자동차 연비는 높아지고 있지만 각종 실내 편의사양, 텔레매틱스 커넥티비티, 인포테인먼트를 위한 전기 수요에 대한 부담은 더욱 늘어나고 있다. 차량 계기판이나 헤드업 디스플레이로 다양한 정보를 운전자에게 전달하고 있는데 이 기능들은 주로 터치스크린이나 무선 헤드유닛으로 통용되고 있는 센터 콘솔의 스위치로 조작한다.


 


이에 차량 배터리를 전압 입력으로 사용하는 이러한 시스템에 여러 공급 레일을 제공하는 과제에 대해 알아본다. 또한, 대기전류(IQ) 및 EMI를 낮게 유지하면서 필요한 레귤레이터 출력 전압 범위를 충족하는 데 대한 어려움을 짚어보고, 새로운 오토모티브 전력관리 IC(PMIC)가 대체 솔루션으로 어떻게 이 문제를 해결할 수 있는지 모색해본다.

■ 오토모티브 ‘고효율’ DC-DC 컨버터 必

오토모티브 애플리케이션에서 발열을 제한하기 위해서는 제조사의 엄격한 대기전류 요건을 충족하는 고효율 DC-DC 컨버터가 필요하다. 이 컨버터는 낮은 입력 배터리 전압으로 작동하며 콜드 크랭크(cold crank)와 스타트앤스탑(start-stop) 등 긴급상황을 지원한다. 콜드 크랭크를 관리하는 일반적인 방법은 여러 PMIC(및 기타 구성품)을 사용해 2 단계 벅 레귤레이터로 배터리 전압을 강하하는 것으로, 이를 위해서는 복잡한 회로 설계 및 배치가 필요해 솔루션이 커진다. 이 접근 방식은 EMI 간섭에 취약해 CISPR 클래스 5와 같은 EMI 표준을 충족하기가 어려워진다. 또 차량 배터리에서 부하가 갑자기 분리되는 로드 덤프 상황으로 레일 전압이 갑자기 급증하면 많게는 40V로 파괴적인 수준의 과도 전압이 발생할 수도 있다. 

■ 통합형 부스트 컨트롤러 2단계 전압 강하 방식을 대체

2단계 전압 강하 방식을 대체하는 더 간단한 방식은 그림 2과 같이 통합형 PMIC MAX20057을 사용하는 것으로 이 제품은 다른 오토모티브 PMIC에 비해 장점이 많다.


 


고집적도 3중 출력 PMIC는 두 개의 동기식 벅 컨버터(3.5A, 2A)가 있으며 조절형 전압(일반적으로 10V)을 벅 컨버터에 공급하고, 콜드 크랭크 상태에서 작동 시 배터리 전압이 최저 2V의 배터리 입력까지 하강하더라도 조정 벅 컨버터가 조절된 상태를 유지될 수 있도록 한다. 벅 컨버터는 입력 전압 작동 범위가 3.5V∼36V로 넓으며 작동 전류가 10μA(VOUT = 5V) 및 8μA(VOUT = 3.3V)로 매우 낮아 차량이 장기간 작동하지 않을 때 전압을 조절하는 데 이상적이다.

■ EMI 완화, 분산형 스펙트럼 기능 적용

중요한 EMI 관련 우려를 해결하기 위해 PMIC에는 피크 EMI 수준을 현저히 낮추는 사용자가 선택 가능한 분산형 스펙트럼 기능이 적용되어 있다. 이 기능은 더 넓은 주파수 대역에 걸쳐 가성 에너지를 분산하면서 에너지 강도도 낮춘다.

레귤레이터 스위칭 주파수는 400kHz 또는 2.1MHz로 고정된다. 높은 스위칭 주파수는 필요한 외부 구성품의 크기를 줄이고 출력 전압 리플을 줄이는 한편 AM 대역 간섭이 발생하지 않도록 한다. 이 PMIC는 프로그래밍이 가능해 최적의 성능을 위해 강제 고정 주파수 작동 모드, 초저 대기전류의 스킵 모드, 외부 클록에 대한 위상 고정 동기화 모드 등 3가지 모드 중 선택해 작동할 수 있다.

■ 전압 변환율 증가

몇몇 오토모티브 PMIC에는 비교적 넓은 입력 범위에서 낮은 출력 전압을 공급하는 벅 레귤레이터가 포함되어 있으며 이때 벅 레귤레이터는 낮은 스위칭 주파수로 구동한다. 그 이유는 최소 전압 변환율(VOUT/VIN)이 이 레귤레이터의 최소 조절식 온타임(일반적으로 60ns∼120ns)에 의해 제한되기 때문이다. 적절한 PWM(펄스폭변조) 작동 및 최적의 효율을 위해서 벅 레귤레이터는 일반 작동 조건에서 연속 전도 모드(CCM)로 작동해야 한다. CCM에서 최소 출력 대 입력 전압율은 아래 공식으로 결정된다.

최소 온타임이 120ns이고 입력 전압이 12V인 일반적 벅 레귤레이터의 경우 CCM을 2.1MHz로 유지하려면 출력 전압이 3V 미만으로 낮아질 수는 없다는 것을 의미한다(현실적으로 설계의 여유를 두기 위해 일부 환경에서는 전압 최저치가 5V도 될 수 있다).

낮은 출력 전압을 얻기 위해서는 실효 듀티 사이클을 저하하는 펄스-스키핑 (pulse-skipping)이 필요하지만 이는 원치 않는 EMI를 높일 수도 있다. 일관된 스위칭 속도를 유지하기 위해서는 스위칭 주파수를 낮춰야 하지만 이 또한 EMI 성능에 부정적인 영향을 미친다.

이 PMIC는 이러한 점에서 다른 오토모티브 레귤레이터에 비해 장점이 있다. 최소 일반 온타임이 20ns에 불과한 이 제품의 통합형 벅 레귤레이터는 이론적으로 생성 가능한 출력 전압이 최저 0.5V(2.1MHz의 스위칭 주파수 12V 배터리 입력의 경우)이다. 이 수치는 명시된 최소 조정 출력 전압(1V)보다 낮은 것으로 스위칭 주파수를 낮추지 않고서도 저전압 레일을 공급하는데 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 이에 따라 낮은 출력 전압 수준에서 우수한 EMI 성능을 유지하도록 한다.

이 PMIC의 다른 종류의 제품으로는 부스트 컨트롤러가 탑재되지 않은 3.5/2.5A 듀얼 벅 컨버터인 MAX20457와 3.5A 단일 벅 컨버터와 부스트 컨트롤러가 탑재된 MAX20458이 있다. 모든 버전은 핀 호환이 돼 다양한 애플리케이션에서 단일 보드 설계를 가능하게 한다. 오토모티브 애플리케이션에서의 작동 온도범위는 -40°C ∼ +125°C로 지정돼 있다.

※ 이 기술 기고는 맥심인터그레이티드(now part of Analog Devices) 스타리 차이(Starry Tsai)가 작성한 글입니다.