컨슈머·자동차·산업용 '3D 자기 센서' 고효율성 방법?
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컨슈머·자동차·산업용 '3D 자기 센서' 고효율성 방법?
  • 이나리 기자
  • 승인 2016.12.09 12:58
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고효율·고정밀도·극저전력 소모

3개 공간적 방향(x, y, z)에 대해서 3개 홀 플레이트를 통합한 ‘TLV493D-A1B6’은 직선이 되었든 회전이 되었든 공간에서 일어나는 임의적인 움직임을 인식할 수 있다.

이 컴팩트한 3D 센서는 뛰어난 정밀도와 우수한 에너지 효율로 동작하므로 산업용 및 컨슈머 분야의 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있다. 인피니언은 현재 이 제품에 대해서 자동차용으로 인증을 받는 작업을 하고 있다.

자동차용 3D 자기 센서

인피니언 TLV493D-A1B6은 컴팩트한 6핀 TSOP 패키지로 된 자기센서로 극히 낮은 전력 소모만으로 정밀한 3차원(3D) 센싱을 할 수 있다. 또 3차원 직선 및 회전 움직임을 신뢰하게 측정할 수 있으며 조이스틱, 자동차나 가전기기의 제어 장치, 다기능 버튼 같은 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 이 자기 센서는 전력 계량기의 무단조작 방지 장치로 사용할 수도 있다.
기존의 선형 홀 센서, 홀 스위치, 각도 센서는 칩 표면과 수직인 자기장 성분만 인식할 수 있고 GMR(giant magneto-resistive) 각도 센서는 수평 방향 자기장 성분 측정만 가능하다. 하지만 TLV493D-A1B6 센서는 자기장의 x, y, z 좌표를 동시적으로 측정할 수 있다[그림1].

[그림1] 3D 자기 센서인 TLV493D-A1B6은 3개 공간적 방향(x, y, z)을 모두 측정할 수 있다.

모든 세 축으로 자기장 성분을 인식할 수 있으므로 센서가 놓여 있는 곳의 자기장에 대해서 전체적인 3차원 이미지를 얻을 수 있으며 마그넷이 움직일 때마다 세 자기장 성분 중의 적어도 하나라도 변화한다. 3차원 센서를 가능하게 하기 위해서 인피니언은 수직 및 수평 홀 플레이트를 단일 센서 칩으로 통합했다. 수직 플레이트는 수평 방향 x 및 y 자기장 성분을 검출하고, 수평 플레이트는 수직 방향 자기장 성분(z 방향)을 검출한다.

효율적인 센싱

TLV493D-A1B6을 개발하면서 가장 중점을 둔 것은 전력 소모를 낮추는 것이었다. 그러한 결과로서 에너지 절약 오실레이터 같은 혁신적인 설계 기술을 사용함으로써 이 센서는 단 수 나노암페어로 동작할 수 있게 됐으며 파워다운 모드일 때는 최저 7nA만을 소모한다.
또 이 3D 자기 센서는 이렇게 전력 소모가 낮으면서도 극히 높은 정밀도를 제공한다. 더불어 2.9㎜×1.6㎜ 크기의 TSOP-06 패키지로서 현재 시장에 출시돼 있는 어떤 3D 자기 센서보다도 소형화된 제품을 제공한다.

소형화된 패키지와 낮은 전력 소모가 장점인 TLV493D-A1B6은 지금까지는 자기 센서를 사용할 수 없었던 애플리케이션에 사용할 수 있을 뿐 아니라 포텐셔미터와 광학적 솔루션을 대체할 수 있게 됐다.

또 비접촉 포지셔닝과 자기 스위치 포인트의 고온 안정성은 더 소형화되고 더 정밀하고 더 견고한 시스템을 개발할 수 있도록 한다. 뿐만 아니라 이 센서는 2와이어 I2C 표준 인터페이스를 사용한 디지털 출력을 제공함으로써 센서와 마이크로컨트롤러 사이에 고속 통신과 버스 모드를 사용한 양방향 통신이 가능하다.

이 센서 아키텍처는 전력 모드 제어 유닛, 센서 유닛, 통신 유닛 등 3개 주요 기능 유닛으로 이루어졌다[그림2].

[그림2] 이 센서 아키텍처는 전력 모드 제어 유닛, 센서 유닛, 통신 유닛 등 3개 주요 기능 유닛으로 이뤄졌다.

전력 모드 제어 유닛은 IC로 에너지를 분배하고 센서 동작을 제어하는 역할을 한다. 센서 유닛은 수직 및 수평 홀 플레이트와 온도 센서를 포함하며 x, y, z 방향으로 자기장을 측정한다. 각기 홀 플레이트는 다중화기를 통해서 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 순차적으로 연결하고 온도 센서도 다중화기로 연결할 수 있고 기능을 끌 수도 있다. 이로써 총 전력 소모를 25%까지 낮출 수 있다.

통신

모든 파워 모드일 때 마이크로컨트롤러는 I2C 인터페이스를 통해서 통신 유닛을 액세스할 수 있다. 레지스터 데이터를 액세스해서 레지스터 값을 리드아웃할 수 있으며 3개 축의 값과 온도를 별도의 레지스터들에 저장한다.

이 인터페이스는 I2C 고속 모드 규격(400kBit/s)을 충족하나 특수한 전기적 어셈블리를 사용하면 1MBit/s에 이르는 데이터 속도가 가능하다.

또 이 센서는 다른 장치들과 공유 I2C 버스를 사용해서 동작할 수 있다. 그러면 마이크로컨트롤러가 버스 마스터로서 모든 슬레이브들을 제어하고 TLV493D-A1B6의 표준 버스 어드레스는 제조업체에서 설정되나 전원을 켤 때 어드레스 핀을 통해서 변경할 수 있다.
새로운 어드레스는 동작을 지속하는 동안 유효하게 유지되며 전원이 중단됐을 때만 공장 설정으로 리셋된다.

3D 자기장 검출을 할 때는 TLV493D-A1B6이 모든 측정 방향에 대해서 12비트 데이터 분해능을 제공한다. 비트당(LSB, 최하위 비트) 0.098밀리테슬라(mT)의 높은 데이터 분해능이 가능하기 때문에 센서가 아주 작은 움직임까지도 측정할 수 있다.

또 넓은 직선 자기장 범위(+/-130mT)로 Bx, By, Bz의 직선 자기장 측정(B)이 가능해져 긴 자기적 움직임을 측정할 수 있다. 긴 범위를 측정할 수 있으므로 단순하고 견고하고 유연한 자기 스위치 디자인을 가능하게 한다.

더불어 두 방향의 수평 자기장 성분(x 및 y 방향)에 대해서 수직 홀 플레이트를 사용함으로써 높은 자기 정밀도(+/-5%)를 제공하므로 정확한 각도 측정을 할 수 있다.

유연한 전력 모드

매 측정 사이클을 한 후에는 센서가 마이크로컨트롤러로 강력한 인터럽트 신호를 전송하고 마이크로컨트롤러는 센서의 레지스터로부터 자기장 및 온도 값을 리드아웃할 수 있다. 또 인터럽트는 마이크로컨트롤러를 슬립 모드로부터 깨울 수 있다. 따라서 MCU가 리드아웃이 일어나는 시간 전까지 저전력 모드로 있게 되면서 전력 소모를 줄일 수 있다.

TLV493D-A1B6은 파워다운, 고속, 저전력, 극저전력, 마스터 제어 모드 등 5가지 사용자 선택 가능 전력 모드를 사용할 수 있고 동작시에 I2C 인터페이스를 통해서 각기 다른 모드들을 구성할 수 있다.[표1]

전원을 켜면 센서가 공장에서 사전에 설정된 구성으로 시작하고 잠시 동안 모든 기능 블록들이 작동 상태가 된다. 그런 다음 센서가 파워다운 모드로 전환하고 모든 기능 블록을 끈다.
이 모드일 때는 센서가 어떠한 자기 측정을 하지 않으며 전력 소모는 7㎁로 낮아진다. 그러므로 각기 2400㎃h 용량의 2개 표준적 AA 배터리를 사용해서 동작할 때 이론적으로 3만9000년 동안 동작할 수 있다.

필요할 때만 측정

저전력 모드일 때는 센서가 매 10㎳마다 파워다운 모드로부터 깨어나서 자기 측정을 실시한다. 이렇게 하기 위해서는 100㎂의 전류를 필요로 한다. 이러한 규칙적인 자기 측정은 제어 장치 같은 애플리케이션에 사용하기에 적합하다(다기능 버튼 등).

극저전력 모드일 때는 전력 소모가 1/10로 감소하고, 웨이크업 사이클이 100㎳로 길어지며 전력 소모는 10㎂로 낮아진다. 이 모드는 전력 계량기의 무단조작 방지 디자인 같은 배터리 사용 시스템으로 극히 낮은 전력 소모를 필요로 하는 경우에 사용하기 적합하다.

고속 모드는 리드아웃 속도를 극대화하기 위한 것으로서 I2C 인터페이스를 통해서 선행 측정을 전송하고 동시에 다음 변환을 시작한다. 고속 모드는 조이스틱 같은 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

조이스틱은 아주 빠른 자기적 움직임을 인식해야 하기 때문이다. 또 고속 모드일 때 센서의 전력 소모는 3.3㎑의 최대 샘플링 속도일 때 3.7㎃까지 이를 수 있다.

마스터 제어 모드일 때는 매 측정 후에 마이크로컨트롤러(마스터)가 레지스터를 리드아웃할 때까지 센서가 기다린 다음에야 새로운 측정 사이클을 시작한다. 마스터 제어 모드는 I2C 버스로 연결된 다수의 TLV493D-A1B6 센서를 사용해서 긴 직선적 움직임을 검출할 때 사용하기에 유용하다.

이러한 시나리오에서는 마이크로컨트롤러가 현재 어떤 센서 데이터가 해당되는지 판단하고 해당 센서를 트리거한다[그림3]. 

[그림3] 3개 전력 모드의 전력 소모와 온도 비교

조이스틱과 제어 장치

TLV493D-A1B6은 정밀 12비트 분해능과 높은 통신 속도에 의해서 조이스틱 애플리케이션에 사용하기에 적합하다[그림4].

기존 조이스틱은 모든 x, y, z 방향 움직임에 대해서 기계식 포텐셔미터를 사용한다. 하지만 이 방법은 상당한 공간을 필요로 하며 제품 수명에 걸쳐서 높은 비율의 성능 결함을 나타낸다. 시간이 경과하면서 조이스틱의 제로 포인트가 중심점에서 벗어나기 때문이다. 그러므로 조이스틱을 완전히 교체하지 않으려면 이 오차를 미캐닉적으로 복잡하게 교정해야 한다.

[그림4] 3D 자기 센서인 TLV493D-A1B6은 조이스틱의 움직임을 매우  빠르게 인식할 수 있다.

포텐셔미터 대체

TLV493D-A1B6 센서를 사용함으로써 3개의 기계식 포텐셔미터를 대체할 수 있고 공간을 절약하고 소형화된 조이스틱 시스템을 만들 수 있다. 뿐만 아니라 비접촉 자기장 식별, 높은 온도 안정성, 노후화를 거의 일으키지 않는다는 점에 의해서 산업용으로 견고한 조이스틱을 개발할 수 있다.

또 새로운 3D 센서를 사용함으로써 저렴하면서 에너지 효율적인 제어 장치를 개발할 수 있게 된다. 이러한 장치들로는 전자기기나 가전기기용으로 사용자 친화적인 회전식/푸쉬 버튼을 들 수 있고 정밀한 각도 측정과 소형화된 시스템 아키텍처에 의해서 촉각적인 사용자 편의성을 높일 수 있다.

이와 함께 새로운 센서를 사용해서 애플리케이션을 빠르게 개발할 수 있도록 인피니언은 ‘3D 자기 센서 투고(3D Magnetic Sensor 2Go)’라고 하는 저렴한 가격대의 평가 시스템을 제공한다.

이 시스템은 TLV493D-A1B6 센서와 32비트 XMC1100 마이크로컨트롤러를 결합하며 하드웨어와 함께 마그넷 및 센서 소프트웨어를 함께 제공하므로 단 몇 분만에 시스템을 가동하고 측정 할 수 있다. 뿐만 아니라 XMC1100 마이크로컨트롤러에 대해서 데이브(Dave)라고 하는 무료 개발 플랫폼을 사용할 수 있으므로 개발 작업을 더욱 더 빠르게 할 수 있다.

자동차용으로도 적합

이 새로운 센서는 현재 생산에 착수했다. 산업용 및 컨슈머 용으로 개발된 이 제품은 2.7V~3.5V의 전압 범위와 -40℃~+125℃의 온도 범위로 동작하며 JESD47 산업 표준을 충족한다.

또 자동차 업계 고객들을 위해서 AEC-Q100 인증을 추진하고 있다. 자동차용으로 인증을 받은 TLE493D-A1B6 3D 자기 센서는 2017년 상반기부터 양산을 시작할 예정이다.
TLV493D-A1B6은 인피니언의 전체적인 3D 자기 센서 포트폴리오 중에서 첫 출발인 제품으로서 앞으로 추가적인 3D 자기 센서 제품들을 출시할 예정이다.

<글 : 유르겐 만(Juergen Mann), 인피니언테크놀로지스 3D 자기 센서 마케팅 메니저>
<자료제공 : 인피니언테크놀로지스(www.infineon.com)>



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