차량용 디지털 조명의 EMI 과제 해결 방안

EMI가 전자 드라이버에 미치는 영향을 완화하고 조명 시스템의 수명과 안정성을 보장하려면 강력한 설계 및 진단 기능이 결합된 효과적인 잡음 관리 전략이 필수적이다. 이렇게 EMC 분야에서 탁월성을 추구한다면, 기술이 넘쳐나는 오늘날의 복잡한 전자기 환경에서도 최신 차량들이 안전하고 효율적으로 운행될 수 있다.

글 | 주시 감비노(Giusy Gambino), 
    세바스티아노 그라소(Sebastiano Grasso), 
    필리포 스크리미찌(Filippo Scrimizzi), ST마이크로일렉트로닉스





제품 개발 주기 동안 엔지니어는 성능, 안정성, 설계, 기능, 미관을 우선적으로 고려한다. 하지만 전자기 규정 준수가 매우 중요하다는 점을 놓쳐서는 안 되며, 규정 준수는 신제품 개발의 주요 고려 사항으로 완벽하게 통합돼야 한다.
차량 기술의 복잡성을 고려할 때, LED 및 OLED 기술을 사용한 디지털 조명으로의 전환은 상당한 혁신을 의미한다. 이러한 발전은 차량의 미관 향상뿐만 아니라 조도 개선과 에너지 효율 향상과 같은 기능적 이점도 제공한다. 특히 전자기 적합성(규정 준수)(Electromagnetic Compliance, EMC) 분야에서 혁신을 이루는 데는 큰 과제가 따른다. 전자기 간섭(장애)(Electromagnetic Interference, EMI)은(는) 최신 차량에 필수인 정밀 전자 시스템을 위협할 수 있으므로 효과적인 잡음 관리는 안전 보장과 성능 유지에 매우 중요하다.

전자기 적합성(규정 준수) 테스트 개요       

전자기 적합성(규정 준수) 테스트는 다양한 전자기 환경에서 디바이스가 효과적이고 안정적으로 작동하도록 설계되었는지를 확인하는 필수 프로세스이다. 이 테스트는 EMI를 유발하거나 EMI에 부정적 영향을 받지 않으면서 디바이스의 성능을 평가하는 데 중요하다. 제조업체 입장에서 규정 준수 테스트는 단순히 기술 사양만 충족하는 것이 아니다. 국제 규제 표준을 준수하고 필요한 인증을 획득해야만 세계 시장에 진출할 수 있다.
BISS(Bosch / Infineon / Siemens Specification) 표준은 업계에서 인정받는 프레임워크로, 규정 준수 테스트를 크게 두 가지 주요 범주, 즉 전도성 RF 테스트와 방사성 RF 테스트로 분류한다. 이 테스트 프로토콜은 방출과 내성/민감성이라는 두 가지 주요 특성을 검사해 시스템 수준에서 전자 기기의 전자기 적합성(Electromagnetic Compatibility: EMC)을 엄격하게 평가하도록 설계됐다. 각 테스트 범주는 디바이스가 엄격한 산업 표준을 준수할 뿐만 아니라 다양한 전자기 환경에서 최적의 성능을 유지하도록 보장하는 역할을 한다.

전도성 RF 테스트는 전선 또는 신호 케이블 등의 전도성 경로를 통해 전파되는 전자기 교란을 측정 및 제어해 다른 기기에 발생하는 간섭을 방지하는 것이 목표이다. 이 테스트에는 전기 포트로 테스트 대상 디바이스를 측정 장비에 직접 연결해 이러한 전도 채널로 전송되는 EMI를 정량화하는 과정이 포함돼 있다. 전기 네트워크와 상호 작용하는 디바이스의 경우 전도성 RF 테스트가 필수이며, 다른 시스템을 방해할 수 있는 과도한 잡음이 그리드 또는 통신 선로에 유입되지 않도록 보장해준다.

방사성 RF 테스트는 디바이스가 주변 공간으로 방출하는 전자기 에너지를 평가해 주변 전자 시스템의 작동을 방해할 가능성이 있는 전자기 에너지를 평가한다. 테스트는 외부의 잡음 및 반사를 차단하도록 설계한 무반향실과 같은 환경에서 수행하므로 기기가 방사하는 EMI를 정밀 측정할 수 있다. 방사성 RF 테스트는 무선 및 기타 방사형 기기가 전자기 방출 제한을 초과하지 않으면서 다른 전자 장비에 유해한 간섭을 유발하지 않는지 확인하는 매우 중요하다.

요약하자면 BISS 표준에는 전자 디바이스 인증에 필수인 종합 가이드라인이 규정돼 있다. 이 프레임워크는 해당 기기가 안정적으로 작동하고, 기술이 발달한 현대 시대에 널리 사용되는 복잡한 전자기 환경에 원활하게 통합되도록 보장하는 핵심 역할을 한다.
이 표준은 전도성 및 방사성 테스트를 모두 세심하게 다루고 있으며, 그림 1과 같이 완전한 전자기 적합성을 보장하기 위해 방출 및 내성/민감성 모두에 대한 기기 평가의 중요성을 강조하고 있다.




그림 1 | BISS 국제 규격에 따른 규정 준수 테스트



방출 및 내성/민감성에 대한 BISS 표준의 이중 핵심은 크게 두 가지 이유에서 중요하다.

- 방출 테스트: 디바이스가 방출하는 전자기 교란이 규제 제한을 초과하지 않도록 해 주변의 다른 전자 시스템 기능이 간섭 받을 가능성을 방지한다.
- 내성/민감성 테스트: 외부 전자기 교란에도 성능 저하 없이 작동하는 기기의 성능을 인증하는 것으로, 일관된 성능 및 안정성 유지에 필수적이다.

제조업체는 BISS 표준을 준수하면서 디바이스가 다양한 전자기 조건에서 효과적으로 작동할 수 있음을 인증하고, 전자기가 밀집된 현대 기술 환경에서도 성공적으로 함께 사용할 수 있음을 보장하게 된다. 특히, 전도성 RF 내성 테스트에 대한 BISS 테스트 방법은 다음 표(표 1)에 자세히 설명돼 있다.




표 1  | 전도성 RF 내성 테스트 방법



IEC(International Electrotechnical Commission) 62132-4에서 발췌한 참조는 전자 부품 및 시스템의 EMC를 평가하는 방법을 제공하는 국제 표준의 특정 내용과 연관된다. 


전도성 내성

DPI(Direct Power Injection) 내성 테스트의 목표는 IC의 표준 기능에 영향을 미치는 데 필요한 최저 수준의 전력 교란을 확인하는 것이다. 이 테스트 중에는 IC가 계속 작동하는 동안 결합 커패시터를 통해 RF 교란 신호가 IC 핀에 유입된다. 이 테스트로 IC의 성능을 추적해 RF 교란이 영향을 미치는지 확인한다.
정확한 모니터링을 위해, 관찰 중인 신호는 일반적으로 오실로스코프와 같은 모니터링 장치에 표시되기 전에 저주파 통과 필터를 통과한다. 이를 통해 관련 주파수 성분만 분석할 수 있다.

DPI 내성 테스트는 150 kHz ~ 1 GHz의 포괄적인 주파수 스펙트럼에 걸쳐 해당 범위에서 교란 신호의 전력을 점진적으로 증가시킨다. 초기 주파수에서 시작해 각 주파수 단계에서 IC가 고장을 일으키거나 테스트의 전력 상한에 도달할 때까지 전력을 서서히 높인다. 이 프로세스를 통해 전자기 장애에 대한 IC의 내성 프로파일을 반영하는 DPI 특성 곡선을 설명하고, RF 교란 시 IC의 복원력에 대한 귀중한 인사이트를 확보할 수 있다.


실험 데이터 

디지털 LED 모듈 또는 OLED 패널을 사용하는 차량용 외장 조명 애플리케이션에서 배터리를 해당 조명에 연결하는 긴 케이블은 간혹 의도치 않은 안테나 역할을 하면서 주변 환경의 EMI를 포착할 수 있다. 이러한 EMI는 조명 시스템을 조절하는 전자 드라이버에 악영향을 끼쳐 다양한 장애를 유발하기도 한다.

예를 들어 EMI는 제어 신호의 변동을 일으켜 조명이 눈에 띄게 깜박이는 현상을 일으킬 수 있는데, 이는 특히 운전 중 방해가 되거나 위험할 수 있다. 또한 조광 기능에 영향을 미쳐 조명이 예기치 않게 어두워지거나 운전자의 명령에 올바르게 반응하지 않을 수 있다.
최신 차량은 복잡한 통신 프로토콜에 의존해 조명을 관리하기 때문에 데이터 전송의 무결성도 위험에 처하게 된다. EMI는 조명 모듈로 전송되는 데이터를 손상시켜 명령이 부정확하거나 불완전하게 실행될 수 있다. 극단적인 경우에는 통신이 완전히 중단되어 조명이 의도대로 작동하지 않을 수 있다.

EMI의 영향으로 즉각적인 기능을 넘어 전자 부품에 스트레스를 주고 전반적인 수명과 안정성도 떨어뜨리게 된다. EMI에 지속적으로 노출되면 전자 드라이버의 조기 고장을 초래해 이른 교체가 필요할 수도 있다.
안전 측면에서 보면 전조등 또는 브레이크등과 같은 외부 조명의 작동이 방해받을 경우 도로에서의 가시성이 저하돼 심각한 위험을 초래하게 된다. 또한 EMI로 인해 신호등이 비정상적으로 작동하면 다른 도로 이용자가 신호등을 잘못 해석해 사고 발생 가능성이 높아진다. 따라서 차량용 LED 및 OLED 드라이버는 고도의 정밀 설계와 강력한 보호 및 진단 기능을 내장해 EMI 영역을 완화해야 한다.
일반적인 DPI 테스트 설정을 그림 2에서 볼 수 있다.




그림 2  | DPI 측정의 일반적인 테스트 설정



RF 내성 테스트의 설정에는 다음 기능이 포함된다.

- 신호 발생기: RF 교란 신호를 생성하는 데 사용
- 주입 프로브: RF 신호를 IC의 전원 공급 장치 또는 신호 라인에 직접 연결
- 모니터링 장비: DSO(Digital Storage Oscilloscope) 또는 스펙트럼 분석기로 IC의 응답을 모니터링
- 테스트 보드: 특수 설계된 PCB, IC를 고정해 적절한 주입 및 측정 지원

DPI 테스트를 위해 차량용 32채널 (O)LED 드라이버인 L99LDLH32를 다음과 같은 인쇄 회로 기판(PCB)으로 구현했다(그림 3).




그림 3 | 차량용 (O)LED 드라이버용 DPI 테스트 보드



드라이버를 테스트 보드에 장착한 후 주입 프로브를 IC의 전원 공급 장치 또는 신호 라인에 연결한다. 그런 다음 신호 발생기를 원하는 RF 신호를 생성하도록 구성하고 다양한 주파수 및 전력 수준에서 IC에 주입한다. IC가 오작동 징후를 보이거나 미리 정의된 제한에 도달할 때까지 전력 수준은 서서히 높아진다. IC의 성능을 지속적으로 모니터링하고 모든 교란 또는 오작동을 기록한다. 그런 다음 수집된 데이터를 분석해 IC의 내성 수준을 결정한다. 그 결과를 지정된 내성 기준과 비교해 RF 교란 시 IC의 성능을 평가한다.
L99LDLH32는 다음 조건에서 측정을 수행한다.

- 배터리 전압    =    13V
- 주변 온도    =    실내 온도
- 채널 전류(0~31)    =    7.4mA
- PWM 주파수    =    200Hz
- 디더링 빈    =    100
- CAN FD Light가 장착된 일반 모드(버스 모드)

주입은 글로벌 핀 및 로컬 핀 모두에 대해 수행한다. 글로벌 핀은 그 중간에 능동 부품을 사용하지 않고 애플리케이션 보드에 들어오거나 나가는 신호 또는 전력을 전달한다. 반면 로컬 핀은 애플리케이션 보드를 벗어나지 않고 두 부품 간의 신호(지역 신호)로 애플리케이션 PCB에 남아 있는 신호 또는 전력을 전달한다.
BISS 사양에 따르면 모든 글로벌 핀과 공급 핀을 측정해야 하지만 로컬 핀 측정은 필수가 아니다. 종합적인 분석을 위해서는 RF 교란 신호 주입을 위해 다음 핀을 선택한다(그림 4).




그림 4  | 교란 주입용 드라이버 핀 



여기서 의미하는 바는 다음과 같다.        

    - Vs는 차량 배터리 전압(VBAT)에 연결된 드라이버의 입력 공급 전압이다.
    - NTC(Negative Temperature Coefficient)는 온도 센서의 전압이다.
    - VPRE_REG는 외부 예비 레귤레이터 연결용 핀이다.
    - OUT0~OUT31은 드라이버의 출력 핀이다.

주입 지점은 다음 표에 분류되어 있다(표 2).




표 2  | 주입 지점 분류



교란 결합은 그림 5와 같이 최대 허용 오차 값이 1%로 설정된 수동 부품을 사용해 관리한다.




그림 5 | 교란 주입용 회로도



BISS 사양에는 세 가지 다양한 제한 등급(등급 I, 등급 II, 등급 III)이 규정돼 있으며, 각 제한은 그림 6 (글로벌 핀의 경우 그림 6a, 로컬 핀의 경우 그림 6b)에서 볼 수 있다.




(a)                                                                                                   (b)
그림 6 | 글로벌 핀(a) 및 로컬 핀(b)에 대해 설정된 DPI 제한



장애 기준은 다음과 같이 규정되어 있다(표 3).




표 3 | DPI 측정에 대한 장애 기준

5V 및 3.3V는 LDO(Low Dropout) 내부 레귤레이터의 출력 전압이다. 구체적으로는 다음과 같다.

- 5V 전압은 통신 인터페이스 레귤레이터의 출력 전압이다.
- 3.3V 전압은 로직 및 I/O 레귤레이터의 출력 전압이다.

이러한 전압은 통신 인터페이스와 로직 및 I/O 부품이 올바르게 작동하도록 안정적이고 적절한 수준을 유지하는 데 중요한 역할을 하므로 장애 기준에 포함된다.
실험 결과는 다음 표에 요약돼 있다(표 4).




표 4 | DPI 측정 결과 L99LDLH32 드라이버 IC는 글로벌 및 로컬 핀 모두에 대해 지정된 제한을 충족하거나 초과하는 뛰어난 RF 교란 내성을 입증했다. 다양한 테스트 조건에서 강력한 성능을 발휘하는 이 IC는 통신 인터페이스, 로직 및 I/O 부품의 안정적인 작동을 보장하므로, RF 교란에 대해 높은 내성이 필요한 애플리케이션에 적합하다.
차량용 에코시스템의 제품 개발 주기에는 EMC 분석 통합이 필수적이다. 제조업체는 BISS 사양과 같은 엄격한 표준을 준수하고 포괄적인 DPI(Direct Power Injection) 테스트를 수행하면서, 제품이 규제 요건을 충족하고 실제 조건에서 안정적이고 일관된 성능을 제공하게 만들 수 있다.
이 실험 데이터는 EMI 관리가 차량용 조명 시스템의 기능과 안전성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 중점적으로 보여준다. EMI가 전자 드라이버에 미치는 영향을 완화하고 조명 시스템의 수명과 안정성을 보장하려면 강력한 설계 및 진단 기능이 결합된 효과적인 잡음 관리 전략이 필수적이다. 이렇게 EMC 분야에서 탁월성을 추구한다면, 기술이 넘쳐나는 오늘날의 복잡한 전자기 환경에서도 최신 차량들이 안전하고 효율적으로 운행될 수 있다.


 

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References
[1]    Guideline for “Electro-magnetic compatibility on IC level”, BISS (Bosch / Infineon / Siemens Specification) 2.0, Rev. D, May 2014.
[2]    IEC 62132-4 “Integrated circuits - Measurement of electromagnetic immunity 150 kHz to 1 GHz - Part 4: Direct RF power injection method”, Feb. 2006.
[3]    L99LDLH32 datasheet, st.com/L99LDLH32.
[4]    G. Gambino, V. Ferraro, F. Scrimizzi, “Unleashing the performance of automotive intelligent lighting”, EDN Asia, May 2024.

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