ADAS·인포테인먼트용 레퍼런스 디자인 살펴보기

[테크월드=선연수 기자] 자동차의 사고 방지 대책이 세워지고 자율주행화가 추진됨에 따라 고도의 안전 요구 레벨(ASIL)에 대응하는 첨단 운전 지원 시스템(ADAS)의 필요성이 높아지고 있다. 자율주행이란, 자동차 운전의 4요소인 ▲눈과 귀를 통한 ‘인지’ ▲뇌를 통한 ‘예측’과 ▲‘판단’ ▲액셀을 통한 ‘조작’을 운전자 대신 자동차에 탑재된 유닛이 담당하는 것을 말한다.

안전한 자율주행을 위해서는 정확한 센싱, 실시간 표시, 제어가 중요하다. 이를 위해 하드웨어에서는 카메라와 센서의 탑재수가 늘어나는 경향이 있고, 상황을 정확하게 통지하기 위해 인포테인먼트(Infortainment)의 다기능화도 요구되고 있다.

안전 기능을 실현하기 위한 유닛에는 내부의 동작 상태를 감시해야 하고, 유닛 고장으로 인한 기능 상실에도 대처할 수 있어야 한다. 각 유닛 내부의 동작 상태를 감시하기 위한 전자회로도 필요하다. 이 전자회로가 복잡해짐에 따라, 유닛이나 시스템 설계에는 더 많은 시간이 든다.

자율주행 레퍼런스 디자인 설계

탑재 유닛이 늘어나고 전자회로에서 실현해야 하는 기능도 증가함에 따라, ADAS와 인포테인먼트 주변 유닛의 전자회로에는 다음과 같은 복잡한 설계 사항이 요구된다.

이런 시장 요구에 대응하고자 로옴은 유닛 설계에 필요한 레퍼런스 디자인을 개발하고 데이터를 공개하고 있다.

레퍼런스 디자인 REFRPT001

이번 기고에서는 레퍼런스 디자인 ‘REFRPT001’를 소개한다. REFRPT001는 ADAS와 인포테인먼트 기능에 필요한 전원 레일에 대응하는 8계통 전원 기능을 탑재하고 있다.

다단 전원 계통에서, 배터리 등의 전력원으로부터 첫 번째에 배치된 변환 회로를 ‘프라이머리’라고 하며, 프라이머리 출력에 접속된 두 번째 변환 회로를 ‘세컨더리’라고 한다. 프라이머리 DC/DC 컨버터 IC에는 배터리 크랭킹 경우와 같이, 설정 출력전압보다 입력전압이 낮아진 상태에서 복귀할 시 안정적으로 전압을 공급할 수 있는 ‘BD9P 시리즈’를 채용하고 있다. 세컨더리　DC/DC 컨버터 IC에는 효율이 높은 소형 ‘BD9S 시리즈’가 적용된다.

8계통 모든 출력전압의 모니터링과 IC 자체의 자가 진단 기능을 통해 기능 안전 레벨 향상에 기여하는 전원 감시 IC ‘BD39040MUF-C’가 사용된다. 다음과 같은 시스템 레벨의 검증도 완료됐다.

탑재 IC와 디스크리트 부품은 자동차기기 AEC-Q100, AEC-Q101 그레이드에 대응한다. 주요 IC에서는 기능 안전의 ‘FS supportive’ 카테고리에 대응한다. 로옴은 기능 안전에 대해 제공 가능한 문서를 제품별로 분류해 부품 레벨에서의 기능 안전을 지원하고 있다.

REFRPT001의 레퍼런스 보드 ‘REFRPT001-EVK-001’ 외관[그림 1]과 블록[그림 2]을 살펴보자. 2계통 프라이머리 DC/DC 컨버터 ‘BD9P 시리즈’에서 각각 4계통 출력으로 나뉘고, SoC, MCU, CAN 디바이스로 전원 공급되는 것을 가정한다. 8계통의 출력 전원 레일 모두 전원 감시 IC를 통해 모니터링하고 있어 기능 안전 시스템의 레벨 향상을 돕는다.

다음으로 공개된 EMC 테스트 결과 데이터를 살펴보자. 레퍼런스 보드 전체를 동작하더라도, 입력 필터 없이 EMC 방사 노이즈(안테나 수직)[그림 3], 방사 노이즈(안테나 수평)[그림 4], 전도 노이즈[그림 5] 모두 CISPR25 Class5를 만족하는 것을 알 수 있다. 노이즈 특성의 마진을 높이기 위한 입력 필터 실장 패턴도 미리 기판에 구비돼, 유닛 전체의 수정 공수에 큰 영향을 미치는 EMC 문제에 대해서도 추가 대책을 실시할 수 있다.

설계 지원 콘텐츠와 툴 활용

레퍼런스 디자인 REFRPT001은 설계를 서포트하는 개발 툴(콘텐츠·툴)로서 다음의 데이터를 홈페이지에 공개하고 있다.

레퍼런스 디자인의 일부 회로는 ‘로옴 솔루션 시뮬레이터(ROHM Solution Simulator)’로 시뮬레이션할 수 있다. 이는 무료로 활용할 수 있는 웹 시뮬레이션 툴이다. 주변 회로를 포함한 표준 회로를 구비하고 있어, 시뮬레이션용 회로와 모델을 준비하지 않아도 손쉽게 시뮬레이션해볼 수 있다.

[그림 6]은 배터리 입력에서 프라이머리 DC/DC 컨버터 IC ‘BD9P105’의 후단에 세컨더리 DC/DC 컨버터 IC ‘BD9S201’과 LDO ‘BD00IA5M’을 구비한 2계통 전원 트리의 시뮬레이션 예시다.

[그림 7]은 배터리 입력에서 프라이머리 DC/DC 컨버터 IC ‘BD9P205’의 후단에 각종 세컨더리 DC/DC 컨버터 IC를 구비한 3계통 전원 트리 시뮬레이션의 예시다.

이와 같은 레퍼런스 디자인의 개발 툴과 시뮬레이션을 ADAS·인포테인먼트 주변 유닛 설계에 활용하면, 부품 선정의 번거로움을 덜고 회로를 확실히 검증할 수 있어 유닛 설계 공수를 줄여준다.

REFRPT001 구성 부품별 특징

레퍼런스 디자인 REFRPT001은 첨단 기술과 기능을 탑재한 제품으로 구성된다. 활용된 제품을 하나씩 살펴보자.

BD9P 시리즈(Nano Pulse Control 기술 탑재)

① 42V 내압, 오토모티브용 프라이머리 DC/DC 컨버터 IC 시리즈[표 1]

② 배터리 크랭킹 직후에도 안정적으로 전원을 공급할 수 있는 고속 응답 성능

③ 스펙트럼 확산 기능으로 낮은 EMI 달성(노이즈 저감)

④ 기능 안전의 ‘FS supportive’ 카테고리 대응

BD9S 시리즈

① 오토모티브용 세컨더리 DC/DC 컨버터 IC 시리즈[표 2]

② 시스템의 고신뢰화에 기여하는 출력전압 감시 기능 탑재, 소프트 스타트 시간도 설정 가능

③ 효율성 높은 동작

④ 2.2MHz(typ.) 스위칭 주파수로 AM 대역에 대한 간섭 없음

⑤ 기능 안전의 ‘FS supportive’ 카테고리 대응

BD39040MUF-C

① 기능 안전 대응을 서포트하는 자가 진단 기능(BIST) 내장의 전원 감시 IC[그림 8]

② 가변 워치독 타이머(윈도우 타입), 과전압 감시, 저전압 감시, 리셋 기능 탑재

③ 시스템의 전원 레일을 감시하고 잠재적 고장을 검출하는 자가 진단 기능(BIST) 탑재

④ 내부 기준 전압과 발신 회로를 다중화해 고장 확률 저감

⑤ 기능 안전의 ‘FS supportive’ 카테고리 대응

⑥ 시스템에 추가 탑재가 용이한 소형 3×3mm 패키지

RBR3LAM60BTF

오토모티브 사양(AEC-Q101 준거)의 고신뢰성, 60V 쇼트키 배리어 다이오드로, 본 레퍼런스 디자인에서는 배터리 입력의 역류 방지 다이오드로 사용된다. 다이오드의 순방향 전압(Vf)으로 인한 전압 강하를 최소한으로 억제하기 위해 낮은 Vf를 가진 RBR 시리즈를 채용했다.

RV4C020ZPHZG

오토모티브 사양(AEC-Q101 준거)의 고신뢰성, 1.5V 구동 낮은 ON 저항의 Pch MOSFET이다. 하면 전극 패키지에 실장 신뢰성이 높은 웨터블 플랭크(Wettable Flank) 형상을 채용해, 실장 후 외관 검사가 용이하다. 본 레퍼런스 디자인에서는 3.3V 전원 계통을 분리하는 로드 스위치로 채용됐다.

결론

로옴은 앞으로도 첨단 제품 개발과 애플리케이션 적용을 위한 레퍼런스 디자인을 개발함으로써, 고객이 개발하는 시스템의 에너지 절약화, 소형화, 발열 저감, 설계 공수 삭감, 기능 안전 레벨 향상에 기여할 것이다. 이를 지속 전개함으로써 안심할 수 있는 안전한 자동차 사회를 실현하고 전 세계 인류 생활의 풍요로움에 기여하고자 한다.

자료제공: 로옴

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2021년 2월 호에 게재된 기사입니다.