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2010 년 09월호

년 월호


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차량 점멸등을 구동하는 단일 쿼드채널 디바이스

본 고는 신개념 디바이스가 구동하는 점멸등 애플리케이션의 분석, 시뮬레이션, 온도 고려사항 등에 대해 다룰 것이다. 또한 4-채널 제안 방식의 장점을 듀얼 채널과 비교하여 상세히 설명할 것이다.

글/지오바니 토리시(Giovanni Torrisi), 선임 기술 마케팅 엔지니어
비토 그라지아노(Vito Graziano), 시스템 애플리케이션 연구소 매니저
ST마이크로일렉트로닉스, 자동차 제품 그룹, 차체 사업부

오늘날 다수의 차량 조명 시스템(아시아에서는 접속함(junction box) 또는 BCM(Body Control Module)로 알려져 있음)이 고체 소자 스위치에 의해 구동된다. 이동 부품의 부재, 진동 및 충격 방지, 신뢰성, 보다 높은 기대 수명, PWM에서 부하들을 구동할 수 있는 가능성, 빌트-인 진단 기능, 전자-기계 상호간섭 감소, 보다 신속한 반응 시간 등과 같이 릴레이(relays)와 관련된 장점들은 매우 잘 알려져 있다: 점점 더 많은 반도체 사용을 필요로 하는 애플리케이션은 점멸등(또는 자동점멸장치)이다: 온-보드 전자장치의 전체 비용을 감소시키고자 하는 경향(품질 손상 없이), 차량 전기 분배 시스템(harness와 wiring의 감소)의 간소화에 대한 요구, 연소 소비를 줄이기 위한 차량 무게 감소에 대한 요구 등으로 인하여 차량의 모든 점멸등을 구동하는 데 단 하나의 디바이스를 사용하도록 유도하고 있다.
이러한 애플리케이션에 공통으로 사용되는 디바이스는 이중 High Side driver(전력단으로서 2x25mΩ)이며, 차량의 자동점멸장치 조명을 구현하는 모든 전구들을 구동하는 데 사용된다. 이와 같은 디바이스는 특수한 전력 MOSFET 크기와 채널 구성을 통해 다양한 반도체 공급업체의 제품 포트폴리오에 포함되어 있다. 하지만, 일부 사례에서 적절한 돌입 전류 관리, 전구 고장 감지, FMEA 고려사항 등은 이러한 종류의 디바이스에 의해 적절하게 해결되지 않는다. ST마이크로일렉트로닉스는 차량의 점멸등 구동 성능을 향상시키기 위한 50mΩ 채널을 특징으로 하는 싱글칩 디바이스 VNQ5E050AK를 소개하고자 한다.

점멸등의 구성

점멸등은 주로 지역에 따라 크게 2개로 구분된다: 차량이 좌우 두 부분으로 나누어진다고 가정하면, 각각은 2 x 21W + 1 x 5W + 1 x 1.2W(대부분의 유럽과 일본 차량에서 사용되는 구성) 또는 2 x 27W + 1 x 3.5W+1 x 1.2W(일부 미국 차량에서 사용되는 구성)를 포함한다.
그림 1은 일반적인 점멸등 구성을 나타내고 있다. 최고 와트의 램프가 일반적으로 차량의 전면에 사용되고 중간 와트의 램프가 사이드 리피터(side repeater)용 조명으로 사용되며, 최소 와트의 램프는 대시보드(dash-board) 표시용으로 사용된다. 포함된 저항들은 연결 와이어들에 의해 제공되는 등가 저항값을 나타낸다. 0.85mm2의 굵기를 가진 구리 와이어의 경우, 다음과 같이 와이어 길이를 가정한다:

- Rin, 챠량 배터리에서 BCM까지의 와이어 ->1m
- R1, BCM에서 전방 전구까지의 와이어 ->1.5m
- R2, BCM에서 사이드 리피터까지의 와이어 ->1m
- R3, BCM에서 대시보드까지의 와이어 ->0.5m
- R4, BCM에서 후방 전구까지의 와이어 ->3m

이러한 구성은 다음과 같은 저항값을 가진다:

-Rin = 20mΩ
-R1 = 30mΩ
-R2 = 20mΩ
-R3 = 10mΩ
-R4 = 60mΩ

이들 값은 정확한 인-러쉬 시뮬레이션을 수행하는 데 있어서 중요하며, 최악 조건에서 전구를 턴-온시킬 수 있는 특정 디바이스의 성능을 확인한다. 모듈 엔지니어들은 고체-소자 디바이스의 성능 저하 메커니즘을 제거하기 위해서 디바이스 성능저하의 원인이 될 수 있는 전력 서지로 인한 열 유도 스트레스(thermally induced stress) 등과 같은 잠재적으로 유해한 조건들을 분석하여 차단해야 한다. 애플리케이션과 부하에 의해 결정되는 전력 디바이스의 순간 접합 온도에 대한 정확한 예측과(구동 부하와 관련된) 적절한 성능 평가는 최적의 설계에 도달하고 신뢰성 수준을 추정하는 데 있어서 반드시 필요하다.
ST마이크로일렉트로닉스의 High Side Drivers는 잘 알려진 특허기술인 전력 제한(Power Limitation) 기능을 제공한다; 이것은 적절한 부하에 대해서는 투과하고 동작하지 않지만,(부하 임피던스에 따라 가볍거나 무거울 수 있는) 과부하의 경우에 대해서는 전구, 보드, 그리고 디바이스 자체를 보호하기 위해서 동작한다.
일반적인 디바이스(조명 형태, 열 셧다운 형태)는 전력 제한 기능을 사용하지 않으면서 공칭 조건들(13.5V, 25℃)에서 부하를 온 상태로 스위칭한다.

- 저온 조건: 데이터 시트에 따라서 최악의 디바이스(Ilim min, TSD min)는 전력 제한 기능이 활성화된 경우에는 20ms 이하의 지연 시간 내에 부하를 완벽하게 온 상태로 스위칭해야 한다. 파라미터들은 다음과 같은 조건으로 지정된다:
　·접합 온도=25℃;
　·램프 온도=-40℃,
　·배터리 전압=16V
- 고온 조건: 최악의 디바이스(Ilim min, TSD min)는 부하를 온 상태로 스위칭해야 하며, 정상 상태의 경우에는 열 셧다운에 도달하지 않아야 한다:
　·접합 온도 =85℃(또는 필요에 따라 105℃);
　·램프 온도 =25℃;
　·배터리 전압 =16V.

따라서 ST의 호환성 규칙에 따라 최악 조건이 발생했을 때 모든 점멸등 램프(그림 2의 시뮬레이션 회로 참조)를 구동할 경우에 2 x 25mΩ이 동작하는 방법은 무엇인가?
그림 3과 그림 4는 최소 전류 제한(43A) 및 최소 온도 셧다운 쓰레스홀드(150℃)의 조건을 가진 디바이스의 경우에서 저온 및 고온 시뮬레이션의 결과를 나타낸 것이다. 저온에서 시뮬레이션의 경우, 전류 제한 기능은 거의 동작하지 않고, 전력 제한 기능도 활성화 되지 않으며, 램프는 디바이스의 어떠한 온도-기계적 스트레스 없이 턴-온된다.
고온에서 시뮬레이션은 접합 온도가 85℃에서 시작할지라도 램프 전류 인-러시 시에 디바이스는 온도 셧다운 상태에 도달하지 않는다는 것을 보여준다. 정상 상태 분석의 경우, 정교한 온도 시뮬레이터를 사용할 필요가 없이 이를 다음과 같이 수학적으로 처리할 수 있다: 우선 모든 채널이 구동할 때의 rms 전류를 계산해야 한다. 점멸등 애플리케이션은 1÷1.5Hz, 45~50%의 듀티 조건에서 동작하며, Irms는 다음과 같다:

Irms = √d·Ipeak
Ipeak@13.5V = (2 x 21W + 1.2W) /13.5V = 3.57A
Ipeak@16V = 1peak@13.5V·1.18 = 4.2A
Irms = 2.97A

다음으로 전체 전력소모를 계산해야 한다:

Ptot = 2·Rdson@150℃·Irms² = 2 x 0.05 x 2.97 x 2.97 = 882mW

최종 접합 온도는 다음과 같다:

Tj = Ta +ΔT; ΔT = Ptot x Rthj-a

VND5025LAK(2 x 25mΩ 디바이스) 데이터시트에서 확인할 수 있듯이 Rthj-a는 40℃/W(2cm2 PCB의 경우)이다.

T = 0.882 x 40 = 35.3℃ --> Tj = 85 + 35 = 120℃(최소 열 셧다운 조정보다 한층 더 낮음).

계산은 최악의 경우보다 한층 더 나쁠 수 있다는 것에 주의해야 한다: 전력소비의 경우, 150℃에서의 Rdson 값을 항상 고려해야 한다. 온도의 측면에서 인-러시 및 정상 상태 단계 모두 디바이스가 점멸등 램프를 알맞게 구동하여 턴-온시키는 데 적합하다. 정전 감지 기능은 어떠한가? 램프들 중 하나가 고장이 나서 개방형 부하가 되었을 때 디바이스는 이를 인지할 수 있는가? 대부분의 자동차 제조업체들은 21W 전구 정전 정보를 필요로 한다. 이 정보는 모든 HDS에서 아날로그 감지 기능을 통해 제공되는 전류 감지(Current Sense) 진단 기능을 통해 도출될 수 있다.
전류 감지 기능은 부하 전류에 비례하여 전류를 관련 핀을 통해 제공한다. 감지 전류에 의해 발생한 알맞은 저항을 통과한 전압 강하(감지 전압, Vsense)는 ADC를 통해 보드의 마이크로컨트롤러에 의해 판독될 수 있다. 다음으로 마이크로컨트롤러는 이 데이터를 적절하게 처리하여 드라이버가 순간 부하 조건을 알 수 있도록 해야 한다.
이때 Vsense의 정의는 다음과 같다:

Vsense = Rsense x Isense

여기서 Isense = Iout / K이다.

하지만, 출력 전류 판독은 다양한 파라미터 편차에 의해 영향을 받는다. Vsense 자체는 다음 파라미터 편차들의 함수이다:

Vsense = F(Rsense, I(bulbs), K(Tj, Iout, Vbatt))

일반적인 편차는 다음과 같다:

Rsense의 범위는 1%에서 3%까지이며;
I(전구)의 범위는 6%에서 10%까지이며;
K는 사용된 드라이버의 편차 함수이다.

무엇보다 일반적으로 다음과 같이 상당히 넓은 환경 조건 범위 내에서 21W 정전 기능을 확인해야 한다:

8.5V < Vbatt < 16V
-40℃ < Tamb < 85℃

다시 말해서 디바이스 파라미터들이 모집단 내에 분포되어 있기 때문에 K 변수를 고려한 범위 이상에서 모든(Vbatt, Tamb) 설정에 대해 21W 전구 정전 기능을 정의해야만 한다.
21W 전구 정전 감지 기능에 있어서 가장 어려운 상황은 단지 5W 전구가 1 x 21W + 5W에 대해 개방(2 x 21W 전구에 대한 Iout)이 되는 ‘공칭 조건’을 구분해야 할 경우에 나타난다.
Vsense(2 x 21W)는 모든 가능한 편차 원인에 대해 반드시 Vsense(1 x 21W + 5W) 이상이어야 한다. 이러한 특정 부하 구성에서 6%의 전구 분포와 1%의 Rsense 편차를 가정할 때 Iout(1 x 21W + 5W)에 대해 비례하는 Iout(2 x 21W) 편차는 대략 43%이다.
위의 조건들에서 전류 제품군에 따라 이것은 여전히 21W 정전을 감지할 수 있다. 예를 들어, VND5025LAK K는 21.5% 이하의 분포를 가지며, 이것은 절대 교차하지 않는 배터리 편차(Vsense(2 x 21W)와 Vsense(1 x 21W + 5W)에 대해 2개의 최악 곡선을 형성한다.
하지만, 편차의 원인들이 위의 예들보다 높은 경우에 모듈의 최종 라인 테트스를 통해 이를 보정해야만 한다. 보정을 한다는 것은 모듈에 솔더링된 특정 디바이스의 Vsense 판독을 통해 Rsense/K 비율을 측정한다는 것을 의미한다. 일단 이것을 수행하면 Iout = Isense x K이기 때문에 출력 전류를 간단하게 계산할 수 있다. 심지어 단일 포인트의 K 비율 측정을 통해 모집단에 대한 이 파라미터의 분포를 제거할 수 있을지라도 부하 전류에 따라 K가 변화하는 것을 차단할 수는 없다는 것에 주의해야 한다. ST가 제공하는 모든 듀얼 25mΩ 디바이스의 경우, 이러한 후자 편차로 인해 21W 전구 정전을 구분 못 하지는 않는다.

다음으로 FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)은 어떠한가?(EOS(Electrical Over Stress) 또는 비정상적인 펄스로 인한) 전구 단락 또는 채널 고장 시 어떠한 상황이 발생하는가? 이는 전혀 단순한 문제가 아니다. 고장이 발생할 경우를 고려하여 특별히 주의해야만 한다. 확인된 사례들은 다음과 같다:

- 2개의 채널 중 1개에 연결된 전구들이 단락이 되었을 경우, 병렬로 연결된 모든 램프들이 단락이 되고 더 이상 동작하지 않는다.
- EOS(서지 또는 비정상적인 전압 펄스)로 인해 채널 중 하나에 고장이 발생한 경우에 이것에 연결된 모든 전구들이 동작을 중지한다.

따라서 2 x 25mΩ은 대부분의 점멸등 구성을 구동할 수 있지만,(특히 FMEA와 관련하여) 몇 가지 개선될 수 있는 측면들이 있다. 이러한 이유로 ST마이크로일렉트로닉스는 단일 쿼드 채널 디바이스인 VNQ5E050AK 를 출시했다. 이 디바이스는 모든 M0-5 기능(전류 제한, 전력 제한, 열 보호, 전류 감지 상태, 초저전류 흡수)은 물론 50mΩ의 Rdson 을 특성으로 하는 4개의 각기 다른 채널로 구성된 전력단, 19A의 최소 전류 제한 등의 기능을 제공한다. 이전 사례에서와 같이 이 디바이스가 점멸등 애플리케이션에서 호환성을 가질 수 있도록 하기 위해서 몇 가지 확인이 필요하다. 이 신형 디바이스는 그림 5의 구성에 따라 어떻게 점멸등 램프의 구동을 수행하는가? 앞서 본 바와 같이 가장 엄격한 조건들은 저온 및 고온 조건들이다: 그림 6은 저온 설정에 대한 시뮬레이션을 나타낸 것이다(21W + 5W을 구동하는 채널 중 단지 1개만을 구상함): 전력 제한 기능으로 인해 디바이스는 4ms 이하로 순환한다: 최소 전류 제한 값(19A)를 설정해야만 이 시뮬레이션이 가능하다는 것에 주의해야 한다: 일반적인 1개의 채널(27A)을 통해 21W + 5W + 1.2W을 구동하기 때문에 전력 제한 기능을 활성화시키지 않고도 램프를 턴-온시킬 수 있다.

그림 7은 고온 설정에 대한 시뮬레이션을 나타낸 것이다(21W + 5W을 구동하는 채널 중 단 1개만을 구상함): 전류 제한 기능이 거의 동작하지 않지만, 모든 전력 제한 기능이 발생한다. 결론적으로 디바이스는 인-러시 전력 피크들을 처리하는 데 적합하다. 정상 상태 조건에 대해 살펴보자. 채널 1과 채널 2는 각각 21W + 5W + 1.2W를 구동하고, 채널 3과 채널 4는 단지 21W만을 구동한다.

Irms = √d·Ipeak
Ipeak1-2@13.5V = (21W + 5W + 1.2W)/13.5W = 2.01A
Ipeak1-2@16V = Ipeak@13.5V·1.18 = 2.37A
Ipeak3-4@13.5V = 21W/13.5V = 1.55A
Ipeak3-4@16V = Ipeak@13.5V·1.18 = 1.82A
Irms1-2 = 1.67A
Irms3-4 = 1.28A

Ptot1-2 = 2·Rdson@150℃·Irms1-2² = 2 x 0.1 x 1.67 x 1.67 = 558mW
Ptot3-4 = 2·Rdson@150℃·Irms3-4² = 2 x 0.1 x 1.28 x 1.28 = 327mW
Ptot = 558 + 327 = 885mW

정상 상태에서 정상 상태 전력소비는 2 x 25mΩ 디바이스와 유사하다: 동일한 패키지를 가질 경우, 4 x 50mΩ 디바이스의 열 적합성에 대한 이해가 용이하다.
전구 정전 발생 시의 디바이스 성능을 분석해 보자. 4개의 전류 감지 출력(Cs1..Cs4)을 분리한 채로 유지함으로써 정전 감지에 대해 최고의 정밀도를 달성할 수 있다.
VNQ5050AK의 경우, 단일 출력 최대 부하는 21W + 5W이다. 부하가 21W 인 경우에 5W가 개방되거나 손실되기 때문에 2개의 Vsense 쓰레스홀드 사이의 최소 거리에 도달하고, 21W 전구가 개방되기 때문에 5W 부하가 된다. 시스템에 대한 가능한 모든 편차 소스(전구 분포 또는 Rsense 편차)는 물론 K 감지 편차를 고려한다면, 계산된 Vsense 분포가 K 편차보다 훨씬 크기 때문에 상기 2개의 조건들을 구분할 수 있다. 특히 최악의 응용 조건(10%의 전구 편차와 3%의 Rsense 편차)에서 다음 그래프(그림 8)는 최소 ‘공칭 부하 조건’과 최대 ‘21W 전구 정전’ 부하 사이의 전압 감지 차이를 나타낸다.
FMEA 고려사항은 어떠한가? 그림 9는 2-채널 디바이스와 4-채널 디바이스 간의 차이를 나타낸 것이다: 듀얼 채널 디바이스의 채널 중 1개에 EOS가 발생한 경우, 모든 관련 측면의 램프가 오프될 것이다. 쿼드 채널 디바이스의 경우, 1개의 채널에 손상이 발생하면, 동일한 측면의 다른 램프들은 여전히 온(ON) 상태를 유지할 것이다. 다음으로 1개의 램프(2 x 25mΩ의 경우)에 단락 회로가 발생하면,(단락 회로와 병렬로 연결된) 동일한 측면의 다른 램프 역시 단락 상태가 될 것이다. 4 x 50mΩ을 채택한 경우, 단락 회로가 발생한다면 단지 그 램프(또는 최악의 경우에 병렬 연결된 2개의 램프)만이 영향을 받을 것이다.
쿼드 상측 드라이버의 경우, 전구가 동시에 턴-온시키는 데 필요한 차량 측면(좌 또는 우)의 동기화를 위해서 입력 핀(1 + 2, 3 + 4)은 병렬로 연결되어야 한다(그림 10 참조).

결론적으로 VNQ5050AK는 일반적으로 사용되고 있는 2 x 25mΩ 디바이스가 가지고 있는 몇 가지 한계를 극복하였으며, 매우 유용한 대안이다. 이러한 이점들은 진단 요건들과 애플리케이션 FMEA 고려사항들을 통해 제공된다.