자동차 환경의 벌브용 PWM

자동차용 반도체 및 전자부품 선택 가이드

자동차 전자 솔루션의 콘텐츠를 신속하게 향상시키는 것은 자동차 산업의 주요 동향 가운데 하나이다. 정교한 시스템 솔루션이 점점 자주 구현되고 있으며 고성능 반도체 디바이스는 자동차의 각기 다른 보드 설계에서 매우 중요한 역할을 한다. 서로 다른 부하(밸브, 모터 또는 램프 등)를 구동하기 위해 IPS (Intelligent Power Switch)가 전기기계식 릴레이 대신 점점 더 사용이 증가하고 있다. 이들 디바이스는 부하 스위칭의 기본 기능과 더불어 수명, 보호/진단 기능, 전자기 호환성 향상 등의 추가 이점을 제공한다. 이외에도 최신 기술들은 동시에 보드에 솔더링 할 수 있는 SMD 디바이스를 지원하여 다른 전자부품 보다 제조비용 이점을 제공한다. 대다수의 애플리케이션(예: 조명 또는 모터 제어)에서는 PWM 신호에 의해 IPS를 구동하도록 되어 있다(이는 릴레이로는 실행 불가능). 이 글에서는 자동차 조명 애플리케이션에 적용되는 PWM 기법에 대하여 설명한다. 특히 최적화된 성능을 위한 PWM 주파수 및 듀티 사이클의 선택 방법 및 다른 시스템 온-보드의 전자기 교란의 제한 방법에 대해 논의한다.서론자동차에서 전자 콘텐츠는 많이 증가하고 있으며 고성능 시스템을 실현하도록 구현돼야 하는 전자 알고리즘에 의해 제어되므로 품질, 안전 및 편안함이 개선되고 비용 경쟁적인 솔루션이 보장된다.이러한 동향으로 수많은 애플리케이션의 자동차 시장을 겨냥해 제작된 반도체 디바이스가 광범위하게 사용되고 있다.저/중/고 전력 관리에 사용되는 정교한 고성능의 저가형 실리콘 디바이스의 수요는 많은 애플리케이션에서 빠른 속도로 증가하고 있다. 자동차에서 많은 부하를 구동하는 반도체 IPS가 점점 전기기계식 릴레이를 대체하고 있다. 이들 스위치는 과부하 및 단락 보호, 마이크로 컨트롤러에 대한 진단 피드백 등의 특정 요구사항을 준수해야 하고 모터와 할로겐램프 등의 부하를 구동하는데 널리 사용되는 PWM 작동과 호환돼야 한다.PWM(Pulse Width Modulation) 개요PWM 개념은 가변적인 on-to-off 비율의 사각 전압 파형에 의해 정의될 수 있다. 온-타임(ton) 동안에는 DC 공급 전압이 부하에 인가되며 오프-타임 동안에는 공급 전압의 스위치가 꺼진다. 온-타임 및 기간 사이의 비율을 ‘듀티 사이클’이라고 하며 대부분 그리스 문자 δ로 표시되며 가변 범위는 0% ~ 100%이다.듀티 사이클의 변동으로 부하의 RMS 전압 변동이 야기되어 결국 부하로 전송되는 전력량이 변동한다.VH = V 및 듀티 사이클 δ의 사각 파형이 생성되면 그 rms 전압은 다음과 같다.Vrms= Sqr(δ) V그림 1a는 듀티 사이클에서의 PWM 출력을 나타내는데 이는 신호가 기간의 10% 동안 높은 상태를 유지한다는 것을 의미한다. 그림 1b와 1c는 듀티 사이클이 각각 50% 및 90%인 PWM을 보여준다. PWM 사용의 주요 단점으로는 추가적인 복잡한 구동 회로의 필요성, 불필요한 RFI(radio frequency interference) 가능성, 그리고 일부 조건에서 볼 수 있는 IPS 전력 소비의 증가를 꼽을 수 있다. PWM 신호 생성 방법은 다음과 같다.- 독립형 PWM 생성기- 마이크로컨트롤러 내부 PWM 리소스- 타이머 인터럽트 루틴에 의해 구동되는 표준 마이크로컨트롤러 I/O자동차 조명 애플리케이션에서의 PWM-장점 및 단점PWM 기법은 통합 전원 스위치로 모터나 벌브를 함께 구동하는데 적용된다. 이 기법은 예를 들어 자동차의 junction box 또는 본체 컨트롤러에서 자주 사용되고 있는데 여기에서는 한 개 이상의 마이크로컨트롤러가 PCB에 장착된 자동차의 여러 벌브를 구동하는 IPS를 모두 관리한다. 실제로 많은 PWM 기법의 현명한 사용으로 많은 이점을 누릴 수 있다.- 벌브의 인가전압의 RMS 값은 배터리 라인의 최종적인 과전압 조건에도 불구하고 벌브 공칭 값에서 안정 상태를 유지하도록 관리할 수 있다. 이로써 벌브 수명이 상당히 향상되어 자동차 소유자의 생활이 더욱 간편해지고 자동차 제조업체의 브랜드 이미지도 제고된다.- 적절한 PWM 듀티 사이클을 선택할 수 있기 때문에 제어된 출력 조명(눈부심 없음)을 얻을 수 있다(다음 단락 참조).- 벌브의 ‘이중 기능(Dual Function)’ 구현, 램프가 깨진 경우 RMS 전압을 초기 값 아래로 줄이기 위해 PWM을 통해(더 높은 공칭 전력을 가진) 다른 전원 램프를 구동시켜 그 기능을 교체할 수 있다. 적절한 듀티 사이클을 설정함으로써 21W 램프는 동급의 5W 램프의 백업으로 사용 가능하다.- DRL(Daytime Running Lights) 기능을 하고 전면 안개등 광도를 최적화하는 조명 조광 DRL을 구현하는 한 가지 방법은 그러한 램프에 PWM을 적용하여 기존 로우 빔 벌브 또는 하이 빔 벌브를 사용하는 것이다. 그렇게 함으로써 램프 수를 줄이고(이로써 전체 전력 소비도 감소) 벌브 수명의 저하도 줄이는 등의 이점을 얻을 수 있다. 전면 안개등의 경우 PWM은 운전대의 방향에 따라 조명의 광도 및 크기를 바꾸는데 사용될 수 있다. 운전대를 한 방향으로 돌리면 듀티 사이클이 증가되어 해당 쪽의 빔이 확대된다. 동시에 다른 쪽의 듀티 사이클은 감소되므로 전면에서 생기는 자동차 강도의 자동 감소라는 이점을 얻을 수 있다.- 조명 조광은 계기반용등 및 차내등에도 구현할 수 있다.PWM의 효율은 듀티 사이클뿐만 아니라 주파수의 선택에 따라 달라진다. 실제로 이미 언급한 이점과 함께 PWM 기법은 시스템의 치수기입(dimensioning) 중에 고려해야 하는 일부 제약조건이 있을 수 있다. 예를 들어 벌브의 경우 제약 조건은 다음과 같다.- 온도 스윙으로 인한 벌브 필라멘트의 열기계 스트레스- 운전자의 야간 투시를 방해하는 깜박임 효과- 보드 계측 상의 나머지에 대한 전자기 노이즈(EMC 쟁점)- 벌브를 구동하는 IPS의 열손실 증가적절한 방식으로 주파수와 듀티 사이클을 선택하고 PWM에 의해 생긴 노이즈 필터링을 처리하여 이러한 모든 효과를 제한할 수 있다. 이러한 요인에 대해서는 다음 단락에서 심도 있게 검토할 것이다.벌브 광도를 안정화하는 듀티 사이클 선택자동차의 배터리 버스의 과도현상은 생성될 수 있는 일반적인 이벤트이다(예: 에어 컨디셔닝 시스템처럼 고전류 부하의 스위치를 꺼서 전압을 증가시킬 수 있음).배터리 전압이 벌브의 공칭 값을 초과하는 경우(일반적으로 벌브의 수명은 Vnom = 13.2 또는 13.5V으로 규정되어 있으며 전압이 높아질 경우 크게 감소함. 그림 2 참조), 값을 그대로 유지하려면 PWM 변조가 필요하다. 듀티 사이클이 Vnom /Vbatt 비율과 같은 경우 램프의 광도는 일정하지 않으며 배터리 양이 증가하면 눈부심 효과가 나타난다. 일정한 광도를 유지하려면 램프에 정전력을 공급해야 한다. 주어진 배터리 전압의 경우 듀티 사이클이 벌브 전기 저항에 아무런 영향을 주지 않는다고 가정한 상태에서, 램프의 공칭 전력을 PWM 중의 전력(이는 RMS 전압 값의 제곱에 비례함)과 똑같게 할 경우 그 결과는 다음과 같다.Pnom = Vnom2 / Rlamp = VRMS2 / Rlamp = δVbatt2 / Rlamp결과적으로 일정한 광도를 갖게 해주는 듀티 사이클은 다음과 같다.δ= (Vnom / Vbatt)2 (1)이 PWM 기법을 일반적으로 제곱 PWM 또는 이차 전압 레귤에이션이라고 한다.PWM 주파수 선택PWM의 주파수는 여러 다양한 측면을 고려하여 선택해야 한다. 고려해야 하는 주요 4가지 쟁점은 다음과 같다.- 온도 변동으로 인한 벌브 필라멘트 스트레스- 깜박임 현상- 전자기 교란- 벌브를 구동하는 IPS에서의 전력 손실-벌브 필라멘트 스트레스:벌브 필라멘트의 반복적인 온도 스윙은 열기계 스트레스를 유발할 수 있으므로 벌브 수명이 저하된다(필라멘트가 끊어짐). 이러한 스트레스는 주로 다음과 같은 벌브의 물리적 요인에 따라 좌우된다.- 필라멘트 전기 저항- 방출 복사 계수- 필라멘트 열저항- 필라멘트 열용량- 정상 상태에서의 필라멘트 온도, 저항 및 전압벌브의 온도 기울기 스트레스를 보존하려면 변동을 약 50°C로 제한해야 한다. 이 조건이 벌브의 물리적 모델에서 구현되면 최소 PWM 주파수를 계산할 수 있다.시판 중인 가장 일반적인 벌브의 경우 최소 PWM 주파수는 다음과 같다.- 55W 벌브의 경우 30Hz- 21W 벌브의 경우 40Hz-깜박임 현상:사람의 눈에 대한 깜박임을 피하려면 PWM 주파수가 충분히 높아야 한다. 상이한 종류의 벌브 및 눈의 민감도에 관한 실험 연구에서는 최소 주파수가 약 60Hz이어야 한다는 점이 부각되었다.-벌브 구동 IPS에서의 전력 손실PCB에 장착된 한 개 이상의 IPS의 열관리는 적절한 벌브 구동을 위한 주요 쟁점 가운데 하나이다. 벌브의 PWM은 PCB뿐만 아니라 IPS의 과열을 방지하기 위해 올바른 PCB 열 레이아웃에서 고려해야 하는 추가 전력 손실을 초래한다.IPS에 의한 총 평균 전력 손실은 다음 공식으로 구할 수 있다.,Pavg = δPDC + f(Eswon + Eswoff)여기서PDC = ON 상태 중에 소비된 전력Eswon = 스위치가 켜져 있는 동안 소비된 에너지Eswoff = 스위치가 꺼져 있는 동안 소비된 에너지f = PWM 주파수주어진 주변 온도 Tamb에서 IPS의 평균 접합 온도는 다음 공식으로 구할 수 있다.Tjavg = Tamb + Rthj-amb Pavg여기서 Rthj-amb는 접점과 주변 사이의 열저항이며 PCB의 패키지 및 열 레이아웃(예: 구리의 냉각 면적 및 구리 레이어의 수)에 따라 달라진다.분명한 점은 ON 상태에서 특정 전력 소비를 해결하는 동안 총 전력 소비는 PWM 주파수에 따라 증가하며 이 때문에 주파수가 지나치게 많이 증가할 수 있다.예를 들어, 내부 5W 벌브를 구동하는 ST 120mW 보호 로우 사이드 드라이버 VNS3NV04(SO-8 패키지의 STMicroe- lectronics M0-3 기술)를 고려할 경우 주요 파라미터는 다음 표에 나온 것과 같다.예를 들어 이차 PWM이 사용되고 배터리 전압이 17V에 도달한 경우 벌브를 0.63 듀티 사이클로 구동해야 한다. 스위칭 손실의 근사값은 다음 공식으로 구할 수 있다.Eswon= 0.5 (I Vbatt tr); Eswon = 0.5 (I Vbatt tf)ON 상태 동안 전력 소비는 다음 공식으로 간단히 구할 수 있다.PDC = Ron(Tj)·I2그림 3은 서로 다른 PWM 주파수에서 로우 사이드 드라이버의 전력 손실 및 접합 온도를 보여준다. VN5016AJ-E(Power SSO-12 패키지의 STMicroelectronics M0-5 기술) 등 자동차의 주전조등을 구동하는데 흔히 사용되는 16mW 하이 사이드 스위치를 고려할 경우 500Hz에서 스위칭 손실 기여도는 중요하며 주요 파라미터는 다음 표 2에 나온 것과 같다.이 경우 Eswon 및 Eswoff를 얻는 공식은 더 이상 적용되지 않는다. 나중에 보게 되듯이 하이 사이드 드라이브의 스위칭 기능은 내부 구동회로 때문에 선형 슬로프를 표시하지 않는다. 이러한 종류의 드라이버에서는 스위칭 기능이 로우 사이드 드라이버에 비해 훨씬 소프트하며 이로 인해 스위칭 손실이 증가한다.그림 4는 서로 다른 주파수에서의 스위칭 손실과 접합 온도를 보여준다. 로우 사이드 드라이버와 비교할 경우 스위칭 손실은 100Hz와 200Hz사이의 주파수로부터 생기는 총 손실을 초래하는 주요 원인이다.결론적으로 언급된 서로 다른 양상을 고려해볼 때 하이 사이드 드라이버의 경우 가장 일반적인 벌브의 적합한 주파수 선택을 위한 권장 사항은 60Hz와 150Hz사이에 PWM 주파수를 사용하는 것이다.EMI에 미치는 PWM 스위칭 슬로프 영향자동차에 PWM 기법을 사용하면 전자기 교란이 전도 또는 복사된다. 주어진 주파수에서의 스위칭 전류는 부하에서부터 배터리에 이르기까지 전선에서 요동을 발생시켜 자동차 라디오 및 다른 온-보드 기기를 교란시킬 수 있다.수백 Hz를 초과하지 않는 주파수는 EMC(Electro Magnetic Compatibility) 규격을 준수하는 요인들 중 하나에 불과하다. 주어진 PWM 주파수의 경우 와이어링 하네스의 전류 스펙트럼 성분 및 EMC에 강력한 영향을 미치는 또 다른 요인은 벌브를 구동하는 IPS의 스위칭 파형의 모양이다.앞에서 본 것처럼, 가파른 슬로프는 스위칭 손실을 줄이는 최상의 방법이라 할지라도 수백 kHz의 범위에서 불필요한 방출을 발생시킬 수 있으므로 AM 대역 자동차 라디오 간섭을 일으킬 수 있다.이러한 교란을 최소화하기 위해 자동차 장비 제조업체에서 사용하는 기존 접근법은 IPS 배터리 핀과 그라운드 간에 연결된 2개의 캐패시터(C1, few mF)(레일 인덕턴스에 반동하는 모든 연결된 PWM IPS의 총 전류에 의해 야기된 노이즈를 필터링하기 위한 것임) 및 PowerMOS의 드레인과 소스 사이의 캐패시터 C2(IPS를 벌브에 연결하는 와이어링 하네스의 노이즈를 필터링하기 위한 것임, 그림 5 참조)를 사용하는 것이다.PCB 상의 이러한 추가 부품을 없애려면 배터리 레일의 고조파 함유량을 줄이도록 보다 원활한 스위칭 파형의 IPS를 설계하는 것이다. 그림 6은 2개의 STMicroelectronics(VND830 표준 및 새로 향상된 버전의 VND830E) 60mΩ 하이 사이드 드라이버 사이의 On/Off 전환을 비교한 것이다.그림 7은 IEC 61967-4 표준에 따라 방출 스펙트럼의 측면에서 2개 드라이브를 비교한 것이다. 분명한 점은 새로 향상된 버전의 방출은 100kHz~1MHz 대역폭에서 크게 감소했다. 반면, 스위칭 단계에서는 전력 손실이 증가했다. 따라서 IPS 설계시 적합한 모양의 선택은 전자기 교란 최소화 요구와 실제 스위칭 손실 발생 가능성을 절충하는 것이다.결론이 글의 목적은 자동차의 할로겐램프를 구동하는 IPS(Intel- ligent Power Switch)의 사용과 결합된 PWM 기법의 도입에 따른 주요 이점과 시스템(PCB IPS - BULB)을 설계 및 최적화하는 데 사용되는 기준을 설명했다.전체 시스템의 훌륭한 작동을 위해 고려해야 할 가장 중요한 파라미터는 PWM 주파수이다. 선택은 주로 벌브의 물리적 특성에 따라 달라진다.배터리 과전압 중에 조광 및 안정적 조명 밝기를 위한 듀티 사이클의 영향에 대해서도 설명했다. 마지막으로 EMC 영향을 고려했다. 잘못된 IPS 선택은 자동차 라디오에서 RFI를 발생시킬 수 있는데 이러한 문제는 스위칭 전환이 원활한 최적화된 IPS의 도입으로 최소화할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

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오영관 (webmaster@techworld.co.kr)

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