OLED 및 LED 조명 안정적인 EMI 제어

ST의 차량용 조명 드라이버는 차량 시스템의 EMC를 유지하는 데 중요한 효과적인 EMI 관리 기능을 제공한다. 드라이버는 ASIL 레벨 B와 같은 안전 표준을 준수하면서 정전류 소스 및 PWM과 같은 첨단 기능을 통해 OLED 및 LED 조명을 정밀하게 제어할 수 있다. 드라이버는 CAN FD 조명 프로토콜을 통합하고 스태거 채널 활성화 및 클록 디더링과 같은 EMI 완화 전술을 사용해 차량의 전자적 무결성을 보존한다. 

글 | 필리포 스크리미찌(Filippo Scrimizzi) 애플리케이션 디렉터
     세바스티아노 그라소(Sebastiano Grasso) 애플리케이션 매니저 
     주지 감비노(Giusy Gambino) 마케팅 커뮤니케이션 매니저, ST마이크로일렉트로닉스





OLED 및 LED 기술의 출현은 자동차 조명은 중대한 발전을 뜻하며, 기존 조명 솔루션에서 한 단계 더 도약할 수 있는 기회를 제공한다. 이런 최신 조명기술은 설계 유연성 향상, 에너지 소비 감소, 수명 연장 등의 우수한 특성으로 인해 빠르게 채택되고 있다. 얇은 두께와 균일한 빛 확산이 특징인 OLED와 광효율이 뛰어난 LED는 차량의 시각적 역동성을 재구성해 더욱 독특하고 미래 지향적인 외관을 구현하게 해준다.

하지만 이런 첨단 조명 시스템으로의 전환에는 어려움도 따른다. 자동차 업계의 주요 관심사는 전자 시스템이 장애 없이 원활하게 동작하도록 하는 전자기 적합성(Electromagnetic Compatibility: EMC)의 보장이다. 전자기 장애(Electromagnetic Interference: EMI)는 한 전자장치의 원치 않는 전기적 잡음이나 신호가 다른 전자장치의 정상적인 기능을 방해해 불규칙한 동작이나 고장을 일으킬 수 있는 현상을 의미한다.

자동차 조명과 관련해 EMI는 무선통신, 내비게이션, 안전 관련 전자장치와 같은 중요한 차량 시스템에 장애를 일으킬 수 있다. 이는 수많은 전자 시스템이 서로 근접한 위치에서 동작하는 최신 차량의 밀접하게 통합된 환경에서는 특히 문제가 된다. 따라서 EMI 관리는 차량의 전자 시스템의 신뢰성과 성능을 유지할 뿐만 아니라 엄격한 안전 표준 및 규제 요건을 준수하기 위해서도 매우 중요하다.


차량용 OLED 및 LED 조명 구동 

ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, ST)의 L99LDLH32 차량용 조명 드라이버는 이러한 EMC 문제를 정면으로 해결하도록 설계된 구성요소다. 이 제품은 특히 EMI 발생을 줄이는 데 중점을 두고 차량의 OLED 및 LED 조명 애플리케이션에 전력을 공급하도록 맞춤 설계됐다.
L99LDLH32는 32개의 정전류 소스를 갖춘 지능형 하이사이드 드라이버로 차별화된다. 각 광원은 특정 전류를 전달하도록 프로그래밍할 수 있어 조명 패널 내의 개별 픽셀을 독립적이고 정밀하게 제어할 수 있다. 이 기능을 사용하면 복잡한 조명 효과와 패턴을 쉽게 만들 수 있다. 이 드라이버는 첨단 고주파 펄스폭 변조(PWM) 기술을 사용해 정밀한 광량 제어를 달성하며, 고유한 각 조명 스트링에 맞게 프로그래밍된 고해상도 전류로 더욱 고급스럽다.

고도로 통합된 이 디바이스는 내구성과 안전한 동작에 필요한 포괄적인 기능을 모두 갖추고 있다. 전압 및 온도 모니터링 기능과 더불어 기능안전 제어를 제공하는 첨단 진단 및 보호회로가 탑재돼 있다(그림 1).


그림 1|    스마트 조명 드라이버의 블록 다이어그램


L99LDLH32는 광범위한 구성 옵션을 제공해 독립형, 페일 세이프(fail-safe), 버스 모드 등 다양한 모드에서 동작할 수 있다. 또한 이 장치는 ISO 26262 표준에 명시된 자동차 안전 무결성 수준(ASIL) 레벨 B 요구사항을 충족하도록 설계됐으며, 안전성 강화를 위한 타임아웃 워치독과 림프홈 기능 등 핵심 요소를 갖추고 있다.

FD(Flexible Data-rate) 및 조명 사양을 갖춘 CAN(Controller Area Network)용 프로토콜 핸들러와 트랜시버가 내장된 이 장치의 주요 장점은 통합이다. 이런 통합으로 타이밍 크리스탈과 같은 추가 외부 구성 요소가 필요하지 않아 연결이 간소화된다.
CAN FD 조명 프로토콜은 최대 1Mbit/s의 데이터 속도를 지원하므로 설계자는 복잡한 조명 애니메이션을 유연하게 설계하고 부드러운 조도 전환을 구현할 수 있다. 전원 켜기 및 끄기 단계에서의 원활한 전환은 시스템에 가해지는 전기적 스트레스를 줄이고 EMI 성능을 개선하는 데 중요하다.

L99LDLH32는 조명 채널 활성화에 시차를 두고 채널 활성화 지연을 도입해 EMI를 줄이려는 의도로 설계됐다. 이 접근 방식은 모든 채널에 대해 단일 비트로 전환할 수 있어 설계자가 특정 애플리케이션의 요구사항을 충족하도록 조명 시스템의 성능을 제어할 수 있다. 이 전략은 채널이 동시에 전환될 때 발생할 수 있는 갑작스러운 전자기 에너지 서지를 줄여 다른 차량 내 전자 시스템과의 전자파 장애 가능성을 낮추는 데 효과적이다.

또 이 장치는 EMI가 더욱 완화되도록 특별히 설계된 클록 디더링(Clock Dithering) 기능도 통합돼 있다. L99LDLH32 내의 클록 디더링은 일반적인 EMI의 원인인 LED 스위칭 작업의 타이밍을 담당하는 내부 20MHz 오실레이터의 주파수를 변조하는 방식으로 동작한다. 변조는 오실레이터에 삼각형 파형을 적용해 달성된다. 이 파형은 선형적이고 예측 가능한 주파수 변화로 인해 디더링에 적합하며 부드러운 전환을 보장해 준다. 사용자는 3개의 전용 비트를 사용해 20MHz 중심 주파수에 대한 주파수 변조 및 주파수 편차를 정의하는 삼각 디더링 파형을 설정할 수 있다(그림 2).



그림 2 | 삼각 디더링 파형


오실레이터 주파수가 이러한 증분에 따라 위아래로 미묘하게 이동하면서 잡음이 분산되고 단일 주파수에서 잡음의 피크 진폭이 효과적으로 감소한다. 이런 분산은 전자기 방출의 강도를 희석시켜 드라이버가 차량 내 다른 전자 부품에 장애를 일으킬 가능성을 줄여주기 때문에 중요하다.
이 클록 디더링 기능의 통합은 차량 조명을 정밀하게 제어할 뿐만 아니라 조명 시스템의 첨단 기능이 차량의 전자 무결성이나 안전을 저해하지 않도록 보장하는 L99LDLH32의 정교한 설계를 입증한다. ST는 이러한 기능을 구현함으로써 자동차 설계자가 EMI 규정을 준수하고 차량 내부의 전자적 조화를 유지하면서 OLED 및 LED 조명 기술의 잠재력을 최대한 활용하도록 지원한다.


시스템 지향 분석  

EMI 조사는 차량의 전기 환경 내에서 조명 드라이버의 잡음 내성을 평가하기 위해 시스템 지향 측정을 수행해 실제 장애 조건을 시뮬레이션하는 중추적 테스트 방법론으로 수행할 수 있다. 
벌크 전류 주입(Bulk Current Injection: BCI)으로 알려진 이 테스트는 전자기 교란에 대한 차량용 조명 드라이버의 견고성을 평가하는 데 중요한 역할을 한다. 이런 테스트 결과는 EMI 취약성을 파악하고 구현된 완화 전략의 효과를 평가해 자동차 조명 시스템의 EMI 탄력성을 강화하고 최신 차량의 안전성과 신뢰성을 보장하는 데 중요하다.


BCI 사양  
BCI 특성화에는 전류 주입 프로브를 사용해 배선 하니스에 방해 신호를 주입해 EMI의 영향을 시뮬레이션하는 작업이 포함된다. 프로브는 테스트 보드 회로도(그림 3)에 표시된 대로 테스트 대상 장치(DUT)의 배선 하네스가 이차 권선을 형성하는 전류 변압기 역할을 한다.
이는 실제 방사장 없이도 외부 전자기장이 케이블에 미치는 영향을 재현하는 것을 목표로 한다. BCI 테스트 보드 회로도는 다음과 같이 구성된다.



그림 3 | BCI 테스트 보드 회로도


- RF 발생기, RF 증폭기, 이중 방향성 커플러, 전력계, 주입 프로브(환상면 안테나)로 구성된 RF 경로
- 하나 이상의 DUT, RF 전류 주입용 전선, 양쪽 극에 라인 임피던스 안정화 네트워크(LISN)가 있는 DC 전원 공급 장치가 있는 부하가 포함된 테스트 대상 시스템
- 모니터링을 위한 신호를 캡처하고 필요한 경우 외부 신호로 시스템을 제어하기 위한 광학 프로브

BCI 테스트는 주파수 범위 전반에 걸쳐 EMI에 대한 전자 기기의 내성을 검증하는 데 매우 유용하다. 내성 테스트에서 유도된 협대역 장애의 주파수는 100kHz ~ 400MHz까지 다양하게 나타난다. 방법은 다음과 같다.

- 보정: 테스트 중에 전류를 주입하고 순방향 및 반사 전력을 측정해 DUT의 실제 전류를 확인한다. 이 단계는 정확한 전류 레벨 및 테스트 설정 보정 작업을 보장한다.
- 테스트: 주입된 전류에 대한 DUT의 반응을 관찰하고 사양 한계와 비교한다. 편차 또는 오동작을 분석해 EMI 내성을 판단한다.

자동 BCI 벤치 보정 작업은 IEC 62132-3 및 VW TL-81000/2018과 같은 국제 및 산업별 표준을 준수하면서 EMC 테스트의 정확성과 신뢰성을 보장한다.

- IEC 62132-3: 이 IEC 표준은 장비 보정 작업을 포함한 조건과 설정을 지정해 BCI 하에서 RF 장애에 대한 집적 회로의 내성을 테스트하는 방법을 자세히 설명한다.
- VW TL-81000/2018: EMC 테스트 요건과 방법을 설명하는 폭스바겐 그룹(Volkswagen Group) 표준으로, 2018년 개정판에서는 BCI 테스트 및 보정 작업 프로토콜이 업데이트될 가능성이 높다.

시스템에 주입되는 전류가 직접 측정되지 않기 때문에 EMI 테스트에서 보정 프로세스가 중요한 역할을 한다. 대신 RF 전력 수준에서 추론한다. 정확한 테스트 결과를 보장하려면 이러한 간접 측정에는 정밀한 보정 작업 루틴이 필요하다.
방향성 커플러는 입사 전력과 반사 전력을 효과적으로 분리해 프로브에 전달되는 순방향 전력과 역방향 전력을 모두 측정하는 데 사용된다. 순전력은 순방향 전력과 역방향 전력 간의 차이로 계산된다. 

보정 단계에서 시스템이 50Ω 부하 임피던스에 맞게 조정돼 순전력이 순방향 전력과 효과적으로 동일하게 유지된다. 그런 다음 이 전력은 필요한 주파수 스펙트럼에 걸쳐 보정 장치 내에서 원하는 전류를 생성하는 데 사용된다.
폭스바겐의 기술사양인 VW TL-81000/2018은 최대 400MHz의 주파수에 대해 BCI를 통해 적용되는 테스트 전류의 상한을 설정하는 절차를 자세히 설명한다. 이런 제한은 표 1과 같이 명시돼 있다.

 

BCI 테스트의 주파수 함수로서의 테스트 전류는 그림 4에서 볼 수 있다.



그림 4 | BCI에 대한 테스트 전류 프로파일 사양


ISO11452-4는 대체(개방형 루프) 및 전류 모니터링(폐쇄형 루프) 방법의 두 가지 BCI 테스트 방법을 지정한다. 
BCI 대체 방법에 대한 테스트 구성은 그림 5에서 확인할 수 있다.



그림 5 | 대체 방법을 이용한 BCI의 테스트 구성


주입 프로브는 DUT로부터 150mm, 450mm, 750mm인 세 가지 거리로 배치된다.
RF 전력 잡음이 외부 환경으로 확산되는 것을 방지하기 위해 무반향 챔버에서 테스트를 수행하는 동안 하니스 위에 고정된 프로브에 보정된 순방향 전력이 주입된다. 보정 과정에서 이 전력은 설정된 수준까지 점차적으로 증가한다. 테스트 중에 부하 임피던스가 달라질 수 있으므로 하니스의 유도 전류도 달라질 수 있다.

반대로 폐쇄형 루프 방식은 주입용 프로브와 전류 측정용 프로브 두 개를 사용한다. 보정된 전력 레벨이 적용되고 하니스 전류가 측정된다. 측정된 전류가 지정된 레벨 아래로 떨어지면 필요한 전류에 도달할 때까지 전력이 증가하여 원하는 전류 수치에 맞게 RF 전력을 조정한다. 테스트 중인 시스템의 임피던스 레벨에 따라 높은 RF 전력 레벨이 필요할 수 있다.


실험 데이터    
L99LDLH32의 테스트 조건은 다음과 같이 지정된다.

배터리 전압(VBATT): 13V로 설정
주변 온도(TAMB): 실온 25°C로 유지
부하 사양: 32 x 32픽셀 OLED 패널 사용
전류 설정: 채널 0 ~ 31은 3.8mA의 전류로 조정
PWM 주파수: 200Hz로 구성
디더링: 19.5kHz의 주파수 변조와 6.5%의 주파수 편차에 해당하는 100bin으로 설정
동작 모드: 장치는 일반 모드(버스 모드)에서 테스트된다.

실험 데이터는 그림 6처럼 32 x 32픽셀 OLED 패널을 동작하기 위해 두 개의 L99LDLH32 장치를 통합한 평가 보드를 사용해 수집했다. 



그림 6 | L99LDLH32 평가 보드 및 OLED 패널


이지보드 또는 소형 보드로 알려진 이 특정 평가 보드는 일반적으로 맞춤형 회로 기판을 만드는 데 드는 많은 시간과 노력을 투자할 필요 없이 제품 평가를 위해 설계됐다. 
이지보드는 제품을 부하에 직접 연결하는 간단하고 실용적인 평가 툴로 위험한 조건에서의 자동 보호 기능 테스트가 포함돼 장치와 전체 애플리케이션 기능을 직접 평가할 수 있다. 

BCI 교란 전류는 CAN 버스(각각 CAN_H 및 CAN_L)의 고/저 입출력 전압, 배터리 공급 전압(VBAT) 및 접지 연결에 해당하는 4개의 전선으로 유입된다. 이 설정은 그림 7에 자세히 설명돼 있다. OLED 드라이버 L99LDLH32의 보정 작업 프로세스 중에 주입되는 전류의 프로파일은 그림 8에 그래픽으로 표현돼 있다. 



그림 7 | L99LDLH32의 BCI 주입 전류에 대한 설정


그림 8 | 보정 중 측정된 BCI 주입 전류 레벨


이 전류 프로파일의 판단은 그림 9에 나온 것처럼 순 입사 전력(Pincident)을 직접 측정해 수행된다.



그림 9 | 보정 중 측정된 BCI 입사 전력 레벨 설정


BCI 테스트 중 결함을 식별하는 기준은 OLED 패널의 반응을 관찰하여 결정된다.

버스 모드 과정: 32개 픽셀로 구성된 OLED 패널의 각 행에서 최소 31개 픽셀이 켜진 상태를 유지해야 하며, RF 전원이 공급될 때 눈에 보이는 밝기 변화가 없어야 한다. 광량에 변화가 있는지 모니터링하는 작업은 작업자가 직접 수행해야 한다.
페일 세이프 모드 전환 과정: 시스템이 버스 모드에서 페일 세이프 모드로 전환될 때 예상되는 동작은 각 행의 31개 조명 픽셀 중 29개 픽셀이 꺼지고 2개 픽셀만 켜져 있는 것이다. 이는 페일 세이프 프로그래밍 조건에 따른 결과이다.

테스트 결과, L99LDLH32는 버스 모드에서 페일 세이프 모드로 전환되지 않고 안정성을 유지하며 최대 7.5W의 RF 전력 레벨(107dBμA의 하니스 전류에 해당)에 노출되어도 광량 변동이 없는 것으로 나타났다. 
이 강력한 내성은 1MHz~400MHz의 전체 주파수 범위에서 일관되게 유지된다.


결론   

L99LDLH32 차량용 조명 드라이버는 차량 시스템의 EMC를 유지하는 데 중요한 효과적인 EMI 관리 기능을 제공한다. 이 드라이버는 ASIL 레벨 B와 같은 안전 표준을 준수하면서 정전류 소스 및 PWM과 같은 첨단 기능을 통해 OLED 및 LED 조명을 정밀하게 제어할 수 있다. 드라이버는 CAN FD 조명 프로토콜을 통합하고 스태거 채널 활성화 및 클록 디더링과 같은 EMI 완화 전술을 사용해 차량의 전자적 무결성을 보존한다.

중요한 것은 시스템 수준의 BCI 테스트를 통해 광범위한 주파수 스펙트럼 전반에 걸쳐 높은 RF 전력 조건에서 광량 변화가 없는 L99LDLH32의 강력한 EMI 탄력성을 검증했다는 점이다. 이런 테스트는 자동차 조명 시스템의 전반적인 안전성과 운전자의 신뢰성을 확인하는 데 매우 중요하다. 궁극적으로 L99LDLH32는 최첨단 조명 제어와 자동차 산업에서 요구되는 엄격한 EMI 제어를 결합해 차량이 안전하고 신뢰할 수 있으며 규제 표준을 준수하도록 보장한다.


References
[1]    IEC 62132-3: “Integrated circuits - Measurement of electromagnetic immunity, 150 kHz to 1 GHz - Part 3: Bulk current injection (BCI) method”, 2007.
[2]    Volkswagen TL 81000: “Electromagnetic Compatibility of Electronic Components for Motor Vehicles - EMC changes”, Issue 2018-03.
[3]    International Standard ISO 11452-4, “Road vehicles – Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy, Part 4: Harness excitation methods”, Edition 5, 2020.
[4]    F. Rennig, "CAN FD light – A network protocol to control lighting", Driving Vision News (DVN) Workshop, Munich, 27-28 Feb. 2024.

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AEM_Automotive Electronics Magazine