페일 오퍼레이셔널 시스템의 효율적 구현

강력한 TMR 및 GMR 각도 센서로 구현하는 기능안전성

2019년 05월호 지면기사  /  글│마이클 웨스트팔(Michael Westpfahl), 인피니언 테크놀로지스 이사

FUNCTIONAL SAFETY WITH POWERFUL TMR AND GMR ANGLE SENSORS
페일 오퍼레이셔널 시스템의 효율적 구현
강력한 TMR 및 GMR 각도 센서로 구현하는 기능안전성

 

인피니언은 이방성 자기저항, 거대 자기저항, 터널 자기저항과 같은 모든 공통적인 기술로 다양한 애플리케이션에 적용 가능한 정밀 각도 센서를 제공한다. 최근 출시된 제품은 단일 채널 및 2채널 버전으로 제공되는 TMR 각도 센서 TLE5501과 GMR 각도 센서 TLE5014이다. 두 제품은 모두 자동차 애플리케이션의 ISO 26262를 준수하는 ASIL C 및 ASIL D 시스템을 위한 개발을 통해 정밀하고 빠른 각도 측정과 기능안전성을 제공한다
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글│마이클 웨스트팔(Michael Westpfahl), 인피니언 테크놀로지스 이사



피니언은 이방성 자기저항(AMR, Anisotropic Magnetoresistive), 거대 자기저항(GMR, Giant Magnetoresitive), 터널 자기저항(TMR, Tunnel Magnetoresitive)과 같은 모든 공통적인 기술로 다양한 애플리케이션에 적용 가능한 정밀 각도 센서를 제공한다. 이러한 xMR 기술은 보완적이다. 이들 센서는 안전 관련 애플리케이션을 위한 단일 및 듀얼 칩 채널 버전과 제품으로 아날로그 또는 디지털 출력과 함께 사용할 수 있다. 최근 출시된 제품은 단일 채널 및 2채널 버전으로 제공되는 TMR 각도 센서 TLE5501과 GMR 각도 센서 TLE5014이다. 두 제품은 모두 자동차 애플리케이션의 ISO 26262를 준수하는 ASIL C 및 ASIL D 시스템을 위한 개발을 통해 정밀하고 빠른 각도 측정과 기능안전성을 제공한다.

자기저항 센서의 경우 센서 소자가 자기장에 노출되면 전기저항이 변한다. GMR 센서에서 이러한 변화는 AMR 센서보다 훨씬 커서(약 10배로 ‘거대(Giant)’라 불리는 이유이다), 약 25~45%에 이른다. 인피니언의 GMR 센서는 사전 보정되므로 즉시 사용할 수 있다.

가장 단순한 경우 TMR 센서는 두 개의 자성체층(CoFe 등)과 그 사이에 들어가는 Al2O3 또는 MgO의 절연층으로 구성된다. 아래에는 GMR 효과에서와 같이 이 계층의 자기화를 고정하기 위한 비자성체층이 있다. 맨 위층은 외부 자기장을 따른다. 저항의 가능한 변화는 GMR보다 상당히 높아 실온에서 약 40~200%에 달한다. 그 결과 높은 신호 진폭이 발생해 신호 증폭의 필요가 적거나 아예 없다. AMR 및 GMR 기술과 달리 TMR 센서에서 전류 흐름의 방향은 수평이 아닌 수직이다(그림 1).


TLE5501 각도 센서는 단 하나 칩으로 기능안전성 구현

인피니언의 새로운 XENSIV™ TLE5501 제품군은 고속 아날로그 TMR 기반 자동차 각도 센서를 포함한다. 이 제품군의 적용 분야는 가장 높은 안전 기능 요구사항을 갖는 스티어링 휠 각도 애플리케이션에서부터 윈드스크린 와이퍼, 펌프, 액추에이터 뿐 아니라 일반적인 전기 모터에 이르기까지 다양하다. 또한 로보틱스나 짐볼 서스펜션과 같은 산업용 애플리케이션과 소비자용 제품 분야에도 적합하다.

TMR 기술 덕분에 새로운 센서 제품군의 모든 제품은 최대 0.37 V/V 신호 진폭으로 높은 출력 전압에서 높은 검출 정확도를 제공한다. 다른 기술에 사용되는 센서와 달리 이들 제품은 추가 증폭 없이 직접 마이크로컨트롤러에 연결되므로 비용을 줄여준다. TMR 센서는 매우 높은 감도, 저전력 소모, 그리고 낮은 지터를 갖는다. 이 밖에 TMR 기술은 매우 낮은 온도 드리프트를 보이므로 외부 보정과 보상의 필요가 적다.

인피니언은 두 가지 다른 인증 수준의 TLE5501 센서를 제공한다. TLE5501 E0001은 AEC Q100 인증을 획득했다. 이 버전은 검증된 TLE5009 센서와 핀에 호환되지만, 추가적인 증폭기가 필요 없어 더 비용 효율적인 시스템 솔루션을 제공한다.
다른 버전인 TLE5501 E0002는 기능안전성에서 중요한 단계를 나타낸다. 이 센서는 인피니언이 ISO 26262를 준수하도록 개발한 제품으로, 업계 최초 단일 센서 칩으로 자동차 애플리케이션을 위한 최고 기능안전성 수준인 ASIL D를 달성한 각도 센서이다. TLE5501 E0002는 이중 외부 각도 계산을 위한 분리된 브리지로 구성되며, 공통적인 기능안전성 규정에서 요구되는 광범위한 외부 진단 기능을 제공한다.


TLE5501은 2개의 휘트스톤 브리지에 8개의 TMR 저항이 정렬되어 있다. 저항 값은 외부 자기장의 방향에 따라 달라진다. 각 브리지는 차동 출력 신호를 제공한다. 검출된 원 신호는(사인 및 코사인 각 성분) 차동 출력 신호로 제공돼 마이크로컨트롤러에 의해 처리된다(각도 계산과 추가적인 신호 처리). 기본 브리지 회로의 넓은 출력 전압으로 인해 추가적인 신호 증폭이 불필요하다.

이는 해당 보드에 통합하는데 추가적인 외부 부품이 필요하지 않으며, 아날로그 센서 신호의 신호 처리를 마이크로컨트롤러에서 직접 수행할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 센서의 정확도를 높이기 위해 소프트웨어에 기반한 보상 알고리즘(각도 정확도, 온도에 따른 선형성 등)을 사용할 수 있다. 이 밖에 소프트웨어를 이용해 개별적인 타깃 애플리케이션에 맞춰 성능을 최적화할 수 있다. 기능안전성의 관점에서 하나의 센서 브리지만 모니터링하면 되므로 센서를 비교적 쉽게 진단할 수 있다.

TLE5501 E0002 버전은 P 또는 N 브리지를 위한 2개의 독립적인 VDD 및 GND 핀을 갖는다. 이것은 2개의 독립적인 브리지 신호(채널)를 사용할 수 있다는 것을 의미하며, 따라서 안전 개념에서 높은 진단 범위로 교차 검사를 수행할 수 있어 오작동을 방지할 수 있다. 또한 필요한 외부 부품이 더 적기 때문에 액셀러레이터와 브레이크 페달 또는 파워 스티어링, 기어박스, 클러치의 브러시리스 DC 모터와 같은 안전이 중요한 애플리케이션에서 공간과 시스템 비용을 절약할 수 있다(그림 2).

5 V의 전원 전압에서 전원 전류는 단 2 mA이다. 자기장 범위는 20~100 mT이다. 정격 각도 오차는 전체 온도 프로파일과 수명에서 (보상하지 않은 상태에서) 단 1°이다. TLE 5501은 초소형 DSO8 패키지로 제공된다.


최고 수준의 기능안전성과 손쉬운 사용 개념의 결합

XENSIV™ TLE5014 출시와 함께 인피니언은 기능안전성을 포함하여 까다로운 애플리케이션에 즉시 적용 가능하면서 손쉽게 사용할 수 있는 새로운 자기 각도 센서 제품군을 내놓았다. 인피니언은 2018 센서 및 계측기 전시회(Sensor+Test)에서 전동 파워 스티어링 시스템에 TLE5014의 효율적인 통합을 선보였다. 적용 예로 높은 가용성과 함께 파워 스티어링을 위한 페일세이프/페일 오퍼레이셔널 아키텍처를 구현했다.


검증된 GMR 기술을 기반으로 하는 인피니언의 이 센서 제품군은 단일 칩의 경우 제품 수준에서 ISO 26262 ASIL C 레벨을 달성하고, 2칩 센서는 최대 ASIL D 값을 달성한다. 이에 따라 TLE5014 센서는 최고 기능안전성 요구사항을 갖는 애플리케이션에 적합하다. 이들 센서는 TLE5501 센서와 마찬가지로 전체 온도 프로파일과 수명에서 1° 미만의 매우 작은 각도 오차를 갖는다. 이러한 특성은 스티어링 각도 검출이나 모터 정류와 같은 고정밀 위치 감지를 필요로 하는 애플리케이션에 매우 유용하다. 다른 가능한 용도로는 전동 파워 스티어링 시스템과 페달 위치 검출 등이 있다.

모든 TLE5014 센서는 단일 칩과 2칩 버전으로 제공된다. 센서는 플러그앤플레이 센서로 사전 구성되고 보정되므로 즉시 사용할 수 있다. 고객은 SENT, PWM, SPC 인터페이스 중에서 선택할 수 있으며, SPI 인터페이스가 포함된 버전이 준비 중이다. 이러한 프로토콜 옵션 외에도 센서는 프로그래밍 가능한 E²PROM 인터페이스를 통해 어떤 애플리케이션 환경에도 맞춰 조정할 수 있다. 모든 제품은 최대 26 V의 높은 입력 전압과 호환된다(그림 3).


자동차 기능안전성

자동차에서 ASIL C 또는 심지어 ASIL D에 따라 높은 기능안전성을 보장하려면 중복성과 효율적이고 신뢰할 수 있는 센서와 함께 대응하는 시스템 파티셔닝이 필수적이다. 이는 높은 사용 가능성을 보장하고, 부품 고장 시에도 시스템이 완전한 기능을 유지하도록 하는 유일한 방법이다. 이것이 바로 인피니언이 처음부터 ISO 26262에 따라 개별적인 센서를 개발하고 문서화하는 이유이다.




센서의 배치는 ECU 보드에 로컬로 배치하는지 또는 개별적인 보드를 통해 원격으로 배치하는지와 같이 안전 파티셔닝에 중요한 영향을 미친다. TLE5501은 온보드 애플리케이션을 위해 설계되었으며, 처음부터 ASIL D 요구사항을 만족하도록 개발되었다. 제품은 두 개의 독립적인 풀브리지 채널을 갖는 고유의 안전 개념을 기반으로 한다. ASIL D는 외부 안전 메커니즘(안전 전원장치, 브리지 파티셔닝, ASIL D 지표 준수) 및 AURIX 마이크로컨트롤러와 함께 시스템 수준에서 지원된다(그림 4).
TDSO-16 패키지의 TLE5014의 경우 시스템 설계에서 필요한 중복성은 2개의 단일 칩 버전 또는 1개의 듀얼 칩 버전을 사용하여 달성할 수 있다.

TLE5501은 TMR 기술을 완벽하게 이용하면서 고감도, 고속, 저전력 소모를 달성한다. 또한 2개의 독립적인 채널 및 관련된 통합 중복성은 기능안전성을 증대시킨다. 시스템 수준에서 ASIL D 기능은 단일 센서 칩으로 이미 구현 가능하다. 검증된 GMR 기술의 TLE5014는 단일 또는 듀얼 칩 제품의 유연성뿐만 아니라 다양한 프로토콜 옵션을 갖춘 디지털 12비트 인터페이스, 사전 구성과 보정을 통한 간단한 동작으로 탁월한 솔루션을 제공한다. TLE5501 및 TLE5014는 물론, 현재 개발 중인 모든 해당 센서는 처음부터 ISO 26262에 맞춰 설계되었으며, 새로운 센서는 모두 평가 키트의 형식으로 개발 지원이 제공된다.
인피니언의 각도 센서 포트폴리오에 대한 자세한 내용은 www.infineon.com/angle-sensors에서 확인할 수 있다.

 

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