'웹시뮬레이션'으로 SiC와 구동 IC를 검증하는 방법 ①
상태바
'웹시뮬레이션'으로 SiC와 구동 IC를 검증하는 방법 ①
  • 로옴
  • 승인 2020.10.14 08:40
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

[테크월드=선연수 기자] 최근 자동차 분야에서는 CO₂ 삭감을 목적으로 하는 연비 향상, 안심할 수 있는 안전 기능, 전동화, 자동 운전을 위한 기술 혁신이 가속화됨에 따라 전자 부품에 대해서도 다기능화와 소형화가 요구되고 있다. 산업기기 분야에서는 스마트 공장을 비롯한 IoT화에 따라 새로운 기능이 계속 탑재돼, 전자부품의 탑재율도 해마다 상승하는 추세를 보인다.

 

애플리케이션의 전자화가 고도화됨에 따라, 전자 회로가 담당하는 역할과 회로의 수는 방대하게 늘어나고 있다. 애플리케이션 개발 시 부품 선정에서 기판 설계, 평가에 이르기까지 회로 설계 시 상당한 공수가 필요하다는 것이 새로운 과제로 떠오르고 있다.

 

애플리케이션에서의 설계·검증 동향

앞서 기술한 과제를 해결하기 위해, 전자 회로 설계에 시뮬레이션을 활용하는 경향이 증가하고 있다. 회로 기판의 프로토타입 전 단계에서 시뮬레이션을 통해 동작을 검증함으로써 문제점을 사전에 추출할 수 있고, 이를 통해 기판의 프로토타입부터 평가까지의 공수를 대폭 삭감할 수 있다.

실제로 자동차의 차량 설계에서도 전자 회로뿐만 아니라 다양한 시뮬레이션이 활용되고 있다. 전자 회로 내부의 전력은 높아지는 반면, 제품의 소형화에 대한 요구도 이어져 유닛 내부에 발열 문제가 발생할 수 있다. 스위칭 동작을 동반하는 토폴로지는 상호 전자 간섭으로 인해 오동작을 일으키는 경우도 있다.

이런 열이나 EMC(Electromagnetic Compatibility) 노이즈에 대해서도 시뮬레이션을 통해 설계의 타당성을 검증하는 방법이 표준화되고 있다. 시뮬레이션을 차량 설계에서 실시하기 위해서는 구성 부품에 대해서도 시뮬레이션 모델 제공이 필요한 경우가 있어, 디바이스 메이커에게도 이에 대한 대응이 요구된다. 완성된 제품에 대한 평가·검증 서포트가 필요할 경우, 전기 측정 환경뿐만 아니라 열 측정 환경, EMC 측정 환경도 함께 구축해야 한다.

 

SPICE 모델과 발열·방열 검증

일반적으로 애플리케이션 설계 시 개발 단계에 따라 제공해야 하는 툴이나 서포트가 달라, 부품 공급사의 입장에서는 애플리케이션 설계의 모든 공수에 대한 서포트 툴과 환경을 구축하는 것이 바람직하다.

로옴도 지금까지 시뮬레이션을 통해 제품의 전기적 특성을 충실히 재현하는 SPICE 모델, 발열 현상·방열 효과를 유체해석으로 검증하는 열 설계 서포트 등 각 개발 단계에서 과제 해결에 기여할 수 있는 다양한 솔루션을 제공해왔다. 최근에는 자동차·산업기기 분야용으로 대전력을 공급하는 파워 디바이스 제품과 파워 디바이스를 구동하는 IC 제품의 성능을 최대한으로 발휘하도록 돕는 애플리케이션 회로 개발·서포트에도 주력하고 있다. [그림 1]은 로옴이 개발 단계에 따라 제공할 수 있는 툴과 서포트를 도식화한 것으로, 이에 대해 하나씩 살펴본다.

 

[그림 1] 로옴이 제공하는 설계 검증 서포트 툴

 

① 정수 계산 툴

예를 들어, DC/DC 컨버터 IC를 사용하기 위해서는 귀환계 회로를 안정적으로 동작시키기 위해 전달 함수를 이해하고, 회로의 내부 정수를 고려해 외장 회로의 정수를 결정해야 한다. 로옴에서는 통상적으로 데이터시트에 이론식을 게재하고 있지만, 이런 ‘정수 계산 툴’을 사용해 간단히 정수를 계산할 수 있고 계산 시 오류도 방지할 수 있다. 툴은 특히 귀환계 회로망인 DC/DC 컨버터 IC와 LED 드라이버에 대해 중점적으로 제공하고 있다.

 

② SPICE 모델

SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)란, 전자 회로의 동작을 검증하는 시뮬레이터의 일종으로, 시뮬레이터상에서 디바이스 특성을 표현할 수 있는 것을 ‘SPICE 모델’이라고 한다.

앞서 소개한 정수 계산 툴은 이론적인 전달 함수 계산에 적합하지만, 숙련된 설계자가 아니라면 파형을 추측하는 것이 어렵다. 실제로 애플리케이션을 설계할 때는 회로 기판의 기생 성분(배선 저항과 배선간 용량)을 고려해야만 한다. 통상적으로 시뮬레이션을 통해 설계의 타당성을 검증하게 되므로, 로옴은 사용자의 시뮬레이션 환경에서 사용 가능한 ‘SPICE 모델’을 제공하고 있다.

반면, 기판의 기생 성분은 반도체 디바이스의 여러 특성에 비해 미세하다. 미세 성분의 영향을 검증하기 위해서는 시뮬레이션용 모델에 높은 정밀도가 요구된다. 로옴의 SPICE 모델은 실제 디바이스와의 오차를 수 % 이내로 억제하는 것을 하나의 기준으로 삼아 작성하고 있다. 실제 디바이스 특성과 시뮬레이션 결과를 비교한 리포트를 제공함으로써 시뮬레이션 결과의 정확성을 증명하기 때문에 개발자는 안심하고 사용할 수 있다.

일반적으로 정밀도가 높은 시뮬레이션은 계산 시간이 늘어날 것으로 여겨지나, 로옴은 스위칭 동작을 시키지 않고도 주파수 성분을 추출하는 독자적인 기술을 통해, 고속 시뮬레이션이 가능한 주파수 해석용 SPICE 모델도 제공한다. 이를 활용해 1초 이하로 주파수를 분석할 수 있으며, 해석 시간 삭감에도 기여한다.

또한, 범용 SPICE를 사용해 검증할 수 있도록 비암호화 SPICE 모델도 제공이 예정돼 있다. 이는 사용자가 사용 중인 시뮬레이션 툴에 의존하지 않고 검증할 수 있도록 한다.

 

③ EMC 시뮬레이션용 SPICE 모델

특히 자동차 분야에서는 유닛 간 전자 간섭으로 인해 오동작이 일어나기도 한다. 이를 방지하기 위한 규격에 대표적으로 ‘CISPR25’가 있다. 로옴도 주요 제품은 CISPR25에 준거한 측정 방법으로 평가하며, 사용자의 애플리케이션에서 노이즈 문제가 발생하면 측정·개선 제안의 서포트를 실시한다. EMC 시뮬레이션용 SPICE 모델도 제공하고 있다. 기판 설계와 부품 선정 시, 리워크가 많이 발생하는 EMC 설계에 대해 시뮬레이션을 통해 서포트함으로써 기판 수정의 횟수 삭감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

 

④ 열 시뮬레이션용 모델

애플리케이션 회로 내부에는 CPU의 고속화 등으로 인해 부하 전류가 증가하고, 패키지의 소형화에 따른 발열 현상이 문제되고 있다. 발열은 부품의 수명을 좌우하는 중요한 설계 항목 중 하나다. 한 번 열 문제가 발생하면, 부품을 다시 선정하거나 기판 패턴의 수정, 방열 설계의 재작업 등 리워크로 인한 공수가 방대해진다.

 

[그림 2] 열 시뮬레이션

로옴은 이를 사전에 회피할 수 있도록 ‘열 시뮬레이션용 모델’을 제공한다. 사용자는 이 모델을 통해 열 시뮬레이션을 간단하게 실시할 수 있다[그림 2]. 기판과 방열 핀(fin) 등을 모델링할 수 있는 기술을 보유하고 있어, 애플리케이션에 적합한 열 설계 노하우와 개선 대책을 제안할 수 있다.

 

⑤ 평가 키트

실제 기기에서 설계한 회로를 바로 평가 하기 위해 평가 키트(EVK, Evaluation Kit)도 구비하고 있다. 사용자는 시뮬레이션으로 타당성을 확인한 후, 실제 기기에서도 확인 가능한 환경을 제공할 수 있다. EVK에는 평가 보드, 부품 리스트, 기판 CAD 데이터, 열·노이즈의 평가 데이터가 포함돼, 부품 선정과 기판 패턴 설계에 참고할 수 있다.

 

⑥ PCB 라이브러리

기판 작성에 필요한 CAD 툴용 ‘PCB 라이브러리’도 공개하고 있다. CAD 툴 상에 부품을 배치하기 위해서는 부품 정보(패키지 정보와 실장용 랜드 패턴)가 필요하다. 사용자는 이를 다운로드해 자신의 CAD 툴에 임포트(Import)해 부품을 간편히 등록할 수 있다. 이는 표준적인 BXL 형식의 파일로 제공돼, 사용자가 사용하는 CAD 툴에 따라 변환할 수 있다(변환 시 무상 툴 사용).

 

⑦ 사용자 기판 평가 서포트

사용자 기판의 평가를 서포트하기 위해 디바이스 단품의 평가 데이터를 애플리케이션 노트로 제공하고 있다. 기판에서 얻어지는 파형과 비교함으로써, 디바이스의 특성이 제대로 발휘되고 있는지 확인할 수 있다. 주요 제품에 대해서는 로옴 공식 웹사이트에서 확인할 수 있다.

열 측정이 가능한 환경과 EMC 측정이 가능한 환경도 있어, 로옴이 작성한 평가 기판뿐만 아니라 사용자 기판에서 열 측정 서포트[그림 3]와 EMC 측정 서포트를 실시할 수 있다. 사용자의 설계 정보가 필요하지만, 실제 기판에서 열 측정과 EMC 측정을 실시할 수 있어, 특성의 재현성이 확보돼 사용자의 평가 서포트로서 활용할 수 있다.

 

[그림 3] 열 측정 서포트 사례

 

‘웹시뮬레이션’으로 SiC와 구동 IC를 검증하는 방법 ②로 이어집니다.

자료제공: 로옴

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 10월 호에 게재된 기사입니다.


관련기사

댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
0 / 400
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.