Latest VIPower HSD with eFuse
eFuse 기능 탑재 최신 VIPower HSD
세계 최초 디지털 전류 감지 및 스탠바이온 기능
2021년 09월호 지면기사  /  글 | 윤범진 기자_bjyun@autoelectronics.co.kr



STMicroelectronics  Andrea Chang    ST마이크로일렉트로닉스 장지용 부장

ST가 최신 VIPower 하이드사이드 드라이버 및 eFuse 제품을 소개했다. ST는 VIPower 디바이스를 초당 평균 40대나 판매한다. 최신 세대의 장치들은 자동차 분야에서 다양한 고전류 애플리케이션의 새로운 기준을 세우고 있다. 전자-기계식 솔루션을 대체하는 VIPower 제품은 더 낮은 전력으로 더 적은 칩 수, 핀이 더 적은 솔루션을 제공하면서 차량의 전기화와 디지털화의 핵심 역할을 한다.

글 | 윤범진 기자_bjyun@autoelectronics.co.kr





Q. 이번 Automotive Innovation Day(AID)에 3년째 참여하고 있습니다. 올해 행사에서는 어떤 내용을 소개했는지 간단한 설명 부탁드립니다. 

A. AID 행사에서는 새로 출시될 예정인 High Side Driver 제품군과 Relay 및 Fuse를 대체할 수 있는 eFuse 제품군들에 대해 소개했습니다.
ST의 High side driver는 VIPower(Vertical Intelligent Power)™ 기술을 기반으로 하는 SPI 통신으로 제어되는 제품과 Control pin을 이용해 제어되는 제품으로 구성돼 있습니다. 이번에 소개해 드린 High side driver 제품들은 ST의 최신 기술이 적용된 M0-9 series로 기존의 M0-7 기술이 적용된 제품들에 비해 더 작아진 패키지 사이즈와 향상된 전류 감지 정확도를 갖추고 있습니다. 

VIPower는 ST가 개발하고 1991년부터 생산 중인 기술입니다. 수직 지능형 전력(Vertical Intelligent Power) 기술은 중/고출력 자동차 부하에 대한 제어, 보호 및 진단 기능을 제공합니다. 이 기술은 수직 이중 확산 MOS 전원장치와 자체 온도 및 전류 센서, 아날로그 믹스 전력(Power-Analog-Mixed) 설계용 CMOS와 HV 부품을 결합합니다. 이 기술의 최신 구성에서는 TrechFET 전원장치가 통합돼 이전 DMOS 구조에 비해 Ron 저항이 35% 낮습니다.





다양한 자동차 애플리케이션  
표준 디스크리트 전원(Standard discrete power) MOSFET과 마찬가지로 VIPower 디바이스의 기판(substrate)은 칩에 통합되어 있습니다. 전원 MOSFET(Multiple Power MOSFET)의 공통 터미널(Drain)을 나타냅니다. 이는 배터리(또는 전원 소스)와 부하 간의 스위치로 보통 사용됩니다. 덕분에 VIPower 기술은 자동차 외장과 내장 조명, 시트 조정용 DC 모터, 도어 장금장치 및 윈도 리프트 장치, 저항성 히터, 그 외 전원뿐만 아니라, 제어 및 센싱이 필요한 모든 종류의 전력 부하를 제어하는 데 완벽한 기술입니다. 

VIPower 기술의 성공은 ST가 VIPower 디바이스를 초당 평균 40대나 판매한다는 사실에서도 볼 수 있습니다. 대부분의 장치는 자동차 차체에 적용됩니다. 최신 세대의 장치들은 자동차 분야에서 다양한 고전류 애플리케이션의 새로운 기준을 세우고 있습니다. 전자-기계식 솔루션을 대체하는 VIPower 제품은 더 낮은 전력으로 더 적은 칩 수, 핀(Pin)이 더 적은 솔루션을 제공하면서 차량의 전기화와 디지털화 프로세스를 실현하고 있습니다. 

VIPower 기술은 전기차로의 전환에서 핵심 역할을 하게 됩니다. (기존 12V 외에) 48V 배전망 사용이 첫 번째 단계입니다. 전압이 높을수록 출력과 효율성이 높아지며, 고전압망을 분리/보호할 필요가 없어집니다. 이러한 스마트 48V 네트워크는 마일드(Mild) 및 풀(Full) 하이브리드 차량에 사용됩니다. 손실이 매우 적고 전류 감지 정확도가 높은 하이 사이드(High–Side) 및 로우 사이드(Low-Side) 부하와 전기 모터를 구동하기 위해서는 지능형 전원 스위치가 필요합니다. 이 모든 것이 ECU의 MCU에 연결돼 모니터링됩니다.


지속적인 발전
ST의 VIPower 팀은 새로운 애플리케이션과 시장에 적응하기 위해 기술을 지속적으로 개발하고 있습니다. 사내 기술 개발자, IC 설계자, 패키지 설계자, 애플리케이션 엔지니어 및 제조는 엄격한 품질 표준에 따라 VIPower 제품의 전체 과정과 라이프사이클을 관리하고 있습니다.


VIPower 로드맵
5차 혁신의 물결을 맞이하다







Relay와 Fuse를 대체할 수 있는 eFuse 제품은 전원 공급을 위한 온/오프 제어와 과전류 보호 및 고장 진단 기능을 제공하며, 과전류 발생 시 소손되는 fuse와 달리 efuse 제품은 반영구적으로 사용할 수 있는 장점이 있습니다. 이번 행사에서 소개해 드린 ST eFuse는 VIPower와 동일한 기술을 적용하고 있으며, 사용자가 직접 과전류 차단 커브(IT curve)를 설정할 수 있는 관계로 시스템 및 와이어 최적화 설계가 가능한 제품입니다. 

eFuse는 기존의 대용량 Fuse나 재설정이 가능한 폴리머 Fuse와 같은 제품들을 대체할 수 있는 통합형 디바이스입니다. PQFN 패키지에 하우징 되어 있으며 제어회로와 낮은 온저항을 갖는 파워 스위치를 통합하였습니다. 
eFuse는 주 전원 라인에 직렬로 연결된 경우, 일반 Fuse와 같이 작동하면서 과전류 및 과전압 상태를 감지하고 신속하게 반응합니다. 과부하 상태가 발생하면, 디바이스는 사용자가 규정한 안전값으로 출력 전류를 제한합니다. 비정상적인 과부하상태가 지속되면, 디바이스는 개방 상태에 진입하면서 전력 공급을 부하 연결로부터 끊어버립니다. 과부하 전류 한계치는 외부 저항(레지스터)를 통해 프로그래밍할 수 있습니다. 
ST의 eFuse는 대부분 입력 과전압 클램프 기능이 있으므로, 입력 전압 이탈(excursion)로 이어지는 전원 공급 조정 고장으로부터 부하를 보호할 수도 있습니다. 

ST의 eFuse 중 특정 디바이스는 고장 이벤트 후 래치 오프(Latch-Off)나 자동 재시도(Auto-Retry) 모드로 동작합니다. (고장 핀을 사용해 eFuse가 시스템 컨트롤러로 고장 상태를 전달합니다.) 래치 오프 유형은 활성화 핀을 통해 사용자가 재설정할 수 있으며, 자동 재시도 유형은 고장 발생 후 자동으로 재준비(Re-Arm)를 시도합니다.  
기존의 회로 보호와 달리, eFuse는 훨씬 빠르고 정확하게 개입하며, 작동 후 교체가 필요하지 않습니다. 
 

 
Q. 이러한 제품을 AID에서 소개하게 된 배경은 무엇일까요? 

A. 자동차 산업 트렌드가 내연차에서 전기차와 자율주행차로 전환되면서 자동차에서 사용되는 ECU(Electronic Control Unit)의 수는 과거 수십여 개 수준에서 현재는 수백여 개 수준으로 점점 증가되고 있습니다. 더불어 많은 카-메이커에서 오토너머스 드라이버에 많은 투자를 하고 있으며, 자율주행에 필요한 안전을 위한 센서, 각 ECU 모듈들이 차량에 적용 중입니다. 각각의 ECU는 수행 역할에 따라 필요로 하는 내부 구성 소자들이 다르지만, 공통적으로 요구되는 제품이 VIPower와 eFuse와 같은 제품군으로, 기계식 제품(ex, Relay)을 대체할 수 있는 반영구적이며 차량 안의 많은 로드를 컨트롤할 수 있는 반도체 제품입니다. 이에 맞춰 신규 출시되는 M0-9에 대한 소개 및 eFuse를 소개해 드림으로써 유저의 선택의 폭을 넓힘과 동시에 전 세대 테크놀러지(M0-7)와 비교하여 이점을 말씀드릴 수 있어 해당 제품군을 소개하게 되었습니다. 



Q. 경쟁사 제품과 비교할 때의 특징은 무엇일까요?



A. ST의 M0-9 HSD series는 SPI 통신 또는 control pin으로 제어가 되는 제품으로 구성되어 있습니다. SPI로 제어하는 제품은 세계 최초로 디지털 전류 감지 기능을 탑재한 관계로 기존의 MCU의 ADC 기능을 사용해야 하는 아날로그 방식에 비해 외부 소자 절감 및 MCU의 workload를 줄일 수 있는 효과가 있습니다. 또한 다양한 전류 용량의 다채널(4채널/6채널) 제품들이 동일한 QFN package(6×6)로 구성된 관계로 설계 변경 시 용이하게 대처할 수 있으며, 작은 패키지 사이즈 덕분에 실장 공간에도 유리한 장점이 있습니다. 

control pin으로 제어가 되는 제품군은 Low Rdson(4 mΩ)부터 High Rdson(80 mΩ)까지 모두 같은 패키지(PSSO-16)로 구성되어 효율적인 설계 적용이 가능하며, 기존의 M0-7 series와도 호환이 가능한 관계로 보다 다양한 요구 사양에 대한 대응이 가능합니다.
일반적인 High side driver는 출력의 On/Off에 따라 내부 전류 소모에 큰 차이가 있는 관계로, 출력이 켜져 있어 전원을 항시 부하에 공급해야 하는 Fuse 역할로 사용하기에는 시스템 대기 모드의 전류 소비 측면에서 기계식 Fuse 대비 적합하지 않은 문제가 있었습니다. ST는 이러한 문제점 개선을 위해 eFuse의 부하(또는 Ecu)가 Switch-off가 아닌 저전력 모드로 동작 시 시스템 대기 전류 소모를 줄일 수 있는 Standby On 기능을 eFuse에 적용하였습니다. 이 덕분에 적은 내부 구동 전류만으로 eFuse는 출력을 On으로 유지할 수 있습니다.

추가로 내부 IT 커브를 설정함에 따라 와이어 사이즈를 최적화할 수 있으며, 과전류 상황과 같은 문제가 발생되었을 때 기존 fuse보다 더 빠른 차단 시간을 갖고 교체 없이 해제 신호입력 만으로도 정상상태로 복귀할 수 있습니다.






Q. 어떤 애플리케이션에 적합할까요?

A. VIPower HSD 제품과 eFuse 제품은 각종 부하에 전원 공급을 위한 온/오프 제어를 주 목적으로, 과전류 보호 및 고장 진단이 필요한 부분에 적합합니다. 주로 Resistive, Capacitive, Inductive 성분을 지닌 부하 제어에 유용하기 때문에 차량용 Junction Box 및 각종 전장품의 부하에 대한 전원 공급용 Switch 및 Fuse 역할로 많이 사용되고 있습니다.


Q. 앞으로 미래 자동차 시장의 트렌드는 어떤 식으로 변화할지 전문가로서 의견을 부탁드립니다.

A. 현재의 자동차는 운전자의 개입 없는 완벽한 자율주행을 목표로 발전하고 있습니다. 더불어 친환경적인 부분 또한 강조되어 기존의 내연기관 컨셉에서 반도체 기반의 구조로 변화를 야기하고 있습니다. 

이는 차량의 경량화에도 영향을 줄 것이며, 차량의 전자화가 진행됨에 따라 빠른 정보 처리가 요구될 것으로 판단됩니다. 기존의 여러 ECU에서 주관했던 정보를 한 곳에서 통합하여 처리하는 방향으로 나아갈 것이며, 더불어 자율주행 시 안전을 위한 고장 진단 및 리던던시 개념의 전원 체계가 구성될 것으로 생각됩니다. [AEM]

 


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