차량 디스플레이의 기능 안전 요건

[테크월드=선연수 기자] 차량 내부의 주요 기능으로 자리 잡은 자동차 디스플레이는 차량 성능에 대한 중요한 정보, 플레이리스트 등의 엔터테인먼트 옵션, 네비게이션·통신 기능을 제공한다. 일부 완성차 업체들은 사이드미러와 백미러까지도 디스플레이로 대체하고 있다. 디스플레이의 중요성이 높아지면서 디스플레이의 기능적 안전성 기준 충족 사항은 필수요건이 됐다.

이 글에서는 자동차 디스플레이의 안전성 기준을 충족하기 위해 설계 측면에서 필요한 것이 무엇인지 살펴본다.

차량 디스플레이의 대형화

최근 출시된 차량에는 내부에 태블릿 PC보다 큰 터치스크린이 장착된 경우가 많다. 중앙 정보 디스플레이(CID, Center Information Display) 역할을 하는 화면은 차량 속도, 주행 방향, 사전 설정된 라디오 채널, 운전자의 전화번호부, 주변 차량 위치 등을 알려주며, 전기 자동차인 경우 배터리 잔량도 함께 표시한다.

차량 디스플레이의 크기가 TV와 같이 대형화되면서 해상도도 높아지고 있다. 애널리스트들은 디스플레이의 크기가 8인치 이상으로 확대되고 있으며, 2021년까지 차량 내부 디스플레이가 49인치까지 커질 것으로 전망하면서 견조한 성장세를 예상하고 있다. 4K 해상도를 넘어 8K 해상도가 표준이 되고 명암비 기술도 향상될 것으로 기대된다.

뿐만 아니라 많은 차량이 최대 8인치의 디스플레이를 탑재하면서, 머지않아 최대 12인치의 디스플레이가 CID, 헤드업 디스플레이(HUD, Head Up Display), 계기판, 미러 등의 역할을 수행하게 될 것이다.

디스플레이의 선명도와 신뢰성이 중요해지면서 차량의 기능적 안전성 표준을 충족하기 위해, 디자인 관점에서는 어떤 것들이 차량 모듈에 요구될까? 크고 선명한 차량 디스플레이를 생산하기 위해 LED 백라이트 드라이버와 오토모티브 전력관리 IC(PMIC, Power Management IC)에 요구되는 품질 요소에 대해 알아보자.

디스플레이 모듈 설계 시 고려할 사항

TFT(Thin-film transistor)-LCD(Liquid Crystal Display) 기술은 특히 중앙 콘솔 디스플레이와 계기판 등 차량 디스플레이에 일반적으로 사용된다. 이는 디스플레이 글라스 위에 매우 작은 스위칭 트랜지스터와 커패시터가 매트릭스 형태로 배열된 것이 특징이다.

TFT는 스위치처럼 작동하고 액정은 커패시터과 유사한 기능을 수행한다. 스위치가 켜지면 소스 라인의 시그널이 액정 커패시터에 추가되거나 기록된다. 소스 라인은 화면을 생성하기 위해 커패시터에 신호를 보내 액정 분자의 편각을 통제한다. 기존 커패시터를 액정 커패시터와 병렬로 연결하면 유지 특성이 향상되는 효과가 있다. 게이트 라인은 TFT의 온오프를 제어하는데, 스위치가 오프인 경우 시그널이 액정 커패시터에서 유출되는 것을 방지한다.

기능적 안전 규격을 준수하는 것 외에도 차량 디스플레이 모듈 설계 시 고려할 부분이 있다.

깜빡임 방지

먼저 콜드크랭크(Cold crank) 상황에서의 깜빡임을 방지해야 한다. 깜박임은 디스플레이의 무결성을 저해하기에 위험하다. 차량이 냉각된 상태에서 시동을 걸면 주변 온도가 낮아 엔진이 회전하기 시작하면서, 차량의 배터리 전압이 낮아져 디스플레이가 깜빡이게 된다. 이를 방지하기 위해 디스플레이 백라이트의 LED에 전원을 공급하는 LED 드라이버가 탑재돼야 한다.

더 높은 전류 공급

대형 디스플레이에는 기존보다 더 높은 전류를 공급해야 한다. 디스플레이의 크기가 클수록 LED에 전원을 공급하는 전압 생성에 더 높은 전류가 필요하기 때문이다. 소형 스크린은 타이밍 컨트롤러(TCON)가 전류 공급 요구사항을 원활하게 지원하지만, 8인치 이상의 디스플레이에는 별도의 TFT 바이어스나 PMIC가 있어야 한다.

일반적으로 LED 10~11개가 직렬로, 4개의 LED가 병렬로 연결된 8~14인치 디스플레이는 채널당 최대 150mA의 전류를 요구한다.

조도 조절

주변의 여러 조도에 따라 화면을 잘 볼 수 있도록 밝기를 적절한 단계로 조절할 수 있어야 한다. 햇빛이 강한 날 차량 운행 시, 디스플레이는 운전자에게 가시성을 제공하기 위해 더 높은 전류를 필요로 한다. 반대로, 차량이 터널과 같은 어두운 장소를 통과할 경우 전류가 너무 높으면 화면이 지나치게 밝아 보인다. 즉, 전류량은 디스플레이의 가독성에 맞춰 조절할 수 있어야 한다.

EMI 감소

전자기 적합성 요건에도 부합해야 한다. 전자기 간섭(EMI, Electro Magnetic Interference)은 내·외부의 RF 전기 잡음으로부터 발생한다. 확산대역 주파수 변조, 위상 변위, 게이트 슬루율(Slew rate) 제어 등의 기능을 갖춘 LED 백라이트 드라이버를 사용하면 EMI를 줄일 수 있다.

BOM 비용과 솔루션 크기 절감

많은 자동차 엔지니어들은 비용과 솔루션 크기를 염두에 두고 제품을 설계하고 있다. 이런 여러 기능이 통합된 소형 부품은 원하는 차량 디스플레이 구현에 도움이 될 수 있다.

기능적 안전성 표준의 중요성

도로에서 후진 시에는 후방 카메라 화면이 최대한 선명한 것이 좋다. 영상이 멈추거나 깜빡이면 보행자나 자전거 통행 장면 등을 놓칠 수 으며, 저녁에 어두운 도로를 주행하는 경우 화면이 너무 밝으면 오히려 좋지 않다. 특히, 헤드업 디스플레이나 계기판 애플리케이션은 조명 시스템의 LED 라인에 오류가 발생해도 동일한 밝기를 유지하도록 하는 것이 상당히 중요하다.

ISO 26262는 차량 전자·전기 시스템의 기능적 안전성에 대한 국제 표준을 제시한다. ISO 26262의 중요한 요소 중 하나는 차량 안전 무결성 수준(ASIL)으로, 오토모티브 시스템에 내재된 안전성 위험을 분류하고 있다.

ASIL에는 4가지 단계가 있으며, 각 단계는 심각성(부상), 노출(가능성), 통제성에 따라 결정된다. 차량 디스플레이는 일반적으로 ASIL B에 해당한다(가장 높은 단계는 ASIL D). 계기판 디스플레이는 전력 관리용 TFT 바이어스, LED 백라이트 드라이버는 ASIL B 가이드라인을 준수하는 2가지 블록의 예다.

TFT 바이어스는 TFT 소스드라이버를 위한 AVDD·NAVDD 전압, TFT 게이트 드라이버를 위한 VGON·VGOFF 전압, LCD 백패널을 위한 VCOM 전압(TCON이 전류 요구사항을 지원하지 못할 경우 필요)으로 구성된다. 이 블록에는 마이크로컨트롤러(MCU)와의 통신에 필요한 I²C 인터페이스와 오류 핀(Fault pin)도 있다.

일반적인 TFT 바이어스 오류 시나리오로는 VCOM 범위 초과, VGON 전압에서의 과전압 상태, 오픈 인에이블 핀이 있는 고장안전 작동 등이 있다. ASIL B 요건을 준수하기 위해 TFT 바이어스 블록은 다음과 같은 요소를 탑재하는 것이 좋다.

일반적으로 LED 백라이트 드라이버 입력부는 출력이 단락될 경우 전압을 보호해주는 자동차 배터리에 직접적으로 연결된다. 출력은 라인당 LED 개수에 따라 부스트 또는 SEPIC(Single-ended Primary-inductor Converter)가 될 수 있다.

I²C 인터페이스와 오류 핀을 통해 MCU와 통신이 이뤄지며, MCU는 오류 여부를 판단하기 위해 I²C로 저항값을 읽어낸다. 일반적인 LED 드라이버 오류 시나리오로는 LED가 개방된 스트링 1(String 1)과 LED가 단락된 스트링 1의 경우가 있다. LED 드라이버의 ASIL B 요건 충족을 위해서는 다음의 성능을 갖춰야 한다.

ASIL B 규격 충족을 위한 개별 솔루션

ASIL B 규격을 준수하도록 설계된 차량 디스플레이용 전력관리 IC에는 다양한 유형이 있다. ASIL B 요건과는 별도로 자동차 전력관리 IC의 특성을 면밀히 고려하면, 디스플레이 모듈 디자인과 관련한 과제를 해결할 수 있다. [그림 3]은 ASIL B 등급의 여러 기능적 안전성 솔루션을 제공하는 맥심 인터그레이티드(이하 맥심)의 일반적인 차량 디스플레이 선형도다.

예를 들어, LED 백라이트에 사용되는 MAX25024 제품은 ASIL B 규격의 4-채널 백라이트 드라이브로, 통합 전류 출력을 각각 150mA로 LED 전류를 싱크할 수 있다. I²C 인터페이스는 LED 개방·단락 감지, 부스트 출력 전압의 OV·UV, 각 채널의 전류, 입력 전류 측정 등 종합적 진단 정보를 제공한다. MAX25024는 2.5~36V 범위의 입력 전압을 수용하며 차량 로드덤프를 견딜 수 있다.

디스플레이 애플리케이션을 지원하는 맥심의 차량용 전력 관리 IC(PMIC) MAX16923은 감시 기능이 탑재된 4-출력 디스플레이 전력 솔루션을 제공하는데, 이는 차량용 TFT 디스플레이의 메인 레일을 수용할 수 있도록 설계돼 있다. MAX16923에 내장된 고전압 벅 컨버터는 배터리 전압을 5V 또는 3.3V 중간 레일로 변환하는 한편, 낮은 대기전류를 가지며 고전압으로 상시 작동하는 선형 레귤레이터가 3.3V에서 전력을 공급한다.

TFT 바이어스 전력을 위해 3-채널 디스플레이 바이어스 IC를 I²C 인터페이스, AVDD, VGH, VGL, VCOM 버퍼와 함께 제공하는 MAX20067도 있다. 이는 방대한 진단 기능으로 AVDD, VGH, VGL의 과전압과 저전압을 감지해 시스템이 ASIL B 기준을 쉽게 충족할 수 있도록 돕는다.

저전압·고전압 DC-DC 컨버터도 기능적으로 안전한 차량용 디스플레이의 전력 시스템을 위한 핵심 요소다. MAX20079는 대기 전류가 3.5µA인 36V, 3.5A 벅 컨버터를 제공한다. 하이(High)측, 로우(Low)측 스위치가 내장돼 있으며, EMI 성능이 우수한 저소음 솔루션을 제공한다.

이외에도 로드덤프·역전압 보호 회로로 차량의 과도전압으로부터 전원을 보호하는 MAX16126, 7-채널 전력 시스템 모니터로 챌린지(Challenge)·리스폰스(Response) 워치독이 탑재된 MAX20480 등이 있다.

디바이스의 여러 기능들은 각 전원이 ASIL B 규격을 충족하지 않아도 전체 시스템이 ASIL B를 준수하도록 만든다. 맥심은 진단 기능을 갖춘 ASIL B 규격의 전력 시스템 지원 저전압 트리플 DC-DC 컨버터도 제공하고 있다. 기가비트 멀티미디어 직렬 링크(GMSL) SerDes IC는 ASIL B 규격 솔루션을 통해 대역폭 집약적 비디오는 물론 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS, Advanced Driver Assistance System)과 같이 디스플레이에 기반한 애플리케이션을 위한 오디오도 제공한다.

결론

완성차 업체들은 자동차에 더 큰 디스플레이를 탑재하고 있으며, 그 수도 늘고 있다. 운전자에게 주위 환경으로부터의 필수 정보와 차량 성능 등을 제공하는 디스플레이의 기능적 안전성은 중요한 평가기준으로 자리 잡고 있다. 리던던시와 진단 모니터링 등의 기능이 통합 설계된 자동차 전력 IC는 운전자의 주행과 관련한 모든 환경에서 ADAS, CID, 사이드미러 디스플레이 등이 의도한 대로 작동하도록 다양한 도움을 준다.

글: 스즈캉 시엔(Szukang Hsien) 맥심 오토모티브 사업부 총괄 비즈니스 매니저

자료제공: 맥심

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 11월 호에 게재된 기사입니다.