 요인은 세이프티(Safety)와 브랜딩(Branding)입니다. 세이프티 차원에서는 LED 주간 전조등을 비롯해 마주오는 차량을 인식하여 필요한 조치를 취하는 스마트 라이트가 있고, 브랜딩 차원에서는 예컨대 볼보 ‘토르의 망치 LED 헤드램프’가 있습니다.

LED 조명 시장은 매년 30%씩 성장하고 있습니다. LED를 적용함으로써 갖는 이점은 CO₂ 배출량을 줄일 수 있고 기존 광원에 비해 응답속도가 빨라 차량 안전에 기여한다는 것입니다. 한 예로 시속 100km로 주행할 때 빠른 응답속도를 통해 6m 정도 제동거리가 짧아집니다. 수명도 깁니다.

LED와 관련하여 자동차에는 다양한 애플리케이션이 있습니다. 스마트 전조등은 마주오는 차량 위치를 감지해 상대 운전자의 눈을 부시게 하는 일부 광원을 제어합니다. 테일라이트는 헤드라이트보다 오래 전부터 LED를 적용했습니다. 사이드미러에는 피처 라이팅(Feature Lighting) 기능으로 채택되고 있습니다. 일부 OEM들은 사이드미러를 통한 빔프로젝션으로 특정 이미지를 노면에 비추어 브랜딩에 이용하기도 합니다. 또 최근에는 보행자에게 신호를 보낼 수 있는 조명에 대한 수요도 확인되고 있습니다. 실내 엠비언트 조명에도 널리 사용되고 있습니다.

맥심은 LED 분야에 집중 투자해 왔고 현재도 그렇게 하고 있으며 시장의 리더로 자리매김하고 있습니다. 누군가 카피한다는 것은 그만큼 맥심이 잘하고 있다는 것이 아닐까요?



What makes lighting design so tough?

LED 조명의 많은 장점에도 불구하고 기술적 도전과제가 많습니다.

특히 고성능 자동차 매트릭스 조명 및 어댑티브 헤드램프 LED 애플리케이션 설계자는 전력, 발열, 설계 복잡성 증가에 따른 어려움에 직면하고 있습니다. 맥심이 제공하는 LED 조명 솔루션은 이러한 도전과제를 해결할 수 있도록 지원합니다.

LED는 예컨대 65V 1.5A 정도로 거의 100W를 소모하는데, 100W를 효율적으로 전달하는데 있어 단 1% 차이는 열적 문제를 다루는 데 있어 매우 큰 차이가 납니다. 동시에 LED 조명 시스템은 매우 협소한 공간에 배치되어야 하기 때문에 발열을 줄이면서 에너지를 적게 쓰는 것이 중요합니다. 이것이 맥심의 핵심 기술이기도 합니다. OEM 관점에서는 ECU를 최대한 전 차종에 적용할 수 있는 설계 유연성이 매우 중요합니다. 또한 EMI 영향을 받지 않으면서 신뢰성을 보장하는 것 또한 과제입니다. 이 모든 도전과제의 답이 맥심의 IC에 녹아 있다고 말할 수 있습니다.

How maxim solves key challenges

맥심은 이러한 도전과제에 대해 구체적으로 어떻게 대응하고 있습니까?

고객이 직면하고 있는 4가지 도전과제는 ▶공간, 비용, 디자인 복잡성 ▶고전압 애플리케이션을 위한 효율성 ▶플랫폼 디자인 및 확장성(Reusability) ▶EMI 회피(Avoidance)입니다. 이에 대한 해법 제시가 맥심의 성공 비결이라고 할 수 있습니다.

공간, 비용, 디자인 복잡성에 대한 맥심의 해법인 ‘기능 통합(Feature Integration)’은 최대한 기능을 통합하여 심플하게 솔루션을 구현하는 것입니다. 맥심은 통합과 독특한 칩 아키텍처(Unique Chip Architectures)로 고객이 전체 시스템을 구성하는 데 있어서 용이성을 갖도록 합니다.

고전압 애플리케이션을 위한 효율성에 대해서는 ‘동기식 정류(Synchronous Rectification)’, 즉 동기화 타입의 제어방식과 스위치의 저항을 줄이고, 빠른 응답속도를 통해 효율성을 극대화 하고 있습니다.

플랫폼 디자인 및 확장성에 대해서는 다양한 토폴로지를 제공합니다. 맥심은 전압강하형, 전압승압형, 전압승강압형을 제공함으로써 유연하게 대처하고 있습니다. 또한 플랫폼화해 대부분의 설계 요소들을 반영함으로써 고객 친화적으로 제공하고 있습니다.

EMI는 설계자들이 겪는 가장 큰 어려움 중 하나입니다. 맥심은 확산 스펙트럼(Spread-spectrum) 기술을 적용해 EMI의 피크 에너지를 낮추고 이를 다른 주파수와 하모닉으로 재분배해 시스템 엔지니어로 하여금 요구되는 전자파 요건을 쉽게 만족할 수 있도록 지원합니다.

신제품 LED 매트릭스 매니저(MAX20092)와 연동 가능한 MAX20096, MAX20097 듀얼 채널 동기식 벅 고휘도 LED 컨트롤러는 설계자가 LED 조명의 과도응답 시간을 향상할 수 있도록 지원합니다. 맥심 고유의 평균 전류 모드 제어 체계는 일정 수준의 주파수로 초고속 과도응답 속도를 제공하여 EMI를 최소화하고 신뢰할 수 있는 고성능 설계를 실현합니다.

12-Switch Matrix Manager

소개하실 MAX20092는 어떤 제품인가요?

MAX20092 12-스위치 매트릭스 매니저는 작은 솔루션 크기, 높은 유연성, 고용량 전류 기기 사용을 지원하는 강력한 매트릭스, 픽셀 조명 지원 솔루션입니다. 최대 65V 12개 통합 스위치 제어 LED는 설계 시간과 복잡성을 줄입니다. 이 솔루션은 뛰어난 성능과 안정성으로 통합 MOSFET 온저항(RDS_(ON))이 0.1Ω으로 낮아 최대 1.5A 전류 공급이 가능합니다. 개방·단락·개방 추적 LED 진단을 위한 첨단 고장방지 및 관리 기능도 탑재했습니다. 고장 방지 모드로 지속적인 작동이 가능하며 슬루레이트(slew-rate) 제어 기능은 EMI와 노이즈를 줄여줍니다.

MAX20092는 12비트 펄스폭변조(PWM) 디밍 기능으로 1~2개의 LED를 제어해 사용 부품 비용과 공간을 절약합니다. 내장 로그형 페이드 인/아웃 기능은 LED 프로그래밍을 간소화하고 시스템 버스 라인 손실을 줄입니다. 데이지 체인 연결 없이도 27개 IC를 병렬로 연결할 수 있습니다. 설계자는 1스트링 12시리즈 스위치, 2스트링 6시리즈 스위치, 4스트링 3시리즈 스위치로 유연하게 구성할 수 있습니다.

통합은 공간과 비용을 절약하는 하나의 키포인트입니다. 여러 가지 외부 소자를 단일 칩에 집적함으로써 시스템 비용과 공간을 크게 절약할 수 있습니다.

맥심은 스위치 저항요소, RDS(ON)에서 가장 낮은 저항값을 제공하는데, 이는 단순히 효율을 증가시키는 것뿐만 아니라 발열을 줄일 수 있습니다. 저항값이 낮기 때문에 여러 애플리케이션에 플랫폼으로 적용 설계할 수 있습니다. 또 이런 유연성을 위해 65V 전압을 갖고 있는데, 예를 들어 매트릭스 조명의 전조등 설계에서 기존에는 하이빔, 로우빔에 각각의 채널을 사용하던 것을 통합된 낮은 저항 스위치 제어만으로, 하나의 제어 소스 허브만을 이용해 모든 조명을 커버할 수 있습니다.

예를 들어, 아우디의 방향지시등처럼 맥심은 빌트인 페이딩 피처(Built in fading feature)란 사전 프로그램된 자동화 기능을 넣어 시스템에서 온, 오프만으로 이같은 조명 기능을 구현하도록 했습니다. 또 이같은 자동화 기능에서 LED 조명 중 하나에 쇼트가 나거나 모든 조명이 한 번에 다 켜지는 등 오류가 날 경우에 신뢰성을 높이기 위해 다양한 오류 검지 기능을 싱글 칩 형태로 제공하고 있습니다.



확실한 경쟁우위가 무엇인지 비교해서 설명해주시겠습니까?

자동차 LED 매트릭스 아키텍처를 보면 전구 자체를 움직여 따라가는 것도 있지만, 다임러처럼 LED가 모자이크(픽셀)처럼 배열돼 있어 이를 켜고 끄는 식으로 구현하는 것도 있습니다. OEM에 따라 이는 2 by 4, 6 by 6 식으로 조명을 넓게 혹은 길게 가져갑니다. LED를 켜기 위해서는 큰 전력을 가지고 전류를 흘려야하고, 전류의 양은 빛 에너지와 비례하기 때문에 정확한 전류를 흘려주는 것이 관건입니다.
전류를 흘려주다보면, 각각의 LED들은 전류에 해당하는 만큼의 전압을 갖게 됩니다. 그 전압에 따라 여러 개를 많이 쌓다보면 전압이 높아지기 때문에 맥심은 12V에서 65V까지 승압할 수 있는 레일을 만들어놨습니다. LED를 껐는데 전압을 그대로 두는 경우는 로드가 적어지기 때문에 더 많은 전류를 흘릴 수 있습니다. 더 많은 전류를 흘리면 빛을 정확히 제어할 수 없습니다. 1개가 켜지든 10개가 켜지든 똑같은 전류의 양으로 빠르게 응답 특성을 맞춰야 하고, 이를 맥심의 LED 컨트롤 드라이버가 담당합니다. 여기에 맥심 고유의 토폴로지를 적용해 가변주파수 제어를 하면서 타깃 전류를 그대로 유지하면서 전압을 다이내믹하게 변화할 수 있도록 합니다. 제어 버스는 SPI 통신을 지원합니다.

낮은 RDS(ON)이 중요한 이유는 스위치 저항이 커지면 커질수록 발열이 심하기 때문입니다. 방열판이 필요 없으면 헤드라이트를 콤팩트하게 설계할 수 있습니다. MAX20092를 사용하지 않는다면, 디스크리트 FET를 사용해야 합니다. 컨트롤 기반의 FET를 사용하면 시스템이 훨씬 더 커질 수밖에 없습니다. RDS(ON)을 최소화해 65V, 1.5A로 흘리면서 방열판 없이 제공할 수 있는 회사는 맥심이 최초로, 아직 비교 대상이 없습니다.

       

자동차에서 EMI/EMC 문제는 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 그 만큼 문제해결이 어렵다고 할 수 있습니다.

EMC 문제를 해결하는 과정을 블랙매직(Black-Magic)이라고도 합니다. 그 만큼 EMC 문제를 해결하기 힘들다는 의미입니다. 실제로 그 발생원이나 노이즈 경로를 명백히 밝히기가 어렵습니다. 고속 동작을 하는 자동차 전자기기에서는 전자파 방출을 줄이기 위한 방법의 하나로 클록 신호의 주파수를 변조하여 좁은 대역에 집중된 에너지를 넓은 대역으로 분산시키는 확산 스펙트럼 방식을 사용합니다. 이를 통해 95% 이상 문제를 극복할 수 있습니다.

맥심은 차량용 반도체 시장에서 후발주자라고 할 수 있습니다. 그럼에도 시장 성장률보다 높은 성장을 하고 있는 것으로 알고 있습니다.
그동안 맥심은 인포테인먼트, 파워트레인, 액세스 및 세이프티 영역의 혁신을 위해 노력해왔습니다. 최소 2~5년이 걸리는 자동차 개발기간에 앞서 고객의 요구를 정확히 파악하고, 이에 대해 신속히 대응한 것이 성장의 밑거름이라 생각합니다. 맥심은 자동차 분야에서 4개의 핵심 사업 부문을 갖추고 있습니다. 인포테인먼트 부문에서는 전원, GMSL(Gigabit Multimedia Serial Link), 디스플레이, 백라이팅에 대한 집중적인 개발과 혁신을 견인하고 있습니다. 파워트레인 부문에서는, 특히 전기 파워트레인(EV) 시장의 리더로 자리매김하고 있습니다. 액세스 부문에서는 스마트키, 세이프티 부문에서는 다수의 기업들과 ADAS 파워 제품을 개발하고 있습니다.

특히, 전기차(EV) 시장에서 맥심이 좋은 성적을 거두고 있는 것으로 알고 있습니다.
개인적으로, 전기차 시장은 4,000만 원 이하, 한 번 충전에 400 km 이상 주행, 고속 충전이 가능해야만 대중화가 앞당겨질 것으로 보고 있습니다. 폭스바겐 사태가 촉매제가 된 것은 분명합니다. 이를 계기로 완성차 제조업체들이 전동화 전략을 앞다퉈 공개하기 시작했습니다.

현재 전기차는 전체 신차 시장의 2%에 불과합니다. 그러나 2025년이면 7~12%로 증가할 것으로 예상합니다. 국가별로는 중국에 이미 15만 개의 충전소가 구축됐고, 미국에서는 4만 개의 충전소가 건립되고 있습니다. 특히 중국은 2020년까지 500만 개의 충전소를 추가 건설할 예정입니다. 그동안 맥심은 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS) 시장서 핵심 OEM들과 밀접하게 협력하며 시장을 선도해왔습니다. 그 이유는 맥심 제품의 다양한 기능성도 있겠지만, 핵심은 안전성에 있습니다. 맥심 BMS 솔루션은 업계 최초의 ASIL D 등급 제품입니다. 배터리 셀 전압을 매우 정밀하게 측정할 수 있기 때문에 배터리를 최대한 활용할 수 있어 주행거리를 늘리는 데 기여합니다. 

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