ST마이크로일렉트로닉스

현재 전자기기는 자동차에 있어 상당한 부분을 차지하고 있다. 이러한 전자 모듈들이 자동차 사용자들에게 한층 더 많은 편의성과 안전성을 제공할지라도 차량 환경과 관하여 신뢰성 측면에서 상당한 문제들 역시 안고 있다.
전자 모듈들은 EMI(electromagnetic interference), ESD(electrostatic discharge), 기타 전기적 장애들에 민감하고, 자동차는 이러한 많은 위험요소들의 근원이 되기 때문에 전자 모듈을 차량 환경에서 사용하는 경우에는 언제나 주의해야 한다.
다양한 표준들이 자동차에서 현재 발견되고 있는 전기적 위험요소들을 모델링하기 위해 개발되었다. 결과적으로 제조업체와 공급업체들은 이러한 표준들을 고려해야 하며, 이러한 표준들에 의해 부과된 주요 규제사항들을 충족시키기 위해서 자신들의 모듈에 보호 디바이스들을 추가해야 한다.
이러한 이유로 인해 전자 온보드 모듈은 ISO7637-2 및 ISO10605 국제표준에 의해 각각 정의된 내성 및 ESD 과도전류를 견딜 수 있어야만 한다.

글: 필립 메르세론(Philippe Merceron)
ST마이크로일렉트로닉스(www.st.com

차량 환경에서 전기적 위험요소

차량 환경 자체가 많은 전기적 위험요소의 원인이다.
EMI, ESD, 그리고 기타 전기적 장애 등과 같은 이러한 위험요소들은 점화, 릴레이 컨택트, 알터네이터(alternator), 분사기, 그 외 액세서리 등과 같은 다양한 액세서리들에 의해 생성된다.
이러한 위험 요소들은 도전 위험 요소들의 경우에 와이어링 하네스에서 직접 발생하거나 방사에 의해 전자 모듈에 간접적으로 인가될 수 있다. 이렇게 생성된 위험 요소들은 환경에 따라 전자기기에 두 가지 방법, 즉 데이터 라인 또는 공급 레일 와이어에 영향을 미칠 수 있다.

전기적 위험요소의 전파

차량 환경에서 생성되는 과도전류는 매우 낮은 수준(높은 에너지)에서부터 일부 사례에서는 높은 dV/dt를 가진 높은 수준(낮은 에너지)에 이르기까지 다양하다.
이들은 대부분은 ISO7637-2 및 ISO10605 표준과 관련이 있으며, 때때로 이러한 ESD 표준을 따르기 위해 일부 제조업체들이 ISO10605가 개발되기 전에 사용했던 IEC61000-4-2와 관련이 있다.
ISO7637-2은 전력 레일 애플리케이션과 관련이 있으며, ISO10605(일부 제조업체의 경우, IEC61000-4-2)는 전위차계, LCD 스크린, 노브(knob), 데이터 라인 커텍터 등과 같은 모든 전자 모듈의 접근 가능한 부품들과 관련이 있다.
그림 1, 2, 3은 차량 환경에서 주요 EMI 및 ESD 과도전류 형태에 대한 간단한 재현을 나타낸 것이다.

데이터 라인 및 전력 레일 애플리케이션

데이터 라인 및 전력 레일 애플리케이션은 동일한 제약을 갖지 않는다.
데이터 라인 애플리케이션은 고속 데이터 버스 성능 때문에 일반적으로 낮은 라인 커패시턴스의 제약이 있으며 동시에 높은 ESD 수준에 대한 내성을 요구한다. 따라서 낮은 커패시턴스와 ESD 강건성 사이의 적절한 절충을 통하여 훌륭한 보호 기능을 선택하는 것이 그리 쉽지 않다.

반면, 전력 레일 애플리케이션은 낮은 커패시턴스를 요구하지는 않지만, ISO7637-2 표준에 의해 부과된 다양한 펄스들로 인해 가장 적절한 보호 디바이스를 찾는 것이 까다로울 수 있다.
예를 들어, 부하 덤프(Load Dump)에 대한 보호 기능은 릴레이 스위칭 시 발생하는 과도전류에 대한 보호 기능과 동일한 디바이스를 사용하지 않는다.

데이터 라인 보호

우리가 차량 라디오에 사용할 USB 액세서리들을 고려한다면, 예를 들어 이 USB 커넥터의 접근 가능한 부분은 ESD 과도 전류와 관련이 있을 수 있다.
이러한 이유로 인해 USB 데이터 라인들은 전용 디바이스를 통해 보호되어야만 한다.
USB 데이터 라인들이 일반적으로 고속 전송 데이터 속도(480Mbps)를 가지기 때문에 정상 동작 신호를 저하시키지 않는 동시에 +/-25kV ESD 서지(ISO10605)를 억제할 수 있는 보호 기능을 제공하기 위해서 낮은 커패시턴스의 보호 디바이스가 필요하다.
낮은 커패시턴스와 고효율의 ESD 억제 기능 사이의 이러한 트레이드-오프는 그림 4의 토폴로지를 통해 달성될 수 있다.
방법은 USB 커넥터에 가깝게 위치한 보호 디바이스를 사용하는 데 있다.
이 보호 디바이스는 본질적으로 낮은 커패시턴스 특성을 제공하는 레일-투-레일 구성으로 된 복수의 다이오드로 이루어진다.
내부 클램핑 디바이스는 데이터 라인 +/-25kV ESD(ISO10605)과 Vbus 보호 기능 모두를 보장한다. 라인 커패시턴스 당 2.5pF를 가진 레일-투-레일 보호 디바이스를 고려할 경우, 이러한 보호 토폴로지의 주파수 응답 특성을 그림 5의 그래프에 의해 제시된 바와 같이 기대할 수 있다. 그림 5에 나타낸 컷-오프 주파수는 약 5GHz로 USB 480Mbps 트랜시버의 정상 동작 주파수와 상당히 거리가 있지만 이것이 안전하게 동작할 수 있도록 지원한다.
정상 동작 모드의 USB 프로토콜 상에서 이 레일-투-레일 보호 기능의 영향을 확인하기 위한 다른 방법은 신호 비트 무결성을 그림 6에 나타낸 바와 같이 아이-다이어그램 (eye-diagram) 응답을 통해 분석하는 것이다.
그림 6의 아이-다이어그램 그래프에서 USB2.0의 신호 무결성이 크게 저하되지 않아 USB 전송을 안전하게 유지할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 레일-투-레일 보호 솔루션이 제공하는 이점들 중에는 외부 액세서리(예를 들어, 차량용 라디오)를 꽂았을 때 외부 커넥터에 발생하는 ESD 서지를 억제할 수 있다는 장점이 있다.
우리가 이러한 2.5pF 내부 커패시터 레일-투-레일 보호 기능을 사용하고, 이것의 내부 클램핑 성능이 6V(Vbr 항복전압)을 가진다고 가정한다면, 우리는 그림 7과 그림 8에 나타낸 바와 같이 ESD +/-25 kV ISO10605(150pF/ 330Ω) 대기 방전 응답 성능을 기대할 수 있다.
그림 7과 그림 8은 레일-투-레일 솔루션의 가능한 ESD 응답을 나타낸 것이다. +25kV ESD 서지가 인가될 경우에 모듈의 전자 측에서 나머지 과도전압은 대략 +35V이며, -25kV ESD 서지가 인가되는 경우에는 대략 -30V이다.

전력 레일 보호

차량 환경에서 다른 문제는 ISO7637-2 표준과 관련된 온보드 모듈에 대한 전력 레일 보호 기능이다[1].
예를 들어, 특히 그림 1의 펄스 1, 2, 3a, 3b에 대해 ISO7637-2 표준을 충족하기 위해서 단일 TVS(Transient Voltage Suppressor)를 사용하는 것만으로도 효율적으로 온보드 모듈을 보호하는 데 충분하다.
플러스 1, 2, 3a, 3b에 제출될 경우에 24V 클램핑 성능(Vbr 항복전압)을 가진 이러한 보호 기능의 동작을 그림 10, 그림 11, 그림 12, 그림 13, 그림 14에 각각 나타냈다.
문제는 제거해야 하는 서지와 관련하여 정확한 보호 디바이스의 크기를 결정하는 것이다.
예를 들어, 그림 12에 해당하는 ISO7637-2의 펄스 2를 고려한다면, 서프레서를 통과하는 클램핑 전압이 약 30V이고 최고 펄스 전류(Ip)는 약 12A이며, Ip/2에서 측정된 이 전류 펄스의 지속시간이 4μs라는 것을 알 수 있다. 따라서 우리는 TVS가 360W의 최고 펄스 전력(Pp)을 소비한다고 결론을 내릴 수 있다. 우리가 '최고 펄스 전력과 지수 펄수 지속기간'을 비교하는 TVS 데이터 시트와 비교하여 TVS가 애플리케이션 제약조건 내에서 유지되도록 보장하도록 도와주기 때문에 모든 이러한 Pp, Ip, tp 등의 값은 도움이 된다.
예를 들어, 우리가 SMAJ24A를 고려한다면, 우리는 이러한 최신 값들을 데이터시트로부터 도출한 그림 15의 곡선과 비교할 수 있다. 우리는 이 SMAJ24A가 ISO7637-2 펄스 2 서지에 의해 부과되는 4μs의 지속기간보다 큰 1.2ms 동안 지속되는 360W의 지수 펄스를 견딜 수 있기 때문에 이것이 ISO7637-2 펄스 2를 충족한다는 것을 알 수 있다.

맺음말

차량 환경은 전기 위험요소의 주요한 원인이며, 전자 기기는 보다 민감하기 때문에 전자 모듈을 설계하는 경우에 상당한 주의를 해야 한다.
따라서 차량 내부에서 발생하는 모든 위험요소들로부터 모듈과 시스템의 안전을 보장하기 위해서 보호 디바이스들을 사용하는 것이 매우 일반적이다.

참고문헌

1. AN2689 "Protection of automotive electronics from electrical hazards, guidelines for design and component selection" http://www.st.com

 


 

 
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