자동차 애플리케이션에서 지능적 모터 제어 방법

오늘날 자동차에는 갈수록 더 많은 수의 전기 제어 모터가 사용되고 있다. 기업 정보 및 소프트웨어 분석 회사인 IHS의 조사에 따르면, 2012년에는 자동차에 23억 개의 전기 제어 모터가 사용되었다. 이 숫자가 2017년에는 29억 개로 늘어남으로써, 5.7퍼센트의 CAGR(복합 연평균 성장률)로 성장할 것으로 전망된다. 인피니언 테크놀로지스의 Embedded Power 브리지 드라이버 제품군은 고도의 기능 통합을 이룸으로써 다양한 자동차 애플리케이션으로 지능적 모터 제어에 대한 갈수록 높아지는 요구를 충족할 수 있다.

글 : Theodore Varelas, 인피니언 테크놀로지스
www.infineon.com

인피니언의 Embedded Power 제품군 -

단일 칩으로 ARM 프로세서와 브리지 드라이버 통합

인피니언 테크놀로지스는 Embedded Power 브리지 드라이버 제품군을 출시하였다. 이들 제품은 고도의 기능 통합을 이룸으로써 다양한 자동차 애플리케이션으로 지능적 모터 제어에 대한 갈수록 높아지는 요구를 충족할 수 있다.

이들 새로운 Embedded Power 제품군은 단일 칩으로 ARM Cortex-M3 프로세서와 비휘발성 메모리, 아날로그 및 혼성신호 주변장치, 통신 인터페이스, MOSFET 게이트 드라이버까지 통합하고 있다. Embedded Power IC는 소형 폼팩터 패키지와 적은 외부 부품을 필요로 하는 다양한 유형의 모터 제어 애플리케이션으로 메카트로닉(기계전자) 모터 제어 솔루션을 가능하게 한다(그림 1).

자동차 모터의 트렌드

오늘날 자동차에는 갈수록 더 많은 수의 전기 제어 모터가 사용되고 있다. 기업 정보 및 소프트웨어 분석 회사인 IHS의 조사에 따르면, 2012년에는 자동차에 23억 개의 전기 제어 모터가 사용되었다.

이 숫자가 2017년에는 29억 개로 늘어남으로써, 5.7퍼센트의 CAGR(복합 연평균 성장률)로 성장할 것으로 전망된다. 이것은 자동차 한대당 약 30개의 전기 제어 모터가 사용되는 것이다. 현재 이 모터 중에서 68퍼센트는 DC 브러쉬드 모터이고, 15퍼센트는 DC 브러쉬리스 모터이다. 앞으로 브러쉬리스 모터(BLDC)가 빠르게 증가할 것으로 전망된다.

전기 제어 모터가 기계식 모터 대체

전통적인 기계식 모터가 전기 제어 모터로 교체됨으로써 자동차에서 전기 모터의 수가 급속히 늘어나고 있다. 그럼으로써 창의적인 자동차 아키텍처를 가능하게 하고, 에너지 효율을 높이고, CO2 배출을 줄일 수 있게 한다.

대표적인 예로서 하이브리드차나 전기차에서 스타트/스톱 기능에 이용되는 것을 들 수 있다. 이 아키텍처는 분산적 메카트로닉 모터 제어 솔루션을 기반으로 한다. 자동차 제조업체와 OEM들은 최종 제품의 크기와 성능을 최적화할 수 있는 견고하고, 유연성 뛰어나고, 지능적인 모터 드라이버 IC를 필요로 한다.

새롭게 출시된 Embedded Power IC는 포괄적인 SoC(system-on-chip) 솔루션으로서, 크기가 작고 경제성 뛰어난 메카트로닉 모터 제어 디자인을 가능하게 한다.

자동차에서 에너지 효율을 높이고자 함에 따라서 작은 분산적 부하들을 이용하는 경향이 뚜렷해지고 있다. 몇몇 예를 들자면 HVAC 블로어, 엔진 쿨링 팬, 워터 펌프와 오일 펌프, 윈도우 리프트, 전면 및 후면 와이퍼를 꼽을 수 있다.

분산적 모터 지능은 창의적인 자동차 디자인을 가능하게 할 뿐만 아니라 여러 측면에서 이점을 가져온다. 그러한 이점들은 배선을 최소화하고, 무게와 필요한 공간을 줄이고, 오버헤드와 복잡성을 줄이고, 컴퓨팅 성능을 분산시키고 진단을 향상시키고, 전력 소모를 줄이고 EMC 성능을 향상시키고, 전용적 기능들을 이용해서 최적의 가격대 성능비를 달성하고, 표준화된 저비용 물리층과 프로토콜 핸들러를 이용할 수 있다는 것 등이다. 분산적 모터 지능을 구현하기 위해서는 혁신적인 IC 드라이버가 핵심적인 요소이다(그림 2).

이들 새로운 모터 제어 IC는 하이엔드 선루프, 전동 윈도우 리프트, 펌프(연료, 오일, 워터), HVAC 블로어, 팬 등의 애플리케이션에서 전기 모터를 검출하고, 제어하고, 구동하기 위해서 필요로 하는 모든 기능들을 포함하고 있는 소형화된 “all-in-one” 칩 솔루션으로서 시스템 비용을 낮출 수 있게 한다.

앞선 자동차 등급 기술 

인피니언은 이들 고도로 통합적인 Embedded Power 제품군으로 고유의 자동차 등급 130nm Smart Power 제조 기술과 모터 제어 드라이버 분야에서 축적된 전문성을 결합하고 있다. 벌크 실리콘 기반 130nm 바이폴라 CMOS-DMOS(BCD) 기술은 로직, 아날로그, 메모리, 전력 스테이지를 단일 칩으로 효율적으로 집적할 수 있다.

이전에는 멀티칩 디자인으로 각기 별도의 독립형 마이크로컨트롤러, 브리지 드라이버, LIN(Local Interconnect Network) 트랜시버를 필요로 했던 것과 달리, 이제 자동차 시스템 업체들은 최소한의 외부 부품만을 이용해서 모터 제어 디자인을 설계할 수 있게 되었다.

이들 새로운 Embedded Power 제품을 이용하면 소자 수를 현재 150개 이상 필요로 하던 것에서 30개 이하로 줄일 수 있으므로 모터 제어에 필요로 하는 모든 기능과 연관된 외부 소자들을 불과 3cm2의 PCB 면적 안에 집어넣을 수 있다. 그러므로 전자 장치를 모터에 좀더 가깝게 구현할 수 있으므로 진정한 메카트로닉 디자인을 실현할 수 있다(그림 3).

지능적 모터 제어 애플리케이션을 달성하기 위해서 에너지 효율, 시스템 비용 절감, 편의성 측면에서 다양한 방식의 정교한 모터 제어 기법들이 이용되고 있다. 그러므로 센서 기반 블록 정류에서부터 하이엔드 센서리스 FOC(field oriented control)에 이르기까지 다양한 방식의 제어 알고리즘을 지원할 수 있어야 한다.

자동차 등급 Embedded Power 제품군은 ARM Cortex M3 프로세서를 이용함으로써 지능적 모터 제어를 달성하기 위한 그러한 까다로운 요구들을 충족할 수 있다.

이들 제품은 기존에 16비트 프로세서를 이용하던 애플리케이션 유형들로 32비트 프로세서 성능을 제공한다. 시스템온칩 기법을 지향함으로써 강력한 마이크로컨트롤러와 MOSFET 게이트 드라이버에다 모든 필요한 검출, 제어, 구동 기능을 통합함으로써, 포괄적 제품 구성의 Embedded Power 제품군을 이용해서 자동차 시스템 업체들이 시스템 비용을 낮추고, 신뢰성을 향상시키고, 시스템 레벨 복잡성을 낮출 수 있다(그림 4).

TLE987x 및 TLE986x 브리지 드라이버 제품군의 특징

TLE987x와 TLE986x는 ARM Cortex M3 프로세서를 채택하고 있다. 또한 주변장치 셋으로 전류 센서, 연속 근사화 10비트 ADC와 CAPCOM6(capture and compare unit)(둘을 동기화해서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 가능), 16비트 타이머를 포함한다. 또한 인증을 받은 LIN 트랜시버를 통합함으로써 다수의 범용 I/O를 갖는 디바이스와 통신할 수 있다.

LIN 트랜시버를 통해서 고속 프로그래밍이 가능하다. 또한 두 시리즈 모두 온칩 선형 전압 레귤레이터를 포함하므로 외부 부하로 전력을 공급할 수 있다.

또한 36kB부터 128kB에 이르는 플래시 메모리를 제공한다. 5.4V~28V의 넓은 입력 전압 범위로 동작한다. 차지 펌프를 통합함으로써 저전압 동작과 프로그래머블 전류를 가능하게 하고, 특허를 취득한 전류 기울기 제어를 이용함으로써 2개 외부적 커패시터만을 이용해서 다양한 유형의 MOSFET에 따라서 최적화된 EMC 동작을 달성할 수 있다.

그럼으로써 통상적인 전압 부트스트랩 기법에 비해서 BOM을 대폭 줄일 수 있다. TLE987x와 TLE986x 모두 최대 40V에 이르는 부하 덤프 조건을 견딜 수 있으며, 최저 3.0V까지 확장된 공급 전압 범위를 제공할 수 있으므로 마이크로컨트롤러와 플래시 메모리를 원활하게 작동할 수 있다.

그 밖에도 Embedded Power IC 제품군은 4K EEPROM 에뮬레이션, 진단을 위한 8비트 ADC, SPI, UART, 3위상 모터 제어의 PWM 신호 생성을 위한 타이머, 온칩 오실레이터, PLL을 포함한다. 또한 모든 제품들이 조절가능 드레인-소스 모니터링을 비롯해서 향상된 보호 및 진단 기능들을 포함하고 있다. 

또한 7mm x7mm 풋프린트에 불과한 PG-VQFN 패키지로 제공되므로 PCB 공간을 절약하고 모터 크기와 무게를 줄일 수 있다. 또한 단일 다이 솔루션으로서 모듈 신뢰성을 향상시킨다.

3위상 및 2위상 모터 제어에 적합

TLE987x 브리지 드라이버 시리즈는 연료 펌프, HVAC 블로어, 엔진 쿨링 팬, 워터 펌프, 고효율 펌프 및 팬 등의 3위상(BLDC) 모터 애플리케이션과 LIN이나 PWM을 통해서 제어되는 센서리스 및 센서 기반(FOC 포함) BLDC 모터 애플리케이션에 이용하기 적합한 제품들이다. TLE987x 시리즈는 6개의 통합적 NFET 드라이버 제품들로 구성되었으며, 6개 외부적 전력 NFET을 통해서 3위상 모터를 구동하기에 적합하다.

TLE986x 시리즈는 4개 NFET 드라이버를 통합함으로써 2위상 DC 모터를 구동하기에 적합하다. TLE986x 시리즈는 선루프, 전동 윈도우 리프트, NFET H-브리지를 통한 범용 스마트 모터 제어 등의 애플리케이션에 이용할 수 있다. 

두 시리즈 모두 플래시 메모리 용량과 MCU 시스템 클록 주파수 면에서 포괄적인 유형의 제품들을 제공하므로 다양한 모터 제어 알고리즘을 충족할 수 있다.

TLE987x와 TLE986x는 동일한 MCU 및 주변장치를 포함하고 있으므로 DC와 BLDC 모터 제어 애플리케이션 사이에 디자인 재사용을 가능하게 한다. Embedded Power IC 시리즈의 모든 제품들은 핀 및 소프트웨어 호환이 가능하다. 이들 포괄적인 유형의 Embedded Power 제품군을 이용함으로써 로우엔드 릴레이 모터 제어에서부터 MOSFET을 통한 하이엔드 모터 제어에 이르기까지 다양한 애플리케이션을 효과적으로 개발하고 비용을 절감할 수 있다.

설계 지원

인피니언과 써드파티 파트너사들에서 ARM Cortex-M3 기반 Embedded Power 브리지 드라이버 제품군에 이용하도록 포괄적인 개발 툴 셋을 지원한다. 이러한 툴로는 컴파일러, 디버거, 평가 보드, LIN 저수준 드라이버와 구성 툴, 모터 제어 소프트웨어 코드 예를 포함한다.

또한 TLE987x(3위상)와 TLE976x(2위상)의 두 제품 시리즈에 대해서 스타터 키트를 제공한다. 이들 스타터 키트는 NFET 모터 드라이버, 추가적인 외부적 LIN 트랜시버, RS232 인터페이스, 디버그 LED, J-link Lite 디버거 등의 소프트웨어 툴과 하드웨어 인터페이스를 포함하므로 엔지니어가 Embedded Power IC를 이용해서 곧바로 설계 작업에 착수할 수 있다.

요약 

모터 제어에 이용하기 위한 이들 새로운 자동차 등급 SoC 솔루션은 ARM Cortex-M3 MCU, 다양한 용량대의 플래시 메모리, 아날로그 및 혼성신호 주변장치, 통신 인터페이스, NFET 게이트 드라이버를 단일 칩으로 통합하고 있다.

이와 같은 고도로 통합적인 솔루션을 제공하므로 하나의 공통적 플랫폼으로 DC와 BLDC 애플리케이션을 개발할 수 있으며, 다양한 유형의 모터 및 모터 제어 기법을 지원할 수 있고, 자동차 시스템 업체가 개발 비용을 낮출 수 있다. 이러한 소형화된 SoC 솔루션을 이용함으로써 갈수록 빠르게 성장하는 자동차 시장에서 지능적 DC 및 BLDC 모터 제어에 대한 요구를 충족할 수 있다.