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자동차 과도현상에 대응, 프론트엔드 DC/DC 변환 스테이지 디자인
이나리 기자 | 승인 2017.07.10 11:06

[EPNC=이나리 기자] 최신형 자동차에서 디지털 컨텐츠의 활용이 빠르게 증가하면서 자동차 배터리 레일에서의 전력 변환에 대한 요구가 증가하고 있다. 12V 배터리 레일은 다양한 과도현상을 겪게 되며 이것은 오프-배터리 시스템의 전력 아키텍처에서 기인한 특유의 문제를 발생시킨다.

이 글에서는 자동차 배터리 레일에서 발생하는 과도현상의 종류와 원인, 과도현상의 테스트 조건을 규정하는 표준과 스펙에 대해 소개하고자 한다. 여러 과도현상을 잘 넘기고 부하에 대한 전력 중단을 최소화할 수 있으면서 전력 변환과 보호를 위한 전력 아키텍처들을 설명하겠다.

또 콜드-크랭크와 로드 덤프에도 살아남을 수 있는 벅-부스트, 부스트, 프리-부스트(Pre-Boost) 등의 방식이 갖는 장점과 타협에 대해 소개하고, 역극성 보호(Reverse-Polarity Protection)를 위한 방식과 함께 스마트 다이오드와 여타 방식에 대해 비교할 것이다. 이를 통해 개발자는 자동차 과도현상은 물론, 전력 변환 스테이지를 설계할 때 과도현상을 다루는 기법에 대해서도 더 깊게 이해할 수 있을 것이다.


자동차 과도현상이란?

자동차 시스템에서 배터리 레일 과도현상의 구성요소는 다양하다. 프론트엔드 파워 스테이지의 목적은 민감한 전기와 전자 부하를 다양한 변동으로부터 절연시키고 전압 레일 조절로 그 부하를 작동시키는데 있다. 자동차의 종류가 워낙 방대하고 작동 조건도 다양하기 때문에, 개발자가 모듈로의 배터리 레일에서 일어날 법한 과도현상을 전부 예측하기란 어려운 일이다. 따라서 다양한 검사 표준을 이용해 전력 조절에 필요한 요건을 파악해야 한다. 

이 문제를 해결하기 위해 많은 OEM 업체와 기관들이 오프-배터리 부하에 관한 내성 시험과 표준 시험 조건을 기술하고 있다. 이런 시험은 ISO 16750-2(전기전자 장비의 환경 조건), ISO 7637-2(전도, 커플링으로 인한 전기 교란) 표준에 요약돼 있다. 그러나 극한의 과도현상 중 대다수는 [그림 1]과 같이 과도현상 보호를 이용해 처리된다. 이처럼 전력 스테이지디자인에서 자주 부딪치게 되는 스트레스 집합과 더불어 그 물리적 원인은 [그림 2]와 [표 1]에서 요약돼 있으며, 이런 시험에 대해 기술하고 있는 ISO 표준과 몇몇 OEM 업체 고유 문서는 [표 1]에 언급돼 있다.

[그림 1] 프론트엔드 전력 조절 회로
[표1] 전기 스트레스와 그 기원


전력 변환 스테이지 설계 

DC/DC 변환 스테이지는 로드 덤프 중에 최대 42V(12V 배터리의 경우)까지 견딜 수 있어야 한다. 콜드크랭크 중에는 그 로드로 전력을 공급할 수 있어야 하는데, 이것은 4V보다 낮을 수 있다[그림 3]. 출력 전압을 이 범위 내에서 조절해야 하는 DC/DC 컨버터는 하이-레일 조건에서 스텝 다운을, 로우-레일 조건에서는 스텝 업을 할 수 있어야 한다. 또 개발자는 돌발적인 역극성 연결에서 그 피해를 방지하거나 제한할 수 있는 역극성 보호를 설계해야 한다.

[그림 2] 자동차 배터리 레일의 스트레스
[그림 3] 자동차 전력 변환 스테이지의 전압


부스트 + 벅 전력 스테이지

[그림 4]에는 몇 가지 오프-배터리 DC/DC 변환 구현 방법의 장점과 한계가 나와 있다. 한 가지 방법은 첫 번째 DC/DC 스테이지로 부스트 컨버터를 사용해 더 높은 전압 레일을 만들어내는 것이다[그림 4a]. 이 다음 두 번째 DC/DC 스테이지가 있는데, 이것이 와이드-VIN 벅 컨버터다. 부스트의 액션은 배터리 레일 전압이 너무 낮게 떨어질 때, 예컨대 크랭킹 중일 때 붕괴 없는 동작을 도와준다.

다음에 벅스테이지는 적정 레벨까지 전압을 스텝 다운시킨다. 이 방법의 장점은 부스트-입력 인덕터 전류의 리플이 비교적 작고 배터리 레일로 되돌아가는 리플 전류를 크게 감소시킨다는 점에 있다. 이는 전자기 간섭(EMI) 필터에 필요한 감쇠를 감소시키는 방법이며, EMI 필터의 크기와 비용이 낮아진다는 뜻이다. 

부스트 프론트 스테이지의 한계는 그것이 배터리 레일 전압의 하락을 고르게 하는 동안 로드-덤프 때나 점프-스타트 조건에서의 스파이크를 제한하지 못한다는데 있다. 대부분의 실제 설계에서 42V 가량인 풀 로드-덤프 전압 경우의 벅 스테이지는 좋은 평가를 받는다. 이로 인해 두 스테이지의 크기와 비용 둘 다 와이드-입력 전압과 풀-로드 전류에서 좋은 평가를 받는다. 
두 스테이지에 추가로 드는 비용은 이 아키텍처 고유의 이중 변환인데, 이 경우 두 스테이지는 스위칭과 전도 손실을 초래한다.

이런 이중 변환은 항상 일어나며, 배터리 전압이 작동 범위 내일 때에도 일어나고 그 밖에 스텝-다운 변환으로 충분했을 때에도 일어난다. [그림 4a]의 올웨이즈-온 (Always-On) 부스트 스테이지로 인한 추가 전력손실을 피하기 위한 더 나은 방법은 [그림 4b]에 나와 있다. 이것은 온-디맨드(On-Demand) 부스트 스테이지를 사용한다.

온-디맨드 부스트는, [그림 4b]의 빨간 점선처럼, 통상적으로 바이패스-모드에 있고, 벅 스테이지의 드롭아웃 특성에 기반해 미리 정해놓은 값 아래로 배터리 전압이 떨어질 때만 스위칭을 시작한다. 부스트 컨버터는 대부분의 시간 동안 오프 상태이기 때문에, 부스트 스테이지에서의 스위칭 손실을 피할 수 있다. 부스트 컨버터는 로드 입력 전압이 너무 낮게 떨어지지 않도록 충분히 빠르게 반응해야 하며, 배터리 강하와 바이패스 모드에서 부스트-온 모드로의 전환을 감지하는 추가 회로가 필요할 수도 있다.

온-디맨드 부스트는 배터리 전압이 떨어질 때에만 전환하도록 되어 있기 때문에, 이 아키텍처는 5V, 3.3V 같이 배터리 전압의 공칭 범위를 밑도는 비교적 낮은 전압 레일의 경우에만 적합하다.

[그림 4] 오프-배터리DC/DC 변환 방식들


벅-부스트 파워 스테이지

벅-부스트 컨버터는 싱글-스테이지 변환을 도와 입력 위치에서 광범위하게 배터리 전압[그림 3]을 처리하고, 출력 위치에서는 조절된 레일을 제공한다. 벅-부스트 변환에는 여러 가지 토폴로지가 사용된다. [그림 4c]는 더 높은 효율과 전력 처리 능력을 보여주는 LM5175의 4-스위치 벅-부스트 컨버터다.

와이드-VIN 4스위치 DC/DC 컨버터는 입력 전압을 스텝-업이나 스텝-다운할 수 있으며, 입력 전압이 출력 전압과 같을 때에도 출력을 조절할 수 있다. 와이드-VIN 4스위치 DC/DC 컨버터는 간소화된 다이어그램과 스위칭 파형[그림 5]은 입력 전압이 목표 출력보다 더 높을 때 벅-모드에서 동작하고, 입력 스테이지가 패스-쓰루 모드에 있다. 반면 입력 전압이 목표 출력보다 낮으면, 부스트 모드에서 동작하고, 출력 스테이지는 패쓰-쓰루 모드에 있다. 만약 VIN이 VOUT에 가까우면, 벅 사이클과 부스트 사이클을 상호 배치해 원활한 동작을 유지한다. 오직 하나의 레그(벅 또는 부스)만 한 사이클에서 스위칭을 하기 때문에, 두 개 스테이지 변환으로 인한 높은 손실은 방지된다.

부스트 프리-레귤레이터 (Boost Pre-Regulator)는 낮은 VIN에서 출력 전압을 올릴 뿐, VIN 아래의 출력 고정시키지 못한다. 이와 달리 벅-부스트는 입력 전압에서 하락과 탈선에 대한 면역을 모두 제공한다. 

공칭 배터리 범위(16V)를 넘는 출력 전압을 가진 자동차 애플리케이션의 경우, 벅-부스트 컨버터는 입력 위치에서 낮은 리플을 제공하고, 과부하, 단락 보호, 돌입 전류 제한을 한다. 또한 벅-부스트 전력 스테이지는 부피가 큰 저주파수 패시브 필터를 필요 없게 만들어준다. 벅-부스트 파워 스테이지가 아니라면 교류발전기 AC 출력의 정류로 인해 12V 배터리 레일에서 일어나는 슈퍼임포즈 교류전압을 진압하는 데 이 필터가 필요할 수 있다. 

공칭 배터리 전압을 밑도는 조절 출력의 경우 (5V, 3.3V), 이런 벅-부스트 토폴로지는 싱글-스테이지 솔루션으로 프리-부스트+벅 아키텍처보다 더 높은 효율을 발휘한다. 그렇지만 싱글-인덕터 벅-부스트가 가진 크기상의 장점은 비교적 큰 EMI 필터를 필요로 한다는 점에 의해 경감된다.

[그림 5] 와이드-VIN 4스위치 벅-부스트 컨버터

자동차 시스템의 경우, [그림 5]의 벅-부스트 컨버터가 이상적인 프리-레귤레이터다. 이 컨버터는 낮은 입력 리플(16~24V) 출력 범위의 경우, [그림 4c]와 크랭킹 보호 같은 부스트-컨버터 프론트 스테이지의 장점을 합쳐 놓았다. 또한 이 컨버터에는 로드-덤프 보호(VIN 이탈)와 주로 벅 컨버터와 관련된 과전류/단락 보호 등도 포함돼 있다. 특히 이는 셧다운 모드에 있을 때 진정한 입력-출력 분리를 제공한다.
 

역극성 보호

배터리 레일에 연결된 컴포넌트를 음전압으로부터 보호하려면 프론트 엔드에 역극성 보호 회로가 필요하다. 음전압은 자동차를 시동했을 때 외부 파워서플라이를 잘못 연결하면 발생할 수 있다. 자동차 시스템에서는 역전류 손상을 방지하기 위해 퓨즈부터 쇼키 다이오드, p-채널 FET (PFET), n-채널 FET(NFET)까지 여러 가지 방식을 [그림 6]처럼 사용하고 있다. 

저전류 애플리케이션의 경우, 역극성 보호에 단순 쇼키 다이오드를 사용할 수 있다. PFET는 고전류를 처리할 수 있지만, 그 드라이버 회로에는 주로 풀-다운 저항기와 전력을 소산시키는 제너 클램프가 필요하다. 더 나아가, PFET는 NFET에 비해 RDS(on) 특성을 가지고 있어 값이 더 비싸다. 스마트-다이오드 컨트롤러는 n-채널 MOSFET의 성능과 다이오드 연결의 간소함을 갖췄다.

[그림 6] 역극성 보호 방식들

결론

자동차 오프-배터리 애플리케이션의 프론트-엔드 전력 변환 스테이지는 입력-전압 또는 배터리 레일에서의 광범위한 전압 변동을 다룰 수 있어야 한다. 자동차 표준과 OEM 업체 고유 문서는 이런 변동을 모방한 시험들을 다루고 있다. 전력 스테이지 설계에 필요한 스트레스 시험의 예로는 역극성 연결, 엔진 시동/재시동 중의 콜드 크랭크, 웜 크랭크, 로드 덤프, 공칭 배터리 전압 범위 내의 중첩 AC 등이 있다. 

양전압 과도현상, 배터리 레일에서의 동작-전압 변동은 DC/DC 컨버터를 필요하게 만든다. DC/DC 컨버터는 와이드-입력 전압 정격으로 버스를 조절하거나 사전 조절한다. 로드와 구동되는 서브-시스템에 따라, 개발자는 프리-부스트나 프리-부스트+, 벅이나 싱글-스테이지 벅-부스트 컨버터를 이용해 전력 스테이지를 설계할 수 있다. 4스위치 벅-부스트 컨버터는 유연성과 작은 크기, 최적화된 고효율을 갖췄다. 역극성 보호를 위한 방식들은 많지만 스마트 다이오드는 뛰어난 성능과 간소한 설계가 특징이다. 

글 : 비제이 차우다리(Vijay Choudhary) TI 시스템 애플리케이션 엔지니어
자료제공 : 텍사스 인스트루먼트(www.ti.com)

#프론트엔드 DC/DC 변환 스테이지#자동차#텍사스 인스트루먼트

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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