Development Feature



자동차 시스템의 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 지능형 드라이버를 개발하려면 모든 채널에서 균형 잡힌 동작을 유지하는 것이 필수적이다. IR 서모그래피를 사용하면 온도 분포를 정밀하고 종합적으로 분석할 수 있어 스마트 스위치의 열 감지 및 보호 시스템 성능이 향상된다. 요구가 많은 자동차 환경에서 이러한 보호 기능을 신속하게 활성화하는 것은 과열을 감지하고 장치 또는 시스템의 잠재적인 위험을 방지하는데 매우 중요하다. 

글 | 주시 감비노(Giusy Gambino) 마케팅 매니저
     마르셀로 베키오(Marcello Vecchio) 애플리케이션 개발팀 리더
     필리포 스크리미찌(Filippo Scrimizzi) 애플리케이션 시니어 매니저, ST마이크로일렉트로닉스, 이탈리아 카타니아








자동차 전원 관리 시스템에서 스마트 전원 스위치를 지원하는 분산 지능을 개발할 때 중요한 점은 보호 메커니즘이 실질적으로 지능적인지 확인하는 것이다. 사소한 비대칭이나 예상치 못한 부하 상태만으로도 보호 효과에 영향을 미치게 되므로, 이러한 사실은 다중 채널 드라이버와 관련된 시나리오에서 특히 중요하다.

자동차 환경에서 스마트 드라이버는 자동차의 배터리로부터 ECU, 모터, 조명, 센서 등 다양한 구성요소로 전력을 관리하고 분배하는데 중요한 역할을 한다. 이러한 다 채널 드라이버는 저항성, 유도성, 용량성 액추에이터와 같은 다양한 전기 부하를 병렬로 제어한다. 드라이버가 올바르게 작동하고 차량이 효과적이면서 효율적으로 작동하려면 모든 채널에서 균형 잡힌 전류 흐름을 유지해야 한다. 특정 금속 경로를 통해 전류가 집중되는 레이아웃의 사소한 비대칭과 손상되거나 결함이 있는 부하 및 부적합한 배선 등의 예기치 않은 상황으로 작은 영역에서 높은 전류 밀도를 유발할 수 있다. 이로 인해 집적 회로가 과열되고 핫스팟으로 열이 집중되면 궁극적으로는 구성요소가 고장 나거나 손상이 발생하게 된다.

열 시뮬레이션 및 예방조치가 시행되더라도 지능형 보호 메커니즘의 구현을 확인하고 검증하는 과정은 적시 개입을 지연시키는 잠재적 문제를 식별하는 데 매우 중요하다.


스마트 스위치의 열 감지 

하이사이드 드라이버는 매우 작고 컴팩트한 패키지로 상당량의 전류를 처리해야 하기 때문에, 열을 효과적으로 관리하려면 전류 흐름의 균형이 필수적이다. 이는 환기와 열 방출에 취약한 밀폐된 공간에 배치될 경우가 많아 열 관리는 더욱 중요한 문제가 된다.
따라서 지능형 성능은 내장형 열 진단 기능을 이용해야 하며, 이는 운전자의 온도를 모니터링하고 사전 정의된 임계값을 초과하면 조치를 취하는 감지 및 보호 메커니즘에 기반한다. 온도 감지는 모든 채널에 걸쳐 드라이버의 다른 부분에서 전류 흐름의 균일성에 의해 크게 영향을 받기 때문에 상당히 어려운 작업이다. 

예기치 못한 높은 전류 밀도 영역 또는 단락 조건은 매우 짧은 시간에 급격한 온도 상승을 일으키는 확산형 핫스팟으로 추측할 수 없는 열 집중을 일으킬 수 있으므로 큰 우려사항이다. 이러한 조건은 과열 및 구성요소 고장으로 이어질 수 있으며, 위험하고 수리 비용이 많이 들 수 있다.

열 스트레스로 발생하는 손상을 방지하기 위해 보호 회로는 전류를 제한하고 과열 차단 기능이 트리거되어 드라이버가 꺼질 때까지 파워 MOSFET을 안전 작동 영역(SOA) 내에 유지하도록 설계됐다. 하지만 이러한 보호 유형은 전원 장치 표면에 물리적 스트레스를 유발할 수 있다. 전류 제한은 돌입 전류와 공정상 허용 오차를 충족하도록 높게 설정해야 하며, 단락 조건으로 구동할 때 다이 표면의 열이 빠르게 상승한다. 이러한 급격한 온도 변동이 다이 표면에 상당한 열 구배(Thermal Gradients)를 생성하면서, 장치의 신뢰성에 영향을 줄 수 있는 열-기계적 스트레스를 유발할 수 있다. 

VIPower M0-9 하이사이드 드라이버에서는 저온 및 고온 영역에 각각 두 개의 온도 센서를 통합해 이 문제를 해결했다(그림 1). 




그림 1 | 다양한 온도 센서가 있는 스마트 스위치의 단순화된 블록 다이어그램



온도 센서는 동작 온도 전반에 걸쳐 선형 온도 계수를 갖는 폴리실리콘(polysilicon) 다이오드를 사용해 구현된다. 저온 센서는 컨트롤러 근처 드라이버의 차가운 영역에, 고온 센서는 드라이버에서 가장 뜨거운 영역인 파워 스테이지 영역에 배치된다.
이 이중 센서 기술을 사용하면 과열 임계값과 센서 간 동적 온도 수준 사이에서 최저 온도 값에 도달할 때 열 보호 기능이 작동해 드라이버의 온도 상승을 제한할 수 있다. 과열 결함을 없앤 후 온도가 고정값으로 내려가면 스마트 스위치를 다시 활성화할 수 있다. 
이는 시간이 지남에 따라 누적돼 성능 및 신뢰성 저하로 이어질 수 있는 스위치의 열-기계적 스트레스 측면에서 열 피로를 줄이는 데 크게 도움을 준다. 


열 매핑 

시뮬레이션 및 예방 절차와 함께 적외선(IR) 서모그래피(thermography)는 드라이버의 상세한 열복사 맵을 얻을 수 있는 유용한 기술로, 집적 회로 내의 열 분포를 종합적으로 파악하고 잠재적 위험을 강조한다. 
가혹한 자동차 애플리케이션에서 지능적 보호의 효과를 평가하려면 다음 두 가지 시나리오를 통해 까다로운 단락 상태에서 드라이버 내부의 열 분포를 분석해야 한다.

- 단자 단락(TSC)
- 부하 단락(LSC)

단자 단락 상태는 그림 2와 같이 구성 요소 또는 장치의 단자 사이에 저항이 낮은 연결이 있을 때 발생한다. 




그림 2 | TSC에서의 온도 측정을 위한 테스트 회로



반면, 부하 단락 상태는 부하와 전원 사이에 유도 경로가 있어 전류 흐름이 갑작스러운 서지로 이어질 때 발생한다(그림 3).




그림 3 | LSC에서의 온도 측정을 위한 테스트 회로


테스트 조건은 다음과 같다.

T_amb = 25°C
V_bat = 14V
T_on = 1ms(온도 매핑 용)
T_on = 300ms(열 센서 및 핫스팟의 온도 수집 용)
TSC 상태: R_SUPPLY = 10mΩ, RSHORT = 10mΩ
LSC 상태: R_SUPPLY = 10mΩ, LSHORT = 5μH, R_SHORT = 100mΩ

각 용어의 내용은 다음과 같다.

    T_amb: 주변 온도
    V_bat: DC 배터리 전압
    T_on: 단락 이벤트의 지속 시간
    R_SUPPLY: 배터리 저항
    R_SHORT: 단락 저항
    L_SHORT: 단락 인덕턴스


온도 맵을 생성하기 위해서는 IR 카메라 센서를 사용하여 각 위치에서 적외선 방출을 캡처한 다음 온도 값으로 변환한다. 특정 색상에서 정의된 온도 값으로 정확하게 변환하기 위해서는 보정 프로세스가 필수적이다. 이 프로세스에는 센서에서 얻은 다양한 색상을 알려진 온도 값과 비교하는 작업이 포함되며, 특정 열에 민감한 매개변수와 온도 상승에 대한 추이를 통해 얻을 수 있다. 이러한 매개변수를 분석하면서 보정 프로세스는 온도 맵이 스캔 대상 영역의 온도 분포를 정확하게 반영하도록 보장해준다.

IR 카메라 센서를 보정하기 위해서는 온도에 선형적으로 의존하는 MOSFET 바디 드레인 다이오드의 순방향 전압(VF)을 선택한다. 하지만 온도 계수를 정확하게 결정하려면 다이오드를 사전 보정해야 한다. 이는 25°C에서 100°C까지 온도를 변화시키면서 일정한 순방향 전류(I_F)에서 V_F 전압을 측정하는 방식으로 이루어진다. 전류 및 관련 전력 분산으로 인한 온도 상승을 방지하기 위해 I_F 값은 10mA ~ 20mA 범위 내에서 선택한다.

그림 4와 같이 다양한 온도에서 수집한 V_F 값을 사용하면 선형 보간(interpolation) 및 수학적 피팅을 수행해 다이오드의 온도 계수를 구할 수 있다.




그림 4 | MOSFET의 바디 드레인 다이오드 사전 보정



계산에는 다음 공식(1)이 사용된다.



각 용어의 내용은 다음과 같다.
    
Dt: 온도 변화
DV_F:  다이오드 순방향 전압 변동
K: 다이오드의 온도 계수

온도 맵은 IR 카메라 센서를 통해 각 온도 지점을 1ms 간격으로 수집하여 만들어진다. 모든 다이 포인트가 수집되면(약 3,000초 소요) 특수 소프트웨어가 IR 센서의 최소 공간 해상도를 기반으로 각 포인트의 온도를 나타내는 맵을 생성한다. 열복사 맵을 행 실리콘 다이 사진에 오버레이하면 전류가 장치를 통해 흐르는 동안 활성 영역에서 가장 뜨거운 지점을 식별하고 해당 좌표를 확인할 수 있다.

예를 들어, 듀얼 채널 VND9012AJ 스마트 스위치의 열복사 맵을 그림 5에서 볼 수 있다(TSC 상태). 




그림 5 | TSC 상태에서 VND9012AJ 채널의 열복사 맵



25°C~150°C의 온도 범위 내에서 다양한 색상으로 표시되는 드라이버 채널의 온도 분포 그래픽은 과도한 열이 발생하는 영역을 감지하고 드라이버의 안전한 온도 작동을 보장하는 데 중요한 역할을 한다. 다양한 작동 상태에서 각 채널에 대한 열복사 맵을 제공함으로써 최대 온도 임계값을 초과하지 않고도 드라이버의 안정적인 작동을 인증할 수 있다.
핫스팟을 찾고 고온 및 저온 센서 모두의 온도 변화를 모니터링한 후 열 차단 메커니즘의 효율성을 검증하기 위해서는 300ms의 긴 단락 지속 시간을 고려해야 한다. 

TSC를 진행하는 동안 VND9012AJ에서 관찰된 온도 변화는 그림 6에서 볼 수 있다.




그림 6 | TSC 상태에서 두 센서의 온도 변화


그래프는 고온 센서가 감지한 VND9012AJ의 두 채널 모두에 핫스팟이 있음을 나타내며, 이러한 핫스팟의 최대 온도는 150°C 범위 내에 있다. 
LSC 상태에서 VND9012AJ의 열복사 맵은 그림 7에서 볼 수 있다.




그림 7 | LSC 상태에서 VND9012AJ 채널의 열복사 맵



LSC를 진행하는 동안 VND9012AJ에서 관찰되는 온도 변화는 그림 8에서 볼 수 있다.




그림 8 |    LSC 상태에서 두 센서의 온도 변화


두 가지 상태 모두 열 보호 메커니즘을 작동시켜 전류를 안전한 수준으로 제한한다. 


결론     

무엇보다도 전류 분포 및 열 보호 메커니즘에 관한 실험 결과를 통해 스마트 스위치의 설계 및 작동에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있었다. 자동차 시스템의 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 지능형 드라이버를 개발하려면 모든 채널에서 균형 잡힌 동작을 유지하는 것이 필수적이다. IR 서모그래피를 사용하면 온도 분포를 정밀하고 종합적으로 분석할 수 있어 스마트 스위치의 열 감지 및 보호 시스템 성능이 향상된다. 요구가 많은 자동차 환경에서 이러한 보호 기능을 신속하게 활성화하는 것은 과열을 감지하고 장치 또는 시스템의 잠재적인 위험을 방지하는데 매우 중요하다. 

 

AEM_Automotive Electronics Magazine