최신 자동차는 차체 제어(body control), 인포테인먼트/커넥티비티(ADAS 등), 클러스터에 갈수록 더 많은 기능을 통합하고 있다. 예를 들어 온보드 자동차 멀티미디어는 일반 휴대기기들과 호환돼야 하며 외부 저장 매체에 들어 있는 오디오·비디오 파일들을 재생할 수 있어야 한다. 내비게이션이나 ADAS 같은 기능은 이제 자동차 시장에서 보편화된 옵션이 됐다.
배터리에 언제나 연결이 돼 있는 차체 제어 애플리케이션은 경부하 상태에서도 높은 효율성을 필요로 하고 전반적인 전류 소모를 100㎂ 이하로 제한한다. 이를 통해 엔진이 꺼져 있을 때의 배터리 충전을 막을 수 있다.
자동차 환경은 EMC 요건을 충족시키기 위해서 잡음을 최소화해야 한다. 자동차 인포테인먼트 애플리케이션은 라디오 대역으로 잡음이 유입되지 않도록 높은 스위칭 주파수가 필요하다. 또 부하 덤프나 콜드 크랭크 같은 극단적인 전원 버스 조건에 대처하기 위해서는 공칭 배터리 전압보다 입력 전압 범위를 더 크게 유지해야 한다.
이 글에서는 자동차 시장을 겨냥해 특별히 개발한 새로운 DC-DC 컨버터의 주요 기능들을 살펴보고 ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)의 새로운 제품군 A6985F와 A6986F(AECQ100 규격 인증)에서 이러한 기능들이 어떻게 구현되는지 설명한다.
<글 : 도메니코 아티아네스(Domenico Attianese) ST IPD그룹 시니어 엔지니어/ 풀비오 오타비오 리쏘니(Fulvio Ottavio Lissoni) ST IPD그룹 매니저>
<자료제공 : ST마이크로일렉트로닉스(www.st.com)>
대부분의 자동차 차체 애플리케이션에서 스위칭 레귤레이터는 자동차 배터리에 직접 연결되며 상당 시간 엔진이 꺼져 있어도 출력 전압 레귤레이션을 유지해야 한다. 이와 같은 애플리케이션 상태에서는 [그림1]에서처럼 CAN 트랜시버와 슬립 모드의 마이크로컨트롤러에 최소한의 전력만 공급해 전류 소모를 최소화하도록 한다.
중앙 컨트롤러로부터 유효 워드나 비트 시퀀스가 수신되면 로컬 애플리케이션이 기동해 전류 소모가 공칭 부하로 상승하며 그 부하 수준은 1A 이상이 될 수 있다.
자동차 엔진이 오랫동안 꺼져 있는 상태일 경우 배터리 방전을 막으려면 전체 애플리케이션이 소모하는 전류가 극히 낮아야 한다. 이 때 DC-DC 정지 전류, 즉 제로 출력 부하에서 출력 전압을 레귤레이트하기 위해 컨버터가 소모하는 전류를 엄격하게 제한해야 한다. 통상적으로 자동차 제조업체들은 단일 전자 모듈에 대해 동적 부하 전류 소모와 DC-DC 정지 전류를 포함한 총 전류 소모가 100㎂ 미만이 되도록 요구하고 있다.
잡음에 민감한 시스템일 경우에는 시스템 호환성 측면에서 전자 기기들이 엄격한 전자기 방사 요건을 충족해야 한다. 모든 스위칭 컨버터는 스위칭 주파수의 배수로 방사 피크를 이루므로 이 애플리케이션에서는 모든 애플리케이션 조건에 대해 스위칭 주파수가 잡음에 민감한 대역보다 높도록 해야 한다.
또 자동차 인포테인먼트 애플리케이션에서는 자동차 라디오에서 잡음 결합이 발생하지 않기 위해서 자동차 제조업체들은 보통 전자기 방사 피크가 확장 AM 대역을 벗어나도록 즉 1710㎑ 이상이 되도록 요구하고 있다.
잡음에 민감한 자동차 애플리케이션은 2㎒ 스위칭 주파수를 표준으로 사용하며 이를 통해 자동차 라디오 동작과 완벽한 전자기 호환성이 보장되며 애플리케이션의 크기를 줄이고 비용을 낮출 수 있다.
또 부하 덤프(load dump)와 콜드 크랭크(cold crank)와 같은 극단적인 동작 조건을 처리하기 위해서는 DC-DC 컨버터 입력 전압 범위가 커야 한다.
부하 덤프는 제너레이터에서 부하가 갑자기 차단되어 전원 분배 기생 인덕티브 경로로 인해 전원 버스에 오버슈트가 발생하는 것이다. 자동차 시스템에서 부하 덤프는 배터리가 얼터네이터에서 차단될 때 발생되며 [그림2A]에서 보는 것과 같이 12V 버스로 과전압 프로파일을 발생시킨다. 표준 프로파일은 최대 87V 전압 피크를 이룰 수 있으며 이를 통상적으로 35V 아래로 클램프시킨다.
콜드 크랭크는 저온 엔진 스타트업 시에 배터리 용량이 부족하여 공칭 스타터 모터 전류를 공급하지 못해 출력 배터리 전압이 떨어질 때 발생한다. [그림2B]는 콜드 크랭크 시에 전원장치의 출력 전압 레귤레이션을 테스트하는 정격 입력 전압 프로파일을 보여준다. 최소 입력 전압 레벨은 자동차 제조업체에 따라 다르다.
A698xFx의 특징
[그림3]은 A6986F와 A6985F의 간소화된 블록 다이어그램을 보여준다. 두 디바이스의 내부 아키텍처는 동일하고 전류 용량만 다르다. A6986F는 1.5A DC 정격으로 A6985F는 0.5A DC 정격으로 설계되고 최적화돼 있다.
블록 다이어그램에서 볼 수 있듯이 두 디바이스는 동기 모놀리식(synchronous monolithic) DC-DC 벅 컨버터로서 내부에 하이사이드 PMOS 및 로우사이드 NMOS 스위치를 통합하고 피크 전류 모드 제어 기법을 기반으로 하며 고정밀 오차 증폭기(Error Amplifier)를 갖추고 있다.
동기 정류 방식을 사용하면 전도 손실을 낮출 뿐만 아니라 최종 애플리케이션의 크기와 비용을 줄일 수 있다. 또한 내장된 로우사이드 스위치를 사용해서 인덕터 전류를 반전시키므로 잡음에 민감한 애플리케이션에서 고정적 스위칭 주파수로 강제 PWM 동작을 할 수 있다.
피크 전류 모드 제어는 뛰어난 동적 라인 트랜션트 응답을 달성하며 내장된 하이사이드 PMOS 스위치를 사용하면 디바이스는 전력 소자 상에서 전압 강하가 일어나는 결함시에 출력 전압이 입력 전압과 같은 LDO(low drop-out) 모드(하이사이드 상시 온 상태)로 동작할 수 있다.
A6986F/A6985F는 VOUT 핀으로 연결되는 외부 저항 분할기를 사용해 출력 전압을 0.85V부터 VIN까지 설정할 수 있다. 또 정밀한 3.3V 및 5V 출력 전압을 제공하는 전압 분할기를 매칭해 내장한 제품 버전을 제공하므로 BOM을 간소화하고 더 높은 정밀도와 더 낮은 전류 소모를 구현할 수 있다.
저잡음 모드(Low Noise Mode)/저소비 모드(Low Consumption Mode) = A6986F/A6985F는 MLF 핀에 연결된 외부 저항을 사용해 저소비 모드나 저잡음 모드로 프로그램할 수 있다. 파워업 단계에서 최종 애플리케이션에 가장 적합한 구성을 선택할 수 있다.
저소비 모드는 주로 자동차 차체 애플리케이션에 사용된다. VIN = 12V, VOUT = 3.3V일 때 정지 전류를 단 30㎂로 최소화하기 때문이다. 전류 소모를 낮추기 위해서 레큘레이터는 출력 전류 요구가 낮을 경우 스위칭 동작을 최소화해 경부하시의 효율을 극대화한다.
이로 인해 A6986F/A6985F는 일정한 피크 전류(ISKIP 내부 프로그래머블 전류 임계값)로 버스트 동작하고 스위칭 버스트 사이에 필요한 전류를 최소화한다.
버스트로 동작할 때는 출력 전압 리플이 다소 높아지는데 SYNCH/ISKIP 핀을 구동해서 ISKIP 전류 레벨을 동적으로 변화시킬 수 있으므로 전류 소모와 전압 리플 간의 절충을 최적화할 수 있다. A6986F와 A6985F의 ISKIP 전류 레벨은 [표1]과 같다.
저잡음 모드는 전체적인 애플리케이션 범위에 걸쳐 고정적 스위칭 주파수로 동작하므로 자동차 인포테인먼트와 같이 잡음에 민감한 애플리케이션에 적합한 구성이다. 이 모드에서는 디바이스가 항상 강제 PWM으로 동작하고 안정적 부하 조건일 때 펄스를 스킵하지 않는다. 또한 연속 전도 모드(CCM)로 출력 전압 리플을 최소화하고 부하 조건 내내 일정하게 유지된다.
스위치오버 = 이 디바이스는 내부 회로를 구동하기 위한 공급 전류의 상당 부분을 VBIAS 핀에서 자동으로 끌어오며, 이는 배터리 전류 소모를 줄이고 경부하 효율을 높일 수 있다. 보통 3.3V < VOUT < 5V이면 VBIAS 핀을 레귤레이터 출력으로 연결한다.
따라서 이 스위치오버 기능은 A6986F/A6985F의 정지 전류를 현저히 낮추게 되는데 이는 자동차 차제 애플리케이션에서 중요한 지점이며 컨버터 효율을 증가시키기도 한다.
스위칭 주파수 프로그램 가능 = 스위칭 주파수는 250㎑~2㎒ 범위로 프로그램할 수 있으므로 전원 분배 설계자들에게는 선택할 수 있는 폭이 넓게 제공된다. FSW 핀으로 연결된 저항을 사용해서 파워업시에 스위칭 주파수를 선택할 수 있다.
스타트업시에 저항 값을 인식한 후에는 이 핀을 부동(floating) 상태로 두고 VIN에서 나오는 정지 전류를 최소화한다. 프로그래머블 범위가 2㎒까지 넓게 포함되기 때문에 자동차 인포테인먼트 애플리케이션에서 라디오 대역으로 잡음이 유입되지 않도록 한다.
저잡음 모드일 때의 동기화 = 동일한 애플리케이션 보드 상에 다수의 스위칭 레귤레이터가 탑재되어 있을 때는 주파수 잡음을 극복하는 것이 중요한 과제다. 따라서 A6986F/A6985F는 저잡음 모드시에 SYNCH 핀을 사용해서 외부 클록이나 다른 A6986F/A6985F로 동기화할 수 있다.
이 핀은 주파수 신호를 제공하거나 인식할 수 있는 I/O 핀이며, SYNCH 핀을 함께 연결하는 것만으로 2개 이상의 레귤레이터들을 간단하게 동기화할 수 있다. 일단 동기화가 이뤄지면 마스터가 동기화 신호를 제공하여 레귤레이터들이 180도 위상 편이로 동일한 주파수로 스위칭하고 입력 필터로 흐르는 RMS 전류를 최소화한다.
스타트업 및 소프트 스타트 = 소프트 스타트와 정지(inhibit) 기능은 동일한 핀으로 다중화돼 있으며 외부 커패시터를 SS/INH 핀으로 연결하면 소프트 스타트 시간을 조절할 수 있다. 출력 소프트 스타트 기능은 입력 쇄도 전류를 최소화하고 파워업 단계시 전력 소자에 가해지는 스트레스를 낮춘다.
외부 개방 컬렉터는 출력 전압 레귤레이션이 필요하지 않을 때 디바이스를 정지시키고 배터리로부터 인출되는 전류를 적은 ㎂로 제한한다.
전압 감시 = 내장된 전압 감시 기능은 출력 전압 레귤레이션을 모니터링하고 DC-DC 출력 전압이 레귤레이션을 벗어나면 RST 핀을 저(low) 임피던스로 구동한다. 감시 기능이 RST 개방 콜렉터를 작동시키는 임계 전압은 스타트업 시에 MLF 핀으로 저항을 연결해서 프로그램할 수 있다. 이 전압은 목표 출력 전압의 80%, 86%, 93%, 96%로 설정할 수 있다.
또 A6986F/A6985F는 유효한 전력 공급으로 디지털 기기들의 리셋이 적절히 이뤄지도록 하기 위해서 DELAY 핀에 연결된 커패시터를 사용해 RST 선언을 지연시키는 시간을 프로그램할 수 있다.
DELAY 핀을 부동 상태에 두면 RST 출력이 지연 시간 없이 파워굿(power good) 신호로 동작하며 이는 레귤레이터들을 연쇄적으로 연결하는 출력 전압 시퀀싱을 구현하기에 유용하다.
또한 열 보호가 작동되거나 저전압 록아웃 이벤트가 발생할 경우 RST 핀을 저 임피던스로 구동하고 결함 모니터링으로 사용하기에도 유용하다.
전류 보호 = 펄스-대-펄스 전류 검출은 정전류 보호를 할 수 있으며, 이는 과부하 시에 출력 전류를 제한한다. 두 전력 소자 모두 동적 전류 검출 기능을 갖췄기 때문에 심각한 단락 회로에 대해 다양한 애플리케이션 조건에 걸쳐 효과적으로 전류를 보호할 수 있다.
A6986F/A6985F 평가 보드
[표2]는 A6986F 및 A6985F 제품 버전에 따른 스타터 키트들을 요약하고 있다. 모든 평가 키트들이 [그림4]에서처럼 동일한 인쇄 회로 보드를 바탕으로 하며 각 디바이스에 맞는 다른 BOM을 사용해서 최적화돼 있다. 다음 내용은 이 평가 보드들을 사용한 기본적인 디바이스 동작을 측정해 설명한다.
저소비 모드/저잡음 모드 = 이 평가 보드에서는 적합한 MLF 핀 배선을 사용해 저잡음 모드나 저소비 모드 동작을 쉽게 평가할 수 있다.
[그림5]는 제로 출력 부하일 때의 저잡음 모드 동작을 연속 전도 모드(CCM)로 보여준다. 강제 PWM이 전체적인 입력 전압 및 출력 전류 범위에 걸쳐서 출력 전압 리플(그림에서 보라색 스코프 트레이스)을 최소화한다. 이는 입력 전류 소모에 영향을 미치고 그 결과 경부하 효율에 영향을 미친다.
[그림6]은 제로 출력 부하일 때의 저소비 모드 동작을 보여준다. 정해진 피크 인덕터 전류(ISKIP 내부 전류 임계값)에서 버스트 동작은 [그림5]의 저잡음 모드 동작에서보다 더 높은 출력 전압 리플을 의미한다. 결과적으로 디바이스가 스위칭 동작을 줄이고 입력 전류 소모를 낮춰 경부하 효율을 극대화한다.
부하 전류 요구가 적정 출력 전류 시의 CCM 동작으로 프로그램된 스위칭 주파수에 가까워질수록 버스트의 주파수가 높아진다.
ISKIP을 프로그램할 수 있으므로 설계자는 출력 전압 리플과 경부하 효율 성능을 적절히 절충할 수 있다. 이 동작을 사용하면 12V 대 3.3V 변환으로 30㎂에 이르는 극히 낮은 정지 전류를 확실하게 달성할 수 있다.
효율 = [그림7]은 효율 측정을 보여주는데, 경부하 시에 저소비 모드가 더 우수하다는 것을 알 수 있다. 하지만 출력 전류가 CCM 동작을 유지하는 시점에 이르자마자 저소비 모드와 저잡음 모드 곡선이 일치하고 있다.
앞서 살펴보았듯 동적으로 프로그램 가능한 ISKIP 레벨이 경부하 효율에 영향을 미치고 스위치오버 기능(VBIAS 핀을 VOUT에 연결)이 입력 전류 소모를 향상시킨다.
스타트업 동작 = [그림8]에서는 프로그램된 6ms 시간 지연을 사용한 소프트 스타트 후의 RST 출력 동작을 보여준다. 출력 전압이 프로그램된 내부 임계값에 도달한 후 프로그램된 지연 시간으로 RST 출력을 선언한다. RST 신호를 사용해서 다른 디바이스들을 적절히 리셋하거나 복잡한 전원 시퀀싱을 구현할 수 있다.
콜드 크랭크 = [그림9]는 0.8A DC 출력 전류로 콜드 크랭크 테스트를 했을 때 제어 루프의 동적 특성 덕분에 A6986F5V이 보여주는 뛰어난 출력 전압 응답을 나타낸다.
A698xFx 평가 소프트웨어
이디자인스위트(eDesignSuite) 온라인 시뮬레이션 툴은 전원장치(AC-DC 및 DC-DC), LED 조명(AC-DC 및 DC-DC), 광전지, 배터리 차저, 필터, 안테나 디자인 등의 전원 관리 애플리케이션에 사용하기 위한 것이다.
최종 애플리케이션의 필수 전기적 사양을 입력하면 이 툴이 알아서 A6986F 및 A6985F에 기반한 디자인을 제안한다. 이 인터페이스는 완벽한 주석의 인터액티브 스키매틱을 기반으로 하고 전기, 열, 효율 성능을 포함한 포괄적인 분석 다이어그램을 제공한다(메인 전류 및 전압 시뮬레이션, 효율 그래프, 보드(Bode) 다이어그램, 전력 손실 등).
또 레귤레이터의 동적 성능을 설계하고 스위칭 주파수, 저소비 또는 저잡음 모드, 스킵 전류 레벨 등의 모든 디바이스 설정을 변경할 수 있다. 디자인에 맞춰 어떠한 외부 전력 소자든 사용할 수 있으며 최종 애플리케이션으로 최상의 성능을 달성할 수 있다.
ST의 웹사이트(www.st.com/edesignsuite)를 방문해 간단하게 온라인 등록을 하면 이 소프트웨어 툴을 바로 사용할 수 있다(아래는 A6986F3V3을 선택했을 때의 이디자인수트 설계 화면이다).
맺음말
A6986F와 A6985F는 ST마이크로일렉트로닉스의 차세대 DC-DC 컨버터 제품으로 자동차 시장에서 요구하는 최신 사양을 충족시키도록 특별히 설계됐다.
공급된 평가 키트로 자동차 차체 및 인포테인먼트 시스템에 요구되는 모든 성능들을 평가할 수 있으며, AEC-Q100 인증 기준을 고려한 효율/전력 소모와 잡음/출력 전압을 적절하게 절충하여 최상의 성능을 달성할 수 있다.
A6986F와 A6985F는 자동차 시장의 시스템 설계자들에게 자신의 디자인에 맞는 최상의 성능을 달성할 수 있는 솔루션을 폭넓게 제공하는 것이다.
■ 참고문헌
[1] A6986F Datasheet: “38 V 1.5 A synchronous step-down switching regulator with 30 ?A quiescent current”: available on www.st.com
[2] A6985F Datasheet: “38 V 500 mA synchronous step-down switching regulator with 30 ?A quiescent current”: available on www.st.com .
[3] ISO 7637-2:2004(E): “Road vehicles-Electrical disturbances from conduction and coupling-Electrical transient conduction along supply lines only”
[4] ISO 16750-2:2003(E): “Road vehicles-Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment-Electrical loads”
[5] eDesignSuite tool available for A6986F and A6985F on www.st.com/edesignsuite.
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