TPMS의 설계 상 난제
한번 설치한 휠 모듈은 같은 모듈에 전자부품과 함께 몰딩되기 때문에 배터리 교환이 불가능하다. 이러한 제한 조건 때문에 TPMS 시스템 설계에 있어서 전력관리는 필수적이다.

1) 소프트웨어 알고리즘
강력한 내구성과 높은 전력 효율성의 시스템 설계를 위해 가장 먼저 고려해야 할 요소는 소프트웨어이다. 휠 모듈은 마이크로컨트롤러를 통해 명령을 수행하기 때문에 전력 효율성이 높은 인텔리전트 알고리즘을 사용해야 한다. 예를 들어, 8비트 정도의 데이터를 매 번 전송해야 하는 것이 필요한지, 1비트의 저압력 경고를 전송하는 것이 더 효율적인지, 그 압력이 얼마나 자주 측정되는지, 시스템은 항상 모든 매개변수를 측정하는지 아니면 다른 것보다 한번 더 측정하는지, 데이터 변환(아날로그에서 디지털로의)은 휠 모듈 혹은 리시버 모듈이 수행해야 하는지 등이 TPMS 시스템 설계 시 설계자들이 고려해야 할 사항들이다.

2) 저주파(LF) 인터페이스
저주파(Low Frequency) 특징은 TPMS를 제어하는 데 매우 효과적이다. 센서 모듈이 LF 인터페이스를 활용할 경우에 최소한의 전력만을 소비하는 저전력 모드에서도 구현이 가능하다. 웨이크업(wake-up) 신호를 받게 되면 센서는 데이터 측정 및 전송을 진행한다.
LF 인터페이스는 절전은 물론 유연성 높은 설계 및 추가 성능을 제공한다. 예를 들면, LF 통신을 통해 시스템의 재교정 및 타이어의 위치측정이 가능한 데, 이는 LF 인터페이스를 통해 마이크로컨트롤러로 특정 명령을 보냄으로써 이루어진다.3) 가속도계/롤스위치
전력소모를 최소화하기 위한 또 다른 방법은 롤스위치(roll-switch)를 활용하여 휠의 정지 및 움직임을 검출하는 것이다. 따라서 알고리즘은 자동차가 움직일 때 감지 및 (또는) 전송이 가능하도록 구현되어야 한다. 어떤 TPMS 센서는 휠의 회전을 감지하는 high-G 센서(가속도)를 내장하고 있다. 따라서 애플리케이션 소프트웨어는 가속도 출력이 일정 수준 미만일 때(즉, 자동차가 정지되어 있거나 매우 천천히 움직일 경우), TPMS가 동작을 멈춘다든가, 혹은 조금 더 낮은 주파수에서 동작하도록 구현되어야 한다. 일반적인 자동차의 평균 도로주행 시간은 전체의 15% 수준에 불과하여 이러한 방식으로 상당한 전력 감소 효과를 거둘 수 있다.

4) 결론적으로 저전력 부품 및 통합 기능 부품을 사용하여 부품수를 줄임으로써 전력 효율성을 높일 수 있을 뿐 아니라 전체적인 시스템 가격을 낮출 수 있다.

무선 컨트롤 설계 상 난제
1세대 TPMS 트랜스미터 설계는 적절한 송신 주파수를 만들어내기 위해 SAW 공진기를 적용한 ASK 모듈레이션 기술을 이용해왔다. ASK 시스템의 경우 비용은 매우 저렴하지만 트랜스미터가 위치한 휠의 회전으로 인해 수신된 전계 강도의 변이에 따라 매우 민감하게 반응하는 단점이 있다.
오늘날의 TPMS는 중앙 주파수와 주파수 풀링(pulling)을 위해 수정발진기와 PLL 신서사이저(synthesizer)를 기반으로 한 FSK 변조 접근방식을 이용한다. FSK는 고속 회전 중에도 다양한 OEM 애플리케이션에서 안정된 RF 통신을 제공한다.

TPMS 시스템 기술
지난 몇 년 동안 TPMS 기술은 다양한 구현방식을 통해 빠르게 진화되었다. 현재 잘 알려진 시스템으로는 직접 TPMS(direct TPMS) 시스템과 간접 TPMS(indirect TPMS) 시스템 두 가지가 있다. 직간접 시스템을 통합한 하이브리드 TPMS(Hybrid TPMS)는 가격경쟁력까지 갖춘 새로운 대안으로 각광받고 있다.

간접 TPMS
현재의 간접 TPMS는 자동차의 ABS와 함께 작동된다. ABS는 각각 4개의 휠 회전속도를 측정하기 위해 휠 센서를 사용한다. 타이어의 압력이 줄어들면 회전 반경이 줄어들어 휠의 회전속도는 증가하게 된다.
아래 공식은 이 비율을 가장 잘 표현한 것이다:

이 비율이 지정된 범위에서 벗어나게 되면, 한 개 또는 그 이상의 타이어의 압력 상태가 지나치거나 부족한 경우이다. 이럴 경우 자동 점검 장치를 통해 타이어의 압력 상태가 부족하다는 것은 인식하지만, 어느 타이어에 문제가 있는 지는 확인할 수 없다. 또 다른 문제점은 두 개의 타이어가 같은 축 또는 같은 면에서 덜 팽창될 경우 시스템이 그 문제점을 인지할 수 없게 되는데, 이는 압력 감소로 인한 타이어의 직경 감소 비율이 매우 미미하기 때문이다. 낮은 타이어의 경우, 69kPa(~10psi)의 압력 손실로 인해 단지 직경 1mm 정도만 감소된다. 이는 25%의 압력손실 검출 성능을 만족시키지 못하는 수준으로 최종 규정 조건에 미치지 못한다. 또한 간접 방법을 사용하는 감지 방식은 대부분 타이어 및 부하(loading factors)와 같은 요소에 의해 크게 좌우된다.

직접 TPMS
직접 TPMS는 각 타이어의 압력을 직접 측정할 수 있도록 각 휠에 위치한 압력 센서를 사용한다. 이러한 센서는 RF 송신기를 통해 압력 데이터를 중앙 수신기로 전송하며 데이터 분석 후 자동차 내부에 장착된 디스플레이로 그 결과를 보여준다.
여기서 디스플레이는 대부분의 자동차에 현재 장착되어 있는 단순 자동 점검 장치에서부터 예비 타이어를 포함한 각 타이어의 실제 압력을 보여주는 디스플레이까지 제품의 범위가 매우 다양하다. 운전자들은 어떤 타이어의 팽창 상태에 문제가 있는지 직접 TPMS가 전달하는 정보를 디스플레이를 통해 확인할 수 있다.
실제로, 직접 TPMS는 각 타이어의 실제 압력을 측정하기 때문에 하나의 타이어 또는 각 타이어들의 어떠한 조합으로든 팽창이 부족한 상태를 감지할 수 있으며, 4개 타이어 모두의 팽창 상태가 불안한 경우에도 감지가 가능하다. 직접 TPMS 또한 미미한 압력손실 감지는 물론 어떤 경우에는 7kPa(~1.0psi) 정도의 매우 약한 압력 손실까지도 감지해낸다(표 1 참조).

하이브리드 TPMS
기존의 간접 TPMS는 1개 이상의 타이어를 감지하기 위해 추가로 두 개의 타이어 압력 센서와 RF 수신기를 시스템에 설치해야 하며, 타이어 압력 센서는 휠에 대각선으로 마주보게 설치된다. 하이브리드 TPMS는 2개의 타이어 중 하나는 직접 압력 센서를 포함하기 때문에 기존의 간접 TPMS가 갖고 있는 한계를 극복하여 같은 축, 또는 자동차의 같은 면에 있는 2개 타이어의 팽창 상태를 감지할 수 있다. 간접 시스템에서와 같이 직접 압력 센서가 없는 2개의 불량 팽창 타이어가 대각선으로 서로 마주보게 위치되었을 때도 시스템에서 불량을 감지할 수 있다. 4개의 타이어 모두 팽창 상태가 완전하지 못할 경우에도 시스템에 직접 압력 센서가 있기 때문에 불량 상태의 감지가 가능하다.
이 방법을 통해 전체적인 시스템 비용을 낮출 수 있으나 시스템의 견고성과 유연성에 있어서 여전히 여러 가지 약점을 가지고 있다. 타이어의 위치를 완벽하게 감지하지 못하는 단점도 있다.
직접 TPMS 시스템은 3가지 주요 시스템 형태[주류(중저가용), 자동 위치 성능을 갖춘 하이엔드 TPMS, TPMS와 ESP/ABS의 결합]로 나누어진다. 아래는 다양한 시스템 형태를 개략적으로 설명한 것이다(표 2).

시나리오 1: ABS/ESP에 의한 TPMS-간접 시스템
현재 대부분의 OEM 업체들은 간접 시스템에서 직접 시스템으로 옮겨가는 추세다. 그 이유는 직접 시스템의 전체적인 비용이 저렴하기 때문이다. 간접 시스템으로는 여러 가지 기술적 결함들의 한계를 극복하는데 많은 어려움이 있을 뿐 아니라 필드 테스트를 시행하기에도 많은 난관이 있다. 간접 시스템은 주로 유럽에서 채택되고 있으며 까다로운 조건을 요구하는 미국 시장에서는 10% 미만의 시장점유율을 나타내고 있다.

시나리오 2: 주류(중저가용) TPMS-직접 시스템
시나리오 2의 경우, 중저가 시장을 타깃으로 하는 주류 TPMS가 2011년 50% 이상의 시장 점유율을 보일 것으로 전망된다. 주류 TPMS의 공급 규모는 미국시장 내 법률 규제 여부에 따라 조정될 수 있다. 추가 시스템 비용 및 TPMS에 대한 일반인들의 인식 부족으로 인해 유럽과 아태지역, 일본 시장에서의 공급 규모는 저조할 것으로 예상된다. TPMS 시스템은 주로 고급 자동차를 타깃으로 공급되고 있다. 아직까지 일반 자동차 운전자들의 TPMS에 대한 인식이 높지 않기 때문에 애프터마켓에서의 수요는 그리 높지 않을 전망이다.
주요 시스템에 있어서 중요한 요소는 가격이다. OEM 업체들은 NHTSA 조건을 만족시킬 수 있는 TPMS 시스템을 필요로 하지만 중저가의 자동차 모델용으로는 충분한 원가를 책정하지 않고 있다. 주요 시스템의 기본적인 성능은 NHTSA 조건을 만족시킬 수 있어야 한다. 그러나 모든 OEM 업체들이 자사 버전의 TPMS 시스템을 가지고 있음을 명심해야 한다. TPMS는 일반적인 소비자 시장이 아니다.

시나리오 3: 고급형 TPMS (타이어 위치 자동감지)-직접 시스템
고성능 TPSM는 타이어 위치 자동 감지 기능을 직접 TPMS 시스템에 내장시킨다. 타이어 위치 자동 감지 기능은 4개의 타이어로부터 전송되는 정보를 확인함으로써 이루어진다. 예를 들어 오른쪽 앞 타이어의 압력 상태가 사용자의 어떤 조작 없이도 정확하게 확인된 후 디스플레이 된다.
최신 시스템은 위치 측정을 위해 주로 휠 하우스(Wheel house)에 있는 LF-트리거(trigger) 안테나를 사용한다. 4개의 LF 트랜스미터 모듈은 와이어에 의해 휠 하우스에 링크된다. 중앙 수신기 모듈은 신호를 LF 모듈로 전송하는데, 예를 들어 오른쪽 앞 타이어에 있는 특정 휠 모듈을 자극한다. 이러한 상황에서 나머지 휠 모듈을 제외한 오른쪽 앞 타이어의 휠 모듈만이 정보를 전송하게 된다. 미래에는 2축 가속도 센서가 타이어의 위치 자동 감지 기능을 구현하기 위해 사용될 것이다.
2011년 고급형 TPMS 시스템의 시장점유율은 30% 정도로 전망되며 시스템은 시나리오 4와 같이 TPMS/ESP 통합 방식을 채택할 것으로 예상된다.

시나리오 4: TPMS와 ESP/ABS의 통합-직접 시스템
차세대 시스템을 주도할 것으로 보이는 이 시스템은 타이어에서 G-force, 타이어의 압력과 온도, 도로상황, 타이어 형태 등과 같은 정보들을 ESP 시스템에 제공한다. 이는 최첨단 ESP 시스템을 추구하고 있는 추세를 반영한다. 이 시스템이 동작하기 위해서는 다중 축 g-측정과 타이어 위치 자동 감지 기능이 요구된다. 또한 LF 또는 에너지 회수 기술(Energy Harvesting Technology)을 사용한 배터리 효율성이 높은 시스템을 필요로 한다. LF 시스템을 기반으로 한 세계 최초의 상용화 제품은 고급형 차량용으로 2008년에 선보일 예정이며, 시장점유율은 2011년 기준 10%로 전망된다.

TPMS 센서
현재 인피니언 SP30 TPMS 센서와 후속 모델인 SP35 제품이 시장에 나와 있다. SP35는 마이크로컨트롤러, 센서 및 RF 트랜스미터를 모두 하나의 패키지로 통합했다. 외장 RF 트랜스미터 IC 솔루션을 추가한 SP30에 비해 SP35는 압력 센서, 가속 센서, 온도 센서, 온보드 플래시 성능을 갖춘 8051 코어 MCU, LF 수신기 인터페이스, 그리고 315/433/868/915MHz의 RF 트랜스미터를 통합 구현했다.
센서의 감지력은 TPMS에서 매우 중요하다. 센서의 정확성과 안정성은 습도와 먼지, 브레이크액과 같은 외적인 요소에 의해 많은 영향을 받는다. 인피니언의 TPM 센서는 삼중 스택 솔루션을 사용하는데, 이것은 두 개의 유리층 사이에 낀 하나의 수정 실리콘으로 구성되어 있다.

무선 컨트롤 칩
인피니언의 UHF 트랜스미터 제품군 TDK51xxF는 각각 다른 주파수 대역의 315, 434, 868 및 915MHz용으로 설계되었으며 ASK와 FSK 모듈레이션을 모두 수행한다. 이 칩은 PLL 신시사이저와 고효율의 파워증폭기(PA)를 갖추고 있어 루프 안테나를 조정한다. 전형적인 전류 소모량은 7mA 수준(50Ω에서 5dBm의 RF 출력 파워 기준)인 것으로 알려져 있다. 동작 온도범위는 -40°C～+125°C이며 초소형 P-TSSOP-10 패키지로 제공된다. 이 트랜스미터 제품군 이외에도 인피니언은 여러 주파수 밴드의 RF 수신기(TDA52xx, 그림 1)를 제공한다.

무선 컨트롤 설계 시 고려사항
TDK51xxF 트랜스미터
안테나 선택 및 매칭 네트워크
시뮬레이션 및 테스트는 기존 안테나보다 더욱 효율적이고 광범위한 대역폭을 확보하기 위해 루프 안테나를 제공한다. 루프 안테나는 보통 회로 보드에 인쇄되며 매칭에 있어서는 최적화된 효율성이 기준이 된다.
그러나 성능이나 임피던스에 영향을 미치는 몇 가지 외부 공통 요소가 있는데, 예를 들면 핸드이펙트 (Hand effect), 즉 빈공간(?0) 및 금속제 부근의 유전율을 변화시키는 것과 같은 여러 변수가 핵심 요소이므로 정확한 측정결과를 얻기 위해서는 이들이 반드시 고려되어야 한다.
시스템 설계자들이 TPMS 설계에 있어서 겪게 되는 난관이라고 할 안테나 임피던스는 최대한 실시간으로 측정돼야 한다. 이를 위해 휠 테두리(rim) 또는 섀시 부위에 장착된 트랜스미터 모듈을 가지고 안테나 임피던스 네트워크를 튜닝해야 한다.

파워 모드
파워 다운 모드에서 완성된 칩은 스위치 전원이 꺼지며 전력소비는 보통 0.3nA 수준이다. PLL ENABLE MODE는 PWDWN이 연결되어 있지 않기 때문에 FSKDTA를 하이(HIGH)로 전환해야 작동된다. 그 동안 PLL의 스위치는 켜지지만 파워증폭기의 전원은 PLL 셋팅 시간 동안 불필요한 전력소비를 막기 위해 꺼진다.
PLL의 전원은 주로 수정발진기의 전원이 켜질 때 같이 켜지며, 특정 수정이 사용될 경우 그 시간은 1ms 미만이다. PLL 자체를 잠그는 데 걸리는 시간은 약 10?s이다. PLL ENABLE 시간 동안의 소비량은 일반적으로 3.5mA이다.
TDK51xxF의 파워증폭기는 하이(HIGH)를 추구하는 ASKDTA에 의해 전환되며, 그 사이에 FSKDTA가 전송된다. PAOUT에서의 적절한 전환 네트워크(transforming network)를 사용하게 되면 IC의 전력소비는 일반적으로 7mA 수준이다.
루프 안테나 PCB 디자인을 위한 가이드라인
TPMS 트랜스미터 설계를 위한 몇 가지 가이드라인은 시스템 설계자들이 설계를 하면서 겪게 되는 여러 문제점 해결에 도움이 된다.

수정(Crystal) 부분
트랜스미터 보드 수정(crystal)은 파워 출력으로 인한 장애를 방지하기 위해 안테나로부터 거리를 두고 차폐 및 접지되어야 한다. 같은 논리로, 트랜스미터 클록 출력은 수정 입력으로부터 떨어져 있어야 하며 모든 수정 트레이스 길이(crystal trace length)는 가능한 짧아야 한다.

회로판 접지
회로판 바로 아래의 견고한 접지도 매우 중요하며 RF와 IC 접지는 반드시 비어 홀(via)로 분리되어야 한다.
매칭 부품 배치

모든 정합 부품은 접지 면 위에 서로 직각으로 배치되어야 하며, 가능한 한 이 접지 면과 션트 정합(shunt matching) 부품은 비어 홀(via)로 분리되어야 한다.

안테나 설계
안테나는 항상 AC 그라운드 아래가 아닌 “빈 공간”에 위치해야 하며, 접지 면에서 적어도 5mm 떨어진 간격을 유지해야 한다. 루프 아테나가 사용된다면 대칭으로 설계되어야 한다.
디커플링 커패시터 배치
디커플링 커패시터는 Vs와 접지 면에 최대한 근접해야 한다.

TDA52xx 수신기
TDA52xx는 근거리 컨트롤 애플리케이션용 “원칩”이다. SHR(Superheterodyne Receiver)의 기본구조는 LNA(Low-Noise Amplifier)와 프론트엔드의 믹서로 구성된다. 이 디바이스는 LNA, 이중 평형 혼합기, 통합 VOC, PLL 신시사이저, 수정발진기 및 RSSI 제너레이터를 갖춘 리미터, PLL FSK 복조기, 데이터 필터, 데이터 비교기(Slicer), 피크 검출기를 포함한다. 배터리 절약을 위한 파워 다운 기능도 갖추고 있다.

SAW 필터로 외부 방해요소 극복
선택도와 영상주파수 제거 성능을 향상시키기 위해 SAW 프론트엔드 필터는 안테나와 LNA 입력 사이에 배치된다. 이로써 강력한 대역 외 간섭 수신으로 인해 수신기 블로킹 문제는 감소된다.
협대역 프론트엔드 SAW 필터의 경우, 입력 사이드에서는 안테나로, 출력 사이드에서는 LNA로 파워 매칭되어 flat pass band, 낮은 삽입소실 및 우수한 ultimate rejection 성능을 갖추게 된다.
모든 PCB 트랙은 반드시 짧게 해서 기생효과를 최소화해야 한다. SAW 필터 공급자가 제공하는 부품을 매칭한 입출력 추천 값은 초기의 좋은 가이드 역할을 한다.

수신기 감도 향상
수신기 감도에 영향을 미치는 요소들은 매우 많으며, 각각의 요소들은 수신기의 감도를 최적화하기 위해 조정될 수 있다.
프론트엔드 매칭으로부터: LAN/Mixer 회로, IF 필터 & 수정 주파수, 데이터 필터 및 데이터 슬라이서는 모두 수신기의 더 나은 감도와 성능을 위해 매우 신중하게 조정되어야 한다.

결론
앞서 언급했듯이 직접 TPMS를 설계하는 엔지니어들은 부품, 전력관리, 매체 호환성, 시스템 가격 및 RF 설계에 있어서 최상의 선택을 해야 하며, 이 여부가 상용화의 성패를 좌우한다.
TPMS 시장은 현재 직접 배터리 기반 시스템이 주류를 이루고 있다. 배터리가 없는 직접 시스템은 ESP 시스템을 갖춘 고급형 차량용으로 2008년 출시될 예정이다. 2011년 1억 6,900만 모듈의 공급량과 향후 5년 안에 29%의 연평균 성장률이 예상되는 가운데, TPMS 시장은 향후 수년간 대형 시장으로의 성장이 예상된다.