오토모티브 시스템의 심플한 설계와 고신뢰화에 기여

[테크월드=김경한 기자] 

서론

최근 자동차의 기술 혁신과 함께 전장화가 추진됨에 따라, 자동차 1대당 탑재되는 전자부품의 수는 더욱 증가하고 있다. 동시에, 자동차의 안전성 확보를 위해, 탑재되는 전자부품에는 높은 신뢰성이 요구되고 있다. 예를 들어, EV(전기자동차)는 전동 모터로 동작하고, 모터로의 전류는 메인 인버터에서 공급된다. 메인 인버터는 단순히 직류를 교류로 변환할 뿐만 아니라, 모터를 보호하기 위한 안전 장치로서의 역할도 한다. 

따라서 메인 인버터는 EV에서의 중요성이 높으므로, 탑재되는 부품 역시 높은 신뢰성이 요구된다. 고신뢰성이 요구되는 것은 ECU(엔진 컨트롤 유닛) 역시 마찬가지로, MCU(마이크로 컨트롤러)를 중심으로 센서로부터의 입력을 처리하고, 파워 트레인을 제어하는 경우도 있다. 또한, 안전성의 면에서 각종 센서류, MCU로 구성되는 ADAS(첨단 운전 시스템: 자동 브레이크 기능, 크루즈 컨트롤(Cruise Control) 기능 등 운전자를 보조하는 각종 기능)가 탑재되고 있다. 편리성의 면에서도 블루투스를 통한 스마트폰과의 연동, 카 네비게이션, 하이패스(ETC) 등 탑재 기능은 기존에 비해 증가하고 있다. 

자동차의 전장화에 따라 노이즈 발생원이 되는 기기가 증가해, 노이즈 환경이 악화되고 있다. 이로 인해 미세한 신호를 취급하는 디바이스가 오동작을 일으키지 않도록 방지하기 위한 노이즈 대책이 큰 과제가 되고 있다. 그러나, 노이즈 평가는 자동차 전장 시스템 자체에서 시행하기가 어렵기 때문에 조립 후에 실시해야 한다. 이때 노이즈 평가가 NG일 경우, 설계 → 조립 → 평가를 몇 번이고 다시 반복하게 돼 자동차 메이커의 설계 부하도 커지게 된다. 

로옴은 이러한 과제에 대응해 높은 노이즈 내량을 실현한 제품 시리즈 ‘EMARMOUR(이엠아머)’를 라인업했다. 먼저, OP Amp를 2017년에 개발해 오토모티브 시장에서 높은 평가를 받았다. 다음으로, 시장의 강력한 요구에 대응하기 위해 개발한 콤퍼레이터 ‘BA8290xYxxx-C 시리즈’를 개발했으며, 이 두 제품을 소개하고자 한다.

자동차를 둘러싼 환경에 대해

자동차에는 다양한 노이즈원이 있다[그림 1]. 배터리와 엔진에서 발생하는 노이즈, 프린트 기판의 주변 회로, 모터, 인버터, 스위칭 전원 등도 노이즈원이 된다. 카 내비게이션이나 스마트폰, 오디오 기기 등의 통신기기는 전파를 끊임없이 발생시키므로 이 역시 노이즈원이 된다. 이런 노이즈가 신호선이나 전원 라인에 유입되면, 경우에 따라서는 시스템의 오동작을 초래하기도 한다. 자동차의 기본 성능인 ‘주행’, ‘회전’, ‘정지’에 관련된 부분에서 특히 오동작이 발생하면 안 되므로, 설계자는 모든 가능성을 고려해 노이즈 대책을 실시해야 한다.

전자 회로에 있어서 노이즈 대책은 크게 2가지로 분류할 수 있다. 첫 번째로 발생한 노이즈가 다른 기기에 영향을 미치지 않도록 발생하는 노이즈를 억제하는 EMI 대책, 또는 에미션 대책이다. 두 번째는 다른 기기에서 발생된 노이즈로부터 영향을 받은 경우, 그 영향을 최소한으로 억제하는 EMS 대책 또는 이뮤니티 대책이다. 이런 EMI와 EMS 대책을 동시에 실현하는 설계를 EMC 설계, 또는 EMC 대책이라고 한다. EMC 대책을 확인하기 위한 노이즈 측정 방법에 대해서는 국제 규격이 제정돼 있으며, 대표적인 것이 IEC(국제 전기 표준 회의), CISPR(국제 무선 장해 특별 위원회)이다.

자동차와 콤퍼레이터의 노이즈 내량

콤퍼레이터와 OP Amp는 자동차 등에서 아날로그 전자 회로를 설계할 때, 반드시 사용되는 중요 전자 부품이다[그림 2]. OP Amp는 신호를 증폭해 MCU가 처리할 수 있는 전압 레벨로 변환하는 기능을 한다. 콤퍼레이터는 신호의 임계치를 판정해 디지털 신호(High / Low)를 출력한다. 자동차의 기간 시스템인 ECU에서의 채용 예로서는 위치 정보, 온도, 기압, 유량 등의 다양한 정보를 검출하기 위해 다수의 센서 후단에 배치돼, 콤퍼레이터의 경우 센서 신호의 임계치를 판정한다[그림 3]. 인체의 두뇌에 해당되는 MCU는 그 정보를 바탕으로 전체를 제어하고, 최적의 구동을 촉진한다. 기타 사용 예로서는 모터 제어 유닛 등에서 사용되는 OP Amp, 저항과 조합한 전류 검출 회로가 있다. 이는 전류 검출 저항을 통해 변환된 전압치를 OP Amp에서 증폭하고, 콤퍼레이터에서 임계치를 판정함으로써 모터를 제어하는 회로다.

임계치 판정 시에 중요한 것은 콤퍼레이터 자체의 노이즈 내량이다. 센서 출력의 신호선이나 콤퍼레이터에 외부로부터 노이즈가 유입된 경우, 콤퍼레이터의 노이즈 내량이 낮으면 잘못된 판정을 출력한다[그림 4].

그 결과 MCU의 인식 오류 또는 오동작을 일으켜, 시스템의 오동작을 초래한다. 반면에 콤퍼레이터의 노이즈 내량이 높으면 노이즈를 제거함으로써 센서 신호를 정확하게 판정해 MCU로 출력할 수 있으므로 시스템을 정상적으로 동작시킬 수 있다. 따라서, 전자부품의 고집적화가 진행되는 ECU와 인버터에 있어서는 노이즈 내량이 높은 전자부품이 필요하다. 

콤퍼레이터에 있어서는 노이즈 대책을 실시하는 경우, 회로 설계뿐만 아니라 전원 라인, 그라운드 라인을 모두 저항, 용량, 인덕턴스 성분을 지닌 소자로 인식해야 한다. 최근에는 고성능 고주파 시뮬레이터의 개발이 추진되고 있지만, 프로세스 고유의 기생 용량이나 기생 인덕턴스 등의 상세한 특성까지 망라하기 어렵기 때문에 결국에는 설계자의 지식과 경험, 감에 따라 노이즈 내량의 강약이 결정된다고 할 수 있다. 이런 부분이 바로 노이즈 설계가 어려운 이유다.

압도적인 노이즈 내량을 실현한 ‘이엠아머’ 시리즈

노이즈 설계의 과제에 대응하기 위해, 로옴은 ‘이엠아머’라는 하나의 솔루션을 제안했다. 이엠아머는 로옴의 ‘회로 설계 기술, ‘레이아웃 기술’, ‘프로세스 기술’을 융합해 개발했다. 이는 ISO11452-2의 국제 평가 시험을 통해, 모든 노이즈 주파수 대역에서의 출력 변동이 ±3% 이하라는 노이즈 내량을 실현한 제품에만 사용되는 브랜드명이다. 

앞서 기술한 바와 같이, 로옴은 이 시리즈의 제1탄으로서 2017년에 자동차의 파워 트레인과 엔진 컨트롤 유닛 등 가혹한 환경에서 차량용 센서를 채용하는 자동차 전장 시스템에 최적인 그라운드 센스 OP Amp를 개발했다. 또한 이 기술을 콤퍼레이터에 전개해 높은 노이즈 내량의 콤퍼레이터 ‘BA8290xYxx-C 시리즈’를 개발했다. 본 시리즈의 OP Amp·콤퍼레이터는 노이즈 내량을 개선하기 위해 넓은 주파수 대역에서 노이즈를 차단할 수 있는 EMI 필터 회로를 내장하고, 전원 라인, 그라운드 라인, 소자 배치 등을 전면적으로 개선했다. 노이즈에 강한 칩 레이아웃으로 변경하고, 노이즈에 더욱 강한 독자적인 바이폴라 프로세스를 채용했다[그림 5]. 

그 결과, 자동차기기용 제품의 노이즈 평가 시험으로서 사용되는 ‘ISO11452-2’ 준거 평가 시험(200MHz~1GHz 범위에서의 평가)에서 BA8290xYxx-C 시리즈는 모든 주파수 대역에서 출력 전압 변동을 ±1% 이하로 억제하는데 성공했다. 이와는 달리 일반품은 ±20% 이상 편차가 있어 오동작(High/Low 반전)을 일으킬 가능성이 있다[그림 6]. 

기존에 콤퍼레이터의 노이즈 내량을 보완하기 위해서는, 영향을 받기 쉬운 특정 주파수대의 노이즈를 감쇠시키는 외장 필터 회로와 콤퍼레이터를 금속판으로 차폐(Shielding)할 필요가 있었지만, 압도적인 노이즈 내량을 실현함으로써 이런 공정을 생략할 수 있다. 이에 따라, 노이즈 대책에 소요되는 시간이나 비용을 대폭 삭감해 노이즈 설계 시의 부하 경감에 기여할 수 있다. 

BA8290xYxx-C 시리즈는 자동차기기 신뢰성 규격 AEC-Q100 대응, 장기간 안정 공급 보증, 유니버셜 제품과의 호환성이 있으므로 기존품의 대체 사용이 용이하다는 특징도 있다. 전원전압은 2.0~36V이며, 입력 오프셋 전압 ±2mV(typ./최대치 ±5mV), 입력전압 VEE~VCC -1.5V, 동작온도 범위 -40~+125℃이다. 소비전류는 2ch 제품이 0.6mA, 4ch 제품이 0.8mA다. 기존의 성능을 그대로 유지함과 동시에, 노이즈 내량만 개선한 BA8290xYxx-C 시리즈는 자동차 전장 시스템의 요구를 만족하는 제품이다. 

향후 전개

이미 양산중인 OP Amp와 이번에 새롭게 양산을 개시한 콤퍼레이터 BA8290xYxx-C 시리즈는 모두 이엠아머 시리즈로서, 오토모티브, FA (제조 장치), 산업용 로봇으로 대표되는 산업기기, 의료 분야 등 시스템상에서 노이즈로 인한 오동작이 절대 발생해서는 안 되는 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 예상된다.

EV와 HEV의 보급, 자동차의 안전성, 편리성 향상을 위해 자동차의 전장화가 가속화됨에 따라 자동차의 노이즈 대책이 더욱 중요시되는 오늘날, 이엠아머 시리즈는 새로운 스탠다드 제품이 될 것이다. 앞으로도 로옴은 높은 노이즈 내량 기술을 중내압의 고속 OP Amp와 전원 IC(리니어 레귤레이터) 등으로 전개해 오토모티브 시스템 등의 한 차원 높은 심플한 설계와 고신뢰화에 기여해 나갈 것이다.

글: 로옴(Rohm Semiconductor)