출처│Tuncay Cil, 「Trends in High-Performance Power-Supply Design for Automotive Infotainment」,
     Maxim Integrated Products, http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/4213

유럽, 일본, 미국에서는 2012년도 모델 자동차(2012 model year car)의 절반 이상이 컬러 화면, 내비게이션 시스템, 위성 라디오 또는 다른 형태의 내장 인포테인먼트 기능을 장착하게 될 것이다. 그 결과 2012년에 자동차 전원공급장치는 10년 전보다 크게 달라질 것으로 보인다. 높은 신뢰성, 저가격, 빠른 설계와 같은 상반된 기대는 이전에 일반적인 자동차 전력 공급에 사용하지 않은 설계 기술을 전원공급장치 설계자들에게 강요하고 있다.

자동차 전원공급장치 설계에 있어서 여섯 가지 제약
대부분의 자동차 전원공급장치 아키텍처는 여섯 가지 고유한 제약에 의해 특징지어진다.
1. 입력 전압(VIN) 범위: 12 V 배터리 전력선의 과도 전압 범위는 컨버터 IC의 입력 전압 범위를 결정한다. 자동차 배터리는 일반적으로 9~16 V 범위에서 동작한다. 양호한 배터리의 공칭 전압은 엔진 꺼짐 상태에서 12 V이고, 엔진 동작 시 대략 14.4 V이다. 그러나 이 전압 범위는 과도 상태가 되면 쉽게 ±100 V로 확대된다. 이러한 과도 상태의 전체 설계 명세에 대해서는 업계 표준 ISO7637-1을 참조하기 바란다. 그림 1과 2는 ISO7637 규격의 일부이며 자동차 전원공급장치에서 고전압 컨버터가 해결해야 할 필요가 있는 가장 중요한 조건을 기술한다. ISO7637-1 이외에 배터리에 의해 구동되거나 환경친화적인 가스 엔진에 대해 정의한 새로운 과도 조건이 있다. 대부분의 새로운 설계 명세는 개별 OEM들이 주도하고 있으며 반드시 업계 표준을 따르진 않는다. 그럼에도 불구하고 모든 새로운 시스템에는 과전압 및 저전압 보호가 필요하다.

2. 열 예산(Heat Budget): 열방출 예산은 최소 DC-DC 변환 효율 요건을 결정한다.
케이스 내에 열원(1 W 이상)이 있고, 주변 온도가 높다면(30 ℃ 이상), 공기 흐름이 거의 없는 애플리케이션은 빠르게 뜨거워지게 된다. 예를 들면 대부분의 오디오 앰프는 높은 열방출로 인하여 공기 흐름이 충분한 방열판 위에 설치해야 한다. 또한 특정 보드 영역의 PCB 재료와 구리의 양이 컨버터의 최대 열방출 성능에 영향을 미친다. 방열판이 없다면, 노출된 패키지 패드의 최대 열방출은 일반적으로 85 ℃에서 2~3 W로 제한돼 있다. 주위 온도가 상승함에 따라 열방출 성능은 현저하게 떨어진다.
일반적으로 자동차용 배터리를 3.3 V의 낮은 전압으로 변환하는 경우에는 리니어 컨버터의 변환 효율이 나쁘기 때문에 입력 전력의 75%를 열로 잃어버린다. 이 경우에 1 W의 출력 전력을 제공하는데는 3 W의 전력이 열로 손실된다. 주변 온도와 케이스/접합부의 열저항에 따라 1 W의 최대 출력 전력 제한은 현저하게 저하될 수 있다. 대부분의 고전압 DC/DC 변환 애플리케이션에는 150 mA~200 mA까지의 출력 전류에 최적의 가격 대비 성능을 제공하는 LDO가 사용된다.
동일한 자동차 배터리에 대한 낮은 전압(예, 3.3 V) 변환 시나리오와 3 W 열방출 예산에서 고가의 스위칭 컨버터는 일반적으로 30 W 이상의 출력 전력을 제공할 수 있다. 이것은 대부분의 자동차 전원공급장치 설계 시 가능한 모든 곳에서 LDO 기반 레거시 회로를 스위처로 보완하거나 제거하는 이유이다.
동기식 정류는 대부분 열에 민감한 고전력(20 W 이상) 설계에서 선호되고 있다. 단일 패키지의 열방출 성능을 상회하거나 또는 “핫” 패키지 배치를 관리하기 위해서는 외장형 FET 드라이버를 고려해 볼 수 있다.

3. 대기전류(IQ) 및 셧다운 전류(ISD) 예산: 자동차에 탑재되는 전자제어기(ECU)의 수가 급속히 증가함에 따라 자동차 배터리로부터 공급받는 총 전류 또한 증가하고 있다. 이러한 ECU 중 일부는 엔진이 멈춰 있을 때에도 ‘ON’되어 있어 배터리 전력을 계속해서 소모한다. IQ 소모를 억제하기 위해 대부분의 OEM들은 ECU 당 IQ에 대한 상한을 설정하기 시작했다. 예를 들면 EU에서는 상한을 일반적으로 ECU 당 100 μA로 설정하고 있다. ECU에 대한 일반적인 IQ 목표는 대부분의 EU 자동차 명세에서 100 μA 이하다. CAN 트랜시버, 실시간 클록, 마이크로컨트롤러 등 항상 온(always-on) 상태에 있는 소자들은 ECU에서 IQ 예산의 대부분을 소모하므로, 전원공급장치에는 최소의 IQ 예산이 할당된다.

4. 비용 예산: OEM들의 비용 대비 명세의 트레이드오프는 전원공급장치의 BOM (bill of materials)에 영향을 미친다.
대부분의 대량 생산 애플리케이션에서는 어떤 설계 요건이든 비용이 가장 중요하다. PCB 유형, 히트싱크 가용성, 패키지 배치 기능성, 그리고 많은 기타 설계 제약들이 실제로 주어진 프로젝트에 대한 최대 허용 예산에 의해 결정되고 있다. 예컨대 단층 CM3 대신에 4층 FR4를 사용하게 되면, PCB 상의 특정 지점에서 생성할 수 있는 열에도 큰 차이를 둘 수 있다.
또 다른 비용 제약은 프로젝트 예산 형태로 나타난다. 고객들은 일반적으로 종래의 전원공급장치 설계를 재검토하기 위해서 시간과 돈을 지불하는 대신에 ECU 당 더 높은 비용을 받아들인다. 바꿔 말해 새로운 플랫폼 개발에 따른 높은 비용으로 인해 대개는 최적화되지 않은 종래의 설계 패치를 사용한다.

5. 위치/배치: PCB와 부품 배치는 전원공급장치의 통합 수준을 제한할 수 있다.
기계적인 설계, 보드 레이아웃, 노이즈 민감도, 다양한 보드 연결성 문제, 그리고 다른 배치 관련 제약은 올인원 단일 칩 전원공급장치를 비실용적이게 만들 수 있다. 그러나 POL(point of load)에서 모든 전력 레일을 생성하는 것은 더 높은 비용과 더 많은 부품 점수를 초래하기 때문에 역시 바람직하지 않을 수 있다. 프로젝트 특성에 따라 전원 디자이너들은 통합 수준, 기계적인 제약, 비용에 대해 균형을 잡아야 한다.

6. 전자파 방출: 전자파 방출(electro-magnetic emissions)은 시간에 따라 변하는 전계(전기장)에 기인한다. 이 전계의 주파수와 진폭에 따라, 하나의 전기 회로 동작이 다른 전기 회로 동작에 간섭을 일으킬 수 있다. 현실 세계에서는 라디오 채널과의 간섭이나 원하지 않는 에어백 작동을 일으킬 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해서 완성차 업체들은 ECU를 위한 최대 전자파 방출 기준을 마련했다.
DC/DC 컨버터 유형, 토폴로지, 부품 선정, 보드 레이아웃, 차폐는 전자파 방출(EMI)을 억제하는 데 있어서 모두 중요하다. 긴 세월 동안 전력 IC 디자이너들은 더 나은 EMI 억제를 위해 여러 가지 기술들을 고안했다. 이러한 노력의 소산물이 외부 클록에 동기화하고, 동작 주파수를 AM 대역보다 높게 하고, 통합형 FET와 소프트 스위칭 구동 알고리즘, 그리고 대역 확산(spread-spectrum) 기술을 사용하는 것이다.