스마트 USB 스위치를 통합한 새로운 DC-DC 컨버터는 자동차 등급 USB 전원, USB 충전 이뉴머레이션, 포트 보호를 통합하고 있을 뿐만 아니라 최근에 요구되고 있는 더 높은 휴대기기 충전 전류를 충족할 수 있도록 한다. 그럼으로써 자동차 제조업체들과 소비자 모두를 위해서 USB를 실용적이면서 편리하게 구현할 수 있도록 한다.

오늘날 소비자들은 어디에나 스마트폰, 태블릿, 미디어 플레이어와 같은 휴대기기(portable device, PD)를 들고 다닌다. 그런데 이러한 휴대기기를 가지고 자동차에 탔을 때 휴대기기를 빠르게 충전하지 못하거나, 아니면 아예 충전을 못하는 일이 생기고 있다. 특히 최근에 출시된 전력 소모가 심한 휴대기기들은 더더욱 그렇다. 뿐만 아니라 모든 탑승자들이 한꺼번에 사용할 수 있을 만큼 충분한 USB 포트가 없어서 사용자들이 자신의 기기를 충전하기 위해서 하나의 USB 포트를 두고 경쟁해야 할 수도 있다. 자동차 인포테인먼트 시스템에 거의 100% 가깝게 USB가 채택되고 있음에 따라 자동차 OEM 및 그 협력업체들이 이러한 요구를 해결해야 하는 과제에 직면해 있다.
자동차 탑승자들은 심지어 최저가 차종이라 하더라도 다양한 기능의 급속충전 가능한 USB 액세스 포트를 원하고 있으며 갈수록 더 많은 숫자를 원하고 있다. 저가 USB 차량용 충전기는 자동차 내 무선(RF) 간섭을 일으킬 수 있으므로 좋은 솔루션이 아니다. 자동차 OEM 업체들은 이와 같은 PD 충전 및 RF 간섭 문제를 매우 중요한 문제로 인식하고 있다. 이들 자동차 업체들은 기존의 USB 기능을 향상시키면서 더 많은 USB를 추가하는데 있어, 신뢰성이 뛰어나면서 비용을 절감할 수 있는 방법을 모색하고 있다.


기존의 USB 솔루션은 이 문제를 해결하기 위해서 4개 또는 5개의 부품을 필요로 했다. 이 글에서는 스마트 USB 스위치를 통합한 새로운 DC-DC 컨버터 제품을 소개한다. 이 컨버터 제품은 높은 통합 수준으로 자동차 등급 USB 전원, USB 충전 이뉴머레이션(enumeration), 포트 보호 기능을 통합하고 있을 뿐만 아니라 최근에 요구되고 있는 더 높은 PD 충전 전류를 충족할 수 있도록 해준다. 그럼으로써 자동차 제조업체들과 소비자 모두를 위해서 USB를 실용적이면서 편리하게 구현할 수 있도록 한다.

자동차에서 직면하고 있는 USB의 과제들

먼저 가장 중요한 문제로서 전류 요구량에 대해서 살펴보자. 휴대기기 배터리 용량이 높아짐에 따라서 PD의 USB 충전 전류 요구량이 계속해서 높아지고 있다. 자동차 USB 포트는 전통적으로 500 mA로 제한되어 왔으나 새로운 PD들은 빠르게 충전하기 위해서 5.0 V로 1 A, 1.5 A, 심지어는 2.1 A를 요구하기도 한다.
그러면 이번에는 거리를 살펴보자. 미국에서는 도로교통안전청(NHTSA)이 라디오 전면부에 USB 포트를 사용하지 말도록 권고하고 있어 자동차의 주 USB 포트가 통상적으로 글로브박스 안이나 라디오/중앙 스택 하단, 좌석과 좌석 사이 팔걸이 스토리지 컴파트먼트 등에 위치하고 있다. 이러한 위치에 있는 USB 포트는 라디오 전면부로부터 30센티미터에서부터 길게는 3미터에 달하는 거리일 수 있으며 영구적인 캡티브(고정형) USB 케이블을 이용해서 연결된다. PD를 이렇게 멀리 떨어진 위치에 있는 USB 포트로 연결하면 PD가 전류를 끌어당겨 충전하려고 한다. 그런데 전류가 USB VBUS(+5 V) 전원 라인과 USB 접지 라인의 저항을 통과하면서 캡티브 케이블 상에서 전압 강하(I×R)가 일어난다. PD의 전압이 USB 규격보다 낮아지면 충전 전류가 낮아지고 충전 시간이 길어진다(그림 1). 예를 들어 PD를 1.5 A로 충전할 때 500 mΩ 케이블이 750 mV 강하를 일으킴으로써 PD의 전압을 4.25 V로 떨어뜨릴 수 있다.


끝으로, RF 문제를 해결해야 한다. 좀 더 많은 USB 충전 포트를 이용하기 위해서 소비자들은 자동차 안에서 담배 라이터와 같은 형태의 USB 차량용 충전기를 사용하고 있다. OEM 업체들은 이런 단순한 충전기에 이용하는 DC-DC 컨버터의 품질, 동작 주파수, 토폴로지를 제어할 수 없다. 물론 당연히 이러한 USB 차량용 충전기에 이용된 DC-DC 컨버터가 잘못 설계돼 있으면 AM 리시버로 재밍을 일으키거나, FM 리시버로 정전기를 일으킬 수 있으며, 스마트폰 터치스크린으로 간섭을 일으켜 GPS나 수동 엔트리 시스템 등과 같은 임베디드 자동차 RF 기능의 감도를 저하시킬 수 있다. 이러한 모든 문제가 소비자의 만족도를 떨어뜨리고 자동차 회사의 브랜드 인지도를 훼손시킬 수 있다.

이러한 USB 과제를 해결하기 위한 설계 기법

위에서 언급한 영구 USB 캡티브 케이블은 주 USB 포트와 관련해서 몇 가지 아키텍처 및 솔루션 측면의 과제를 제기한다. 빠르게 충전이 가능하도록 하기 위해서 현재 주로 세 가지 방법이 이용되고 있다:

1. USB 케이블의 VBUS 및 GND 전원 경로로 더 높은 게이지의 케이블/커넥터를 이용한다.
2. 사용자 액세스 포인트로 추가적인 자체 전원 USB 허브 모듈을 추가한다.
3. 라디오 전면부에서 USB 전압을 높여서 케이블 끝에서 5 V를 유지하도록 함으로써 USB 캡티브 케이블 전압 강하를 교정할 수 있는 “지능적인” 칩 기반 솔루션을 이용한다.

세 번째 방법이 지금으로서는 가장 비용이 저렴한 시스템 솔루션인데, 최대의 성능을 달성하기 위해서는 적합한 설계가 필요하다. 오늘날 통상적인 구현은 3칩 솔루션이다.


그런데 이제 또 다른 네 번째 솔루션을 이용함으로써 이와 같은 자동차 USB 과제를 해결하면서 기존의 여타 솔루션과 비교해서 비용, 크기, 무게를 낮출 수 있게 됐다. 이 새로운 디자인은 USB 보호/호스트 충전기 어댑터 에뮬레이터를 통합한 MAX16984 스텝다운 DC-DC 컨버터를 이용한 것이다. 이 새로운 솔루션에 대해서 좀 더 자세히 살펴보도록 하자. (“마지막 부분 자동차 USB의 성능 및 비용 비교” 박스 글)

RF 간섭 및 케이블 강하 문제의 해결

소비자 기기 등급 USB 차량용 충전기로 인해서 발생하는 RF 간섭 문제를 해결하기 위해서는 자동차 안으로 더 많은 숫자의 in-vehicle USB 포트들을 제공해야 한다. 이러한 in-vehicle USB 포트에 이용되는 DC-DC 컨버터는 몇 가지 성능 조건을 충족해야 한다. 먼저, 예측성이 뛰어난 고조파 및 EMI 특성을 제공하는 정주파수 PWM(pulse-width modulation) 토폴로지를 필요로 한다. 그 다음에는 AM 대역을 피하기 위해서 550 kHz 이하 또는 2 MHz 이상의 스위칭 주파수로 튜너 간섭을 일으키는 것을 방지할 수 있다. AM 대역 아래로 스위칭할 때는 DC-DC 컨버터에 외부의 디지털 SYNC 입력을 이용함으로써 마이크로프로세서가 컨버터의 스위칭 주파수를 설정해서 AM 튜너 주파수를 피하도록 해야 한다. AM 대역 위로 스위칭할 경우에는 AM 간섭이 일어나지 않으므로 더 선호되는 방법이다. 하지만 2 MHz 위로 스위칭할 때는 DC-DC 컨버터가 스위칭 손실이 올라가고, 스위칭 시간이 빨라지며, 대역폭이 넓어진다.


최적의 FM 수신을 위해서는 10.7 MHz IF 주파수를 피해야 하며 FM 대역 자체로 고조파를 제거하도록 해야 한다. AM 대역 위로 스위칭할 때는 고조파가 훨씬 더 멀리 떨어진 간격이므로 10.7 MHz를 피하기가 훨씬 수월해진다. 2.2 MHz가 선호되는 동작 주파수이다. 4차 고조파가 11 MHz이고 10.7 MHz IF로부터 300 kHz 간격이기 때문이다. FM 주파수를 피하기 위해서는 DC-DC 컨버터가 내부 확산 스펙트럼 오실레이터를 이용해야 한다. 그럼으로써 2.2 MHz 동작 스위칭 주파수를 디더링함으로써 FM 대역의 고조파가 주 FM 반송파 신호로 간섭을 일으키지 않게 할 수 있다(그림 2).
DC-DC 컨버터가 무부하(PD로 제로 DC USB 전류)일 때 고정주파수(fixed frequency)를 유지하도록 해야 한다. 그럼으로써 SKIP(버스트) 모드 동작으로 인해 발생하는 저주파 고조파를 제거할 수 있으며, 이들 고조파가 스마트폰 터치스크린이나 100 kHz 수동 엔트리 시스템으로 간섭을 일으키는 것을 방지할 수 있다. 무부하 전류로 고정주파수 동작을 유지하기 위해서는 DC-DC 컨버터가 내부 로우-사이드 동기 FET과 제어 루프 토폴로지를 이용해서 DC USB 부하 전류가 존재하지 않을 때 전류를 컨버터 출력 상의 커패시터로 들여보내거나 이 커패시터로부터 내보내야 한다(그림 3).


USB 전압을 높여서 캡티브 USB 케이블의 전압 강하를 극복할 수 있다. 그러기 위해서는 DC USB 부하 전류를 검출하고, 이것을 트랜스임피던스 증폭기(TIA)로 전달하며, DC-DC 컨버터의 주 제어 루프를 조절해야 한다:

Vout = Vnoload + Iload x Gi x Gv (식 1)

USB 규격을 충족하고 PD의 전압을 1.5 A 부하 전류로 4.75 V에서 5.25 V 사이로 유지하기 위해서는 이 기법의 토폴로지, 전반적인 정확도, 대역폭 모두가 중요하다. 이 기법을 이용할 때 PD의 전압은 다음과 같다.

Vpd = Vout - Iload x Rcable →
Vpd = Vnoload + Iload x Gi x Gv - Iload x Rcable (식 2)   그림 4 참조.

오차 소스를 분석함으로써 USB 전류 요구량과 캡티브 케이블 허용오차를 이용해서 허용 가능한 나머지 구현 오차를 계산할 수 있다.

250 mV ≥ ΔVnoload + Iload x Δ(Gi x Gv) - Iload x ΔRcable (식 3)

식 3에서 1.5 A 부하 요구량 및 ±17%의 정격 OEM 케이블 허용오차라고 했을 때 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.

· 케이블 허용오차에 따라서 시스템 내의 나머지 허용 가능한 오차가 결정된다.
· DC-DC 컨버터 출력 전압과 TIA의 정확도에 따라서 최대 케이블 길이가 제한된다. 이 정확도가 낮을수록 캡티브 케이블이 짧아진다(그림 5).
· DC-DC 컨버터가 부하 전류에 상관없이 매우 정확한 무부하 출력 전압을 제공해야 한다. 1 % 이내의 정확도가 요구된다.
· MAX16984로 통합되어 있는 TIA는 트리밍되어 있으며 매우 정밀하다. 이와 달리 이산(discrete) TIA를 이용하는 DC-DC 컨버터를 이용하면 허용오차가 빠르게 누적될 수 있다.


끝으로, DC-DC 컨버터와 관련해서 중요하면서도 흔히 간과되고 있는 특성이 있다. 그것은 바로 앞에서도 볼 수 있듯이 소싱 및 싱크 토폴로지가 폐쇄 루프 대역폭이 넓어야 한다는 것이다(200 MHz 이상)(그림 3). 이 토폴로지는 부하 전류 스텝 시에 DC-DC 컨버터 출력 전압을 빠르게 상승시키고(소싱 전류) 빠르게 하강시킬(싱크 전류) 수 있어야 한다. 또한 통합되어 있는 TIA 역시 대역폭이 넓어야 한다. 이러한 컨버터 디자인은 어떠한 과전압 트랜션트(transient)가 PD로 유입되는 것을 방지할 수 있다(그림 6). 이러한 조치를 취하지 않으면 PD가 20 ms 동안 6 V 펄스를 겪을 수 있다.

강건한 자동차 솔루션

거의 모든 자동차에 USB가 채택됨에 따라 자동차 업체들은 모든 휴대기기를 이용할 수 있도록 포괄적인 기능을 제공하면서 경제성이 뛰어나고 빠르게 충전이 가능한 USB 포트를 필요로 하고 있다. 자동차 안에서 여러 개의 전용 USB 충전 포트(충전 전용)를 제공해야 한다. 또한 이러한 모든 USB 기능이 고급형 차종과 이코노미 차종 모두에서 이용할 수 있도록 크기가 소형이고 신뢰성이 뛰어나면서 통합적인 솔루션이어야 한다.
견고한 자동차 솔루션을 달성하기 위해서는 OEM 업체들의 확장된 ±25 kV 요구에 적합하게 USB 데이터 라인을 보호하기 위한 추가적인 ESD 보호, PD가 빠르게 충전될 수 있도록 하는 지능적인 USB IF BC1.2 데이터 이뉴머레이터, 트랜시버 USB 데이터 라인을 +5 V VBUS 라인 단락 및 접지 단락으로부터 절연하기 위한 USB 데이터 스위치 보호기, 자동차 RF 간섭을 방지하도록 넓은 동작 전압(4.5 V~42 V) 범위의 정주파수(무부하부터 풀 부하까지) 싱크/소싱 +5 V DC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터의 출력 전압을 높여서 캡티브 USB 케이블 끝에서 +5 V를 유지하도록 하기 위한 캡티브 케이블 전압 조절 회로, +5 V VBUS를 접지 단락으로부터 보호하기 위한 정밀한 DC 전류 제한을 필요로 한다. 또한 당연히 이 솔루션은 AECQ-100을 완벽하게 준수하는 부품들을 이용해야 한다.



이러한 모든 특성들을 조합하고 있는 새로운 DC-DC 컨버터 제품이 MAX16984이다(그림 7). 이 DC-DC 컨버터는 주 USB 전원 포트를 검출하고, 전류를 공급하고, 보호할 수 있으며 믿을 수 없이 소형화된 폼팩터로 더 많은 숫자의 USB 충전 포트를 자동차에 편리하게 추가할 수 있도록 한다(그림 8). 

자동차 USB의
성능 및 비용 비교

다음은 자동차 업체들이 자동차 주 USB 포트를 이용해서 PD를 효율적으로 급속 충전하고자 할 때 이용할 수 있는 주요 4개 토폴로지를 비교한 것이다. 1번 및 4번 기법이 가장 적은 숫자의 부품을 이용한다. 2번, 3번, 4번 기법은 새로운 PD의 높아진 전압 요구를 충족할 수 있다. 4번 기법은 현재로서 가장 무게가 가볍고, 크기가 작고, 비용이 낮은 솔루션이다.

케빈 쉬만스키(Kevin Schemansky)
케빈 쉬만스키는 Maxim Integrated의 PMTS(Principal Member of Technical Staff) 겸 제품 개발자다. 2000년에 필드 애플리케이션 엔지니어로 Maxim에 입사했으며 곧바로 자동차 사업부의 제품 개발 및 애플리케이션 책임자로 근무했다. 8개 특허를 보유하고 있으며 엔지니어링 업적을 인정받아 다수의 업계 상을 수상했다. 웨스턴 미시간 대학에서 컴퓨터 시스템 엔지니어링 학사학위 및 석사학위를 취득했다.

벤 랜든(Ben Landen)
벤 랜든은 2010년에 Maxim Integrated에 사업부 책임자로 입사했으며 자동차 사업부를 책임지고 있다. 캘리포니아 주 루이스 오비스포(Luis Obispo)에 소재한 캘리포니아 주립 공과대학(Cal Poly)으로부터 BSEE를 취득했다. 적극적이며 활동적인 벤은 자신의 사업부 팀이 Maxim의 실내축구팀 만큼이나 경쟁을 좋아하고 진취적이라고 평가한다.