전력 IC는 자동차에서 점점 더 중추적인 역할을 하고 있다. 자동차용 전력 IC는 고효율과 낮은 EMI 방사뿐 아니라 풋프린트를 최소화해야 한다. 이러한 요구사항을 충족하는 설계 방법을 소개한다.

미국의 시장조사기관 SA(Strategy Analytics)는 자동차에 탑재되는 전자장치의 성장을 예측하는 매우 정량적인 정보를 제공하지만, 보다 중요한 것은 이러한 성장에 전력 IC가 수행하는 핵심적인 역할이다. 자동차 설계를 위한 새로운 전력 IC는 다음과 같은 특성을 제공해야 한다.

1) 가능한 최고의 효율로 열 문제를 최소화하고 배터리 사용 시간을 최적화해야 한다.
2) 넓은 범위의 배터리 입력 전압으로 동작해야 한다. 단일 셀(자동차) 및 듀얼 셀(상용 차량) 납산(lead acid) 애플리케이션을 모두 지원하고 넓은 과도 전압 스윙(swing)을 받아들일 수 있어야 한다.
3) 보안, 환경 제어, 인포테인먼트 시스템과 같은 상시 동작(always-on) 시스템은 엔진(발전기)이 꺼져 있는 동안 자동차 배터리를 소모하지 않으면서 계속 동작할 수 있도록 매우 낮은 무부하(quiescent) 전류를 소비해야 한다.
4) 2 MHz 또는 그 이상의 스위칭 주파수로 AM 라디오 대역의 스위칭 잡음 간섭을 제거하고 초소형의 솔루션 풋프린트를 구현해야 한다.
5) 가능한 낮은 EMI/EMC 방사로 전자 시스템 내의 잡음 간섭 문제를 줄여야 한다.

전력 IC의 증가된 성능 레벨의 목표는 자동차의 안락함, 안전, 성능을 극대화하는 동시에 유해 배기가스를 최소화할 수 있도록 자동차에 탑재되는 점점 더 복잡해지는 수많은 전자 시스템을 설계하는데 있다. 자동차 전자장치의 성장을 주도하는 특정 애플리케이션은 자동차의 곳곳에서 찾아볼 수 있다.

예를 들어 차선 모니터링, 적응형 안전 제어 및 자동 회전, 디밍 헤드라이트를 비롯한 새로운 안전 시스템과 인포테인먼트 시스템(텔레매틱스)은 발전을 거듭하면서 제한된 공간에 더 많은 기능을 빽빽하게 채우고 있으며 끊임없이 증가하는 클라우드 애플리케이션을 지원해야 한다. 첨단 엔진 관리 시스템은 스톱/스타트 시스템 및 전자장치로 가득 채워진 트랜스미션과 엔진을 제어한다. 드라이브 트레인과 섀시 제어는 성능, 안전, 안락함을 동시에 높이는 것을 목표로 하고 있다. 몇 년 전만 해도 이러한 시스템은 고급형 차량에서만 볼 수 있었지만, 지금은 모든 차량에 일반적으로 들어가면서 더 빠른 속도로 자동차 전력 IC 성장을 견인하고 있다.

전자 시스템을 증가시키는 주요 요인의 하나는 차량의 성능과 안락함, 안전을 향상시키는 많은 복잡한 전자 시스템의 채택에 있다. 그러나 이와 같은 많은 시스템은 트럭, 버스, 지게차 등을 포함한 수많은 상용 차량에도 사용되도록 설계됐다. 이러한 애플리케이션은 통상 이중 배터리를 사용한다. 그러나 많은 자동차 시스템 설계자는 동일한 설계로 단일 셀 자동차 애플리케이션과 듀얼 셀 상용차를 모두 지원하기를 원하고 있다. 따라서 이 두 가지 구성을 모두 수용할 수 있는 단일 전력 IC를 필요로 한다.

2개의 납산 배터리를 직렬로 사용하면, 공칭 배터리 전압은 24 V로 증가하며 로드 덤프(load dump) 시에는 60 V까지 과도 보호를 필요로 한다. 이에 반해 자동차의 경우 공칭 전압은 12 V이고 로드 덤프 요구사항은 36 V이다. 단일 셀 자동차 애플리케이션은 콜드 크랭크(cold-crank)와 스톱-스타트 시나리오에서 나타나는 낮은 스타트 전압을 받아들일 수 있도록 3.5 V의 낮은 입력으로 동작하는 전력 IC를 필요로 한다. 듀얼 셀 애플리케이션에서 이러한 낮은 입력 요구사항은 크게 완화돼, 단 최소 7 V(배터리 전압)이면 된다. 단일 셀 납산 배터리에서 콜드 크랭크/스톱-스타트 및 로드 덤프 시의 넓은 일시적인 전압 스윙은 그림 1에서 볼 수 있다. 듀얼 셀 애플리케이션도 이와 비슷하지만 로드 덤프 시 최대 전압은 통상 60 V이고 콜드 크랭크/스톱-스타트 시 최소 전압은 7 V이다.

고효율 동작

자동차 애플리케이션에서 전력 관리 IC의 고효율 동작은 두 가지 이유에서 특히 중요하다. 첫 번째는 전력 변환이 효율적일수록 열로 낭비되는 에너지가 적다. 열은 모든 전자 시스템의 장기 신뢰성을 악화시키는 주요 원인이기 때문에 효율적으로 관리돼야 한다. 이를 위해서는 통상 냉각을 위해 히트싱크를 필요로 하므로, 솔루션의 복잡성과 크기, 비용이 증가한다. 두 번째는 하이브리드 카 또는 EV 차량에서 낭비되는 모든 전기 에너지가 직접적으로 주행거리 감소로 이어진다.

최근까지만 해도 고전압 모놀리식 전력 관리 IC와 고효율 동기식 정류 설계는 필요로 하는 IC 공정이 두 목적을 모두 지원할 수 없었기 때문에 상호 배타적이었다. 지금까지 효율이 가장 높은 솔루션은 동기식 정류를 위해 외부 MOSFET을 사용하는 고전압 컨트롤러였다. 그러나 이러한 구성은 15 W 미만 애플리케이션의 경우 모놀리식 방법에 비해 비교적 복잡하고 큰 부피를 차지한다. 다행히 고전압(최대 65 V), 고효율, 내부 동기식 정류를 모두 제공하는 새로운 전력 관리 IC가 시중에 나와 있다.

초저 공급 전류가 요구

많은 전자 서브시스템은 “대기” 또는 “keep alive” 모드에서 동작하면서, 이러한 상태에 있는 동안 조정된 전압으로 최소 무부하 전류를 소비해야 한다. 이러한 회로는 대부분의 내비게이션, 안전, 보안 및 엔진 관리 전자 전력 시스템에 사용된다. 이와 같은 서브시스템들은 각각 여러 개의 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러를 이용할 수 있다. 대부분의 고급형 자동차는 150개 이상 이러한 DSP를 탑재하며, 이 중에서 약 20%가 상시 동작을 필요로 한다. 이러한 시스템에서는 전력 변환 IC가 두 가지 다른 모드로 동작해야 한다.

첫째, 자동차가 주행 중일 때 DSP에 전력을 공급하는 전력 변환 회로는 통상적으로 배터리와 충전 시스템이 공급하는 최대 전류로 동작한다. 그러나 자동차 시동이 꺼져 있을 때는 이러한 시스템의 마이크로프로세서가 계속 동작해야 하므로 배터리로부터 최소 전류를 소비하면서 전력 IC가 정전압을 공급해야 한다. 30개 이상의 이러한 상시 동작 프로세서가 한꺼번에 동작할 수 있으므로 시동이 꺼져 있는 동안에도 배터리에 상당한 전력 수요가 존재한다.
이와 같은 상시 동작 프로세서에 전력을 공급하는데 전체적으로 수백 밀리암페어(mA)의 공급 전류가 필요할 수 있으며, 이 정도면 며칠 안에 배터리를 완전 방전시킬 수 있다. 예를 들어 자동차의 고전압 스텝다운 컨버터가 각각 2 mA 공급 전류를 필요로 한다면, 보안 시스템, GPS 시스템, RKE 시스템, 그리고 ABS 브레이크와 같은 기타 필수적인 상시 동작 시스템에 들어가는 30개의 이러한 컨버터와 전자적으로 작동하는 창문의 누설 전류를 합하면 3주간의 출장 후에는 배터리가 완전히 방전돼 엔진 시동을 걸 수 없게 된다.

따라서 전자 시스템의 크기나 복잡성을 늘리지 않으면서 배터리 수명을 유지하기 위해서는 이와 같은 전원 장치의 무부하 전류를 크게 낮출 필요가 있다. 최근까지 높은 입력 전압 성능과 낮은 무부하 전류의 요구사항은 DC/DC 컨버터의 경우 상호 배타적인 파라미터들이었다. 이러한 요구사항을 보다 잘 관리하기 위해 십여년 전에 몇몇 자동차 제조업체들이 각각의 상시 동작 DC/DC 컨버터에 대해 100 uA 미만의 낮은 무부하 전류 목표를 설정했지만, 오늘날 10 uA보다 낮은 수치가 선호된다. 다행히 새로운 세대의 전력 IC가 나오면서 3 μA 미만의 무부하 전류를 제공한다.

 

새로운 대안

단일 배터리 자동차 및 듀얼 배터리 상용차의 전력 버스 전압 범위는 노출되는 과도 전압 시나리오와 구성이 각기 다르기 때문에, 3.5 V 미만에서부터 60 V 이상까지 변동적일 수 있다. 이러한 넓은 범위의 입력 전압에서 잘 조정된 전압 레일의 요구는 넓은 입력 전압의 고성능 전력 변환 IC를 필요로 한다. 또한 전자제어 모듈(ECM)이 보안, 안전, 내비게이션, 섀시 제어 및 엔진/트랜스미션 관리를 위해 사용되면서 자동차에 들어가는 전자장치가 계속해서 더욱 빠르게 증가하고 있으며, 이에 따라 높은 성능, 낮은 무부하 전류, 높은 주파수 스위칭을 제공하면서 매우 견고한 보호 기능과 신뢰성을 갖춘 고전압 전력 관리 IC가 요구되고 있다. 다행히 IC 설계는 이미 이러한 까다로운 요구사항을 만족하고 있다.

리니어 테크놀로지의 LT8620은 고전압 동기 벅 레귤레이터 제품군의 첫 번째 제품이다. LT8620은 3.4 ~ 65 V 입력 전압 범위를 제공하므로 콜드 크랭크나 스톱-스타트 시나리오와 같은 저전압 과도 전압뿐 아니라, 로드 덤프 시나리오 시 고전압 과도 전압에 노출되는 자동차 및 상용차(단일 및 듀얼 배터리) 애플리케이션에 적합하다. 또한 2.0 A 연속 출력 전류 성능 및 1 V에서부터 VIN 약간 아래까지 출력을 제공할 수 있어 단일 또는 듀얼 셀 배터리 버스에서 직접 동작하는 많은 자동차 레일에 적합하다. 이밖에 외부 다이오드가 필요 없는 초소형의 간단한 솔루션 풋프린트를 구현한다(그림 2).

디바이스의 동기식 정류 설계는 상단 및 하단 MOSFET을 내장해 94%의 높은 효율을 제공한다. 그림 3은 공칭 12 V 입력으로부터 5 V 부하를 구동할 때 비교적 높은 700 kHz 스위칭 주파수에서도 94% 이상의 효율을 제공할 수 있다는 것을 보여준다. 마찬가지로 공칭 24 V 입력으로 5 V를 공급할 때는 최대 92% 효율을 제공한다. 이러한 고효율 동작은 낭비되는 전력을 최소화하고 공간이 극히 제한된 애플리케이션에서도 히트싱크의 필요성을 없애준다.

이밖에 LT8620의 버스트 모드(Burst Mode) 동작은 무부하 전류를 단 2.5 uA까지 낮춰 무부하 시에도 정전압 레귤레이션을 유지하면서 배터리 수명을 극대화해야 하는 상시 동작 애플리케이션에 이상적이다. 뿐만 아니라 매우 낮은 리플의 버스트 모드 동작 토폴로지는 출력 잡음을 10 mVPK-PK 미만으로 최소화하므로 잡음에 민감한 애플리케이션에 적합하다. 외부 동기화를 필요로 하는 애플리케이션의 경우에는 버스트 모드 기능을 펄스 스키핑(pulse-skipping) 주파수 방식으로 교체할 수 있다.

LT8620의 매우 낮은 드롭아웃 성능은, 특히 스톱/스타트 또는 콜드 크랭크 조건에서 출력을 조정해야 하는 애플리케이션에 많은 장점을 제공한다. 그림 4는 입력 전압이 프로그래밍된 출력 전압보다 낮게 떨어지는 경우에도(이 경우 5 V), 입력이 2.9 V를 넘어서면 출력이 항상 입력 전압보다 500 mV 낮게 유지된다는(2 A에서) 것을 보여준다. 많은 ECM 구동은 하나 또는 여러 개의 마이크로프로세서/마이크로컨트롤러를 필요로 하기 때문에, 이러한 특성은 중요하다. 마이크로프로세서는 공칭 5 V로 동작하도록 설계되었지만, 3 V의 낮은 공급 전압에서도 동작을 계속할 수 있다. 따라서 콜드 크랭크 시 입력이 3.4 V까지 낮게 떨어지는 경우에도 마이크로프로세서가 계속해서 동작할 수 있으므로 ECU는 콜드 크랭크 동안에도 매끄럽게 동작할 수 있다.

또한 LT8620은 30 ns에 불과한 빠른 최소 온-시간으로 24 V 입력, 1.5 V 출력 조건에서 2 MHz 정주파수 동작이 가능하므로 설계자는 효율을 최적화하면서 AM 라디오와 같은 잡음에 민감한 주요 주파수 대역을 피할 수 있다. LT8620은 16 V 이상의 입력 전압에서도 매우 잘 조정된 1 V 수준의 낮은 출력 전압을 제공한다. 빠른 스위칭 주파수 동작은 외부 부품 크기를 줄여주므로 LT8620의 2.2 MHz 스위칭 성능은 초소형의 솔루션 풋프린트를 구현할 수 있게 한다. 이밖에 잠재적 EMI/EMC 문제를 최소화하기 위해 특수한 설계 기법이 구현됐다.

LT8620은 내부 상단 및 하단 고효율 전원 스위치와 필요한 부스트 다이오드, 발진기, 제어 및 로직 회로를 단일 다이에 통합했다. 특수한 설계 기법과 새로운 고속 프로세스로 넓은 입력 전압 범위에 걸쳐 높은 효율을 달성하며 LT8620의 전류 모드 토폴로지는 빠른 과도 응답과 뛰어난 루프 안정성을 제공한다. 기타 기능으로는 내부 보상 회로, power good 플래그, 견고한 단락회로 보호 출력 소프트 스타트/트래킹 및 열 보호 기능 등이 있다. 24리드 3 × 5 mm QFN 또는 16리드 방열 향상 MSOP 패키지와 높은 스위칭 주파수를 결합함으로써 외부 인덕터와 커패시터 크기를 줄일 수 있어 초소형의 열 효율적인 풋프린트를 제공한다.