소비자의 자동차 구매 패턴이 바뀌고 있다. 이 같은 변화가 자동차 전자 산업의 성장을 주도하고 있다. 자동차 제조업체들은 매년 더 새롭고 향상된 전자 장치를 승용차에 통합하고 있다. 현재 차체 전자 시스템의 성장률은 자동차 생산량을 4:1 비율로 추월하고 있다.
새로운 기능이나 향상된 기능은 직접적으로 복잡한 전자 장치를 통합하는 것과 관계가 있으며 브랜드 인지도, 차별화, 소비자의 안락함 및 안전성을 향상시킨다. 하이브리드-전기 자동차는 최신형 자동차로, iPod를 in-dash 엔터테인먼트 시스템에 연결하고 있다. 이제 소비자들은 핸드셋과 통합형 핸즈프리 장치 사이에 블루투스 통신을 표준 기능으로 고려하고 있다.

복잡한 기능

이러한 기능들은 단지 일면에 불과하다. 탑승자들이 볼 수도 만질 수도 없지만 탑승자의 승차감과 편리성을 제공하는 고도로 진화되고 복잡한 기능들이 계속해서 통합되고 있다.
적응형 전조등(Adaptive Forward Lighting, AFL), 다축 좌석 조절(multi-axis adjustment seating), 지능형 공조 시스템(intelligent climate control systems), 충돌 방지(collision avoidance) 및 다이내믹 크루즈 컨트롤(dynamic cruise control) 등은 21세기 자동차 환경에서 매우 중요해지고 있다. 고품격 계기판을 경험할 수도 있다. 자동차 프레임워크 내에서 이러한 뛰어난 시스템 구현은 결국 비용의 문제로 귀결된다.
자동차 전자 설계자들의 한 가지 과제는 탑승자의 안락함과 안전 기능 및 기능 향상을 위해 새로운 전자 부품을 신속하게 도입하는 것이다. 설계자들은 전반적인 설계 및 검증 시간을 단축시킬 것을 요구받고 있으며 품질, 신뢰성, 비용의 목표를 상쇄시키지 않고 오히려 더욱 강화하면서 기존 시스템의 기능을 향상시켜야만 한다. 이러한 과제를 해결하기 위해서 자동차 설계자는 더욱 고도로 통합된 솔루션이 필요하며 시스템 기능 밀도를 증가시키는 데 관심을 돌리고 있다. 따라서 혼합신호(mixed-signal) IC의 대규모 집적도는 하나의 매력적인 대안이 되고 있다.

캡처, 연산, 통신

거의 모든 임베디드 자동차 시스템은 캡처(capture), 연산(compute), 통신(communicate)의 3가지 기능을 수행해야 한다. ‘캡처’는 실세계에서 정보를 추출하여 이것을 디지털 영역으로 변경하는 것을 의미한다. 이 기능은 타이어 모니터링 시스템에서 사용하는 압력 센서의 아날로그 전압이 될 수 있으며, 혹은 충돌 감지 센서에서 I/O 핀에서 나타나는 파형에서 상승 에지(rising edge)가 될 수 있다.
이것은 에어백 동작 메커니즘(airbag firing mechanism)으로 연결될 것이다. “연산”은 디지털화된 정보를 받아들여 애플리케이션 환경에서 이 정보를 처리하는 기능을 말한다. 한 가지 예는 좌석에 어린이가 앉아 있을 때 이를 감지하고 에어백이 펼쳐지지 않게 순간적인 결정을 내리는 에어백 컨트롤러를 들 수 있다. “통신”은 결과를 받아들여 정보가 필요한 다른 시스템으로 배분하는 것을 일컫는다. 간단한 기능의 예로 지시등에 전력을 공급하는 것이다. 더욱 복잡한 기능은 연료 혼합에 있어서 산소 비율을 증가시키기 위해 배기 시스템에서 엔진 관리 컴퓨터에 이르기까지 CO 레벨을 전송하는 네트워크 버스를 적용하는 것이다. 시스템이 이 모든 3가지 기능을 수행할 수 있는 정도가 솔루션의 효율성을 궁극적으로 결정할 것이다.
새로운 설계 과제

연료 탱크 감지 시스템은 자동차 설계자들에게 부과된 과제 중 한 가지 사례이다. 불과 몇 년 전만 하더라도 연료 레벨 센서는 상대적으로 간단한 설계 과제였다. 연료 레벨 센서는 저항성 표면(resistive surface)에 걸쳐 스위핑 브러시 컨택터(sweeping brush contactor)를 갖춘 간단한 유동 메커니즘으로 구성되어 있었다.
그 결과는 연료 탱크에 남아있는 연료량에 비례하는 아날로그 출력을 생성한다. 오늘날의 차량에서 연료 탱크 구현은 플랫폼 설계의 최종 단계에서 이루어지며, 설계는 사용되지 않고 남아있는 공간을 이용해야 한다. 이것은 변위 속성(displacement attributes)의 비선형적 부피를 갖는 색다른 구조의 탱크를 필요로 할 수도 있기 때문에 검출부(float) 시스템의 구현을 복잡하게 만든다. 심지어 더 중요한 것은 대체 연료의 도입과 연료 유도체이다. 예를 들면, 석유와 에탄올의 혼합 비율은 점화와 타이밍, 방출 등의 엔진 동역학에 영향을 미칠 수 있다. 자동차에서 연료 조성을 결정하고 다른 ECU(Electronic Control Unit)에 정보를 전달하는 기능은 차세대 연료 탱크 센서의 애플리케이션 요구사항으로 간주되고 있다. 따라서 초급 센서 설계는 이제 복잡한 분석 제어를 수반하게 되었다.
기능 세트 확장이 자동차 내의 거의 모든 시스템에서 일어나고 있다는 사실을 명심하는 것이 중요하다. 자동차 전면유리의 서리제거 기능은 어떠한 상황에서도 응결에 필요한 조건을 방지하거나 제거할 수 있는 능동 이슬점(dew-point) 컨트롤러로 대체되고 있다. 강우 감응 와이퍼(Rain sensitive wiper) 장치는 모터 제어와 강우 감지 기능을 모두 단일 시스템에 통합했다. 차세대 안티-핀치(Anti-pinch) 윈도 및 선루프 클로저는 이러한 안전 시스템의 마이크로 전자에서 요구되는 통합을 대표하는 또 다른 애플리케이션이다.

1세대 안티-핀치 기술

1세대 안티-핀치 장치는 전기 모터로 구동하는 기계식 구동 시스템으로 구성되었다. 모터 전류는 컨트롤러에 의해 모니터 되며, 정지 조건(즉, 장해)을 나타내는 fixed threshold와 비교되었다. 이것은 창문 방향을 위에서 아래로 반전시킬 것이다. 그림 1은 이 같은 내용을 보여준다.
초기 방식에서 몇 가지 제한 요소가 있었다. 첫 번째는 스타트업에서 관찰되는 모터의 정지 전류와 그림 2와 3에서 보듯이 창문 작동에 장해가 있을 때를 구분하는 방법을 개발하는 것이었다. 비교 회로(comparator circuit)에 고정 시간지연 기능을 도입하여 정지 전류 임계값은 모터가 동작하기 시작한 이후에만 비교되었다. 그러나 이것은 부분적으로 열려 있는 창문의 안티-핀치 감지를 방해한다. 예를 들면, 창문이 창문턱 상단에서 10 mm의 시작 지점에 있을 경우 창문은 닫힐 수 있으며 임계 타이머의 종료에 앞서 지속적 정지(hard-stop)를 보증할 수 있다.
두 번째 제한 요소는 시간이 경과됨에 따라 기계식 시스템의 파라미터가 바뀌어 안티-핀치의 희망 임계 감도가 긍정적이든 부정적이든 변화되어 모터의 동작 부하에 영향을 미친다는 것이다.
끝으로, 고정 임계값을 사용함으로써 이러한 시스템들은 주행 환경의 동적인 변화에 적응할 수 없다. 온도 변화는 창문의 차폐 상태에서 열팽창 효과로 인하여 동작 부하에 막대한 영향을 미친다. 선루프의 적용에서, 차량이 움직이지 않는 동안 선루프를 닫기 위해 필요한 동력은 차가 주행 중 일 때와는 상당히 다르다. 완만한 노면에서 창문을 올리기 위해 필요한 동력은 차량이 거친 길을 주행할 때와 다르다. 두 가지 사례에서, 이러한 변화된 조건을 보상하지 않으면 불안전하거나 적당하지 않은 동작을 야기한다.
이 같은 3가지 기본적인 문제는 설계자들에 따라 다른 방식으로 해결되었다. 어떤 설계자들은 별도의 센서를 구현하거나 더 엄격하게 제어된 재료와 부품으로 문제를 해결했다. 이 방법은 설계에 있어서 모두 비용과 복잡성을 가중시켰다. 3가지 한계를 해결할 수 있는 안티-핀치 기능을 구현하는 저가형 방법이 대두되고 있다.