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글/ 잉 쳉(Ying Cheng) 스태프 애플리케이션 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices)

운전이나 주차 시 운전자를 보조하는 ADAS가 빠르게 진보하고 있다. 진보된 ADAS일수록 이전 세대 기술보다 더 많은 전력을 소모한다. 따라서 저전류 스위칭 레귤레이터는 이처럼 갈수록 높아지는 전력 요구를 더 이상 충족할 수 없게 되었다. 이 글에서는 바로 이러한 요구를 충족하는 솔루션으로서 고전류 모놀리식 사일런트 스위처(Silent Switcher) 벅 레귤레이터 제품 ‘LT8638S’와 ‘LT8648S’를 소개한다. 이와 함께 이들 레귤레이터 제품의 애플리케이션 회로에 대해서도 설명한다. 이들 제품의 효율, 온도, 방사 테스트 결과를 보면, LT8638S와 LT8648S가 빠르게 진보하는 ADAS를 위한 완벽한 전원장치 솔루션이라는 것을 알 수 있다.

ADAS의 진화

오늘날에는 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)이 자동차에서 갈수록 더 중요한 역할을 하고 있다. ADAS는 사람의 실수를 최소화하도록 함으로써 운전자와 도로의 안전을 향상시킨다. 초기의 ADAS는 1개의 레이더 센서를 사용하는 적응식 주행 제어(adaptive cruise control, ACC) 같이, 한 가지의 자동화 운전자 보조 기능만을 포함했다. 그런데 이제는 자동 응급 제동, 사각지대 모니터링, 차량/보행자 경고 및 회피, 차선 이탈 경고 및 보조 같은 더 많은 ADAS 기능들이 추가되고 있다. 

이처럼 ADAS가 진보할수록, 차량에 탑재되는 센서와 카메라 수가 늘어나고 강력한 실시간 데이터 프로세싱과 극히 빠른 속도의 통신 기술을 사용하게 되면서, 최신 자동차들은 어느 때보다 많은 전력을 필요로 하게 되었다. 일례로 2008년에 출시된 Mobileye EyeQ 같은 1세대 ADAS 시스템온칩(SoC)은 2W ~ 3W만을 소비했는데, NVIDIA Xavier처럼 최근에 출시된 ADAS SoC는 강력한 데이터 프로세싱 및 연산 기능을 위해서 20W ~ 30W 혹은 그 이상을 소비한다. 

ADAS를 위한 전원은 12V 배터리로부터 공급되는데, 이를 5V 또는 3.3V의 중간 전원 레일로 변환한 다음, SoC 코어, 인터페이스, 주변장치 등에서 필요로 하는 더 낮은 전압들로 변환해야 한다. ADAS SoC의 전력 소모가 증가함에 따라 이러한 요구를 충족하기 위해서는 중간 단계의 레일 컨버터가 10A 이상의 출력을 제공할 수 있어야 한다. 

고전류의 중간 전원장치를 설계하기 위해 기존에 활용해 오던 방식은 벅 컨트롤러를 사용하는 것이다. 이 방법은 외부 MOSFET이 필요해 전체 솔루션 크기가 크기 때문에 자동차 ADAS 애플리케이션에서 보통 일어나는 상황인, 제한된 공간에 컨트롤러 전원 솔루션을 집어넣기가 어렵다는 단점이 있다.  

전자기 방사(EMI)는 차량에서 스위칭 전원공급장치와 관련한 또 다른 이슈이다. 전원장치 설계 엔지니어는 차량용으로 정해진 엄격한 방사 및 전도 EMI 요건을 충족해야 한다. 전력 소모가 증가함에 따라서 이러한 EMI 요건을 충족하기가 더 어렵게 되었다. 전력, 크기, EMI와 관련한 이러한 요구 사항들을 충족할 수 있도록 아나로그디바이스(Analog Devices)는 42V 고전류 모놀리식 사일런트 스위처(Silent Switcher) 레귤레이터 제품인 LT8638S와 LT8648S를 개발했다.

LT8638S를 사용한 소형의 10A/12A 피크 전원 솔루션

LT8638S는 42V 10A 단일 채널 벅 레귤레이터로서, 모든 제어 회로와 MOSFET을 4mm x 5mm LQFN 패키지에 통합하고 있다. LT8638S는 출력 전류가 순간적으로 최대 12A에 이를 수 있어 컴팩트한 10A 중간 전원 레일에 사용하기에 안성맞춤이다. 그림 1은 LT8638S를 채택한 5V/10A 회로의 사례를 보여준다. LT8638S 레귤레이터는 스위칭 주파수를 200kHz ~ 3MHz에서 조절할 수 있다. 표 1은 400kHz LT8638S 회로와 2MHz LT8638S 회로의 주요 부품들을 정리한 것이다. 그림 2는 데모 보드 DC2929A 상에서 400kHz와 2MHz일 때 LT8638S의 효율과 온도 상승을 보여준다.

그림 1: LT8638S를 사용한 5V/10A 전원장치

표 1: 그림 1 회로의 주요 부품들

그림 2: 그림 1 회로의 효율과 온도 상승

LT8638S 400kHz 회로와 LT8638S 2MHz 회로를 비교해 보면, 400kHz의 인덕터 풋프린트가 2MHz 인덕터의 2.5배이고, 400kHz의 출력 커패시터가 2MHz 출력 커패시터의 3배이다. 그러므로 크기와 비용이 중요한 애플리케이션일 경우, 2MHz 스위칭 주파수가 바람직하다. 하지만 전원장치 설계 엔지니어들은 효율과 열 성능 때문에 2MHz 사용을 꺼려한다. 스위칭 주파수가 높아질수록 스위칭 손실이 크게 증가하기 때문이다. LT8638S는 이 문제를 해결하기 위해 그림 3처럼 빠른 스위치 에지를 사용해서 스위칭 손실을 최소화한다. 그림 2에서 LT8638S의 온도 상승은 2MHz 스위칭 주파수일 때 50W 출력 전력에서 60C에 불과하다. 2MHz와 400kHz 간 효율 차이는 10A 부하일 때 1.5% 이내이다.

그림 3: 12V 입력, 10A 부하일 때 LT8638S의 스위치 에지

빠른 스위치 에지는 높은 스위칭 주파수에서 고효율을 얻기 위해서는 좋지만 EMI를 나쁘게 할 수 있다. LT8638S는 사일런트 스위처 아키텍처를 적용함으로써 빠른 스위치 에지도 가능하고 EMI도 크게 줄이며 솔루션 크기 역시 소형화한다. 그림 4는 EMI가 극히 낮은 2MHz LT8638S 회로를 보여준다. 

그림 4: EMI가 극히 낮은 LT8638S 회로

최상의 EMI 성능을 달성하기 위해 이 레귤레이터는 SYNC/MODE 핀을 INTVCC 핀과 연결해서 확산 스펙트럼 모드로 동작할 수 있다. 그림 5는 CISPR 25 표준에서 정의한 테스트 설정을 적용한, 그림 4 회로의 LT8638S의 방사를 보여준다. 빨간색 선들은 CISPR 25 Class 5의 한계선을 표시한 것으로, CISPR 25 Class 5는 차량용으로 가장 엄격한 방사 기준이다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 LT8638S는 입력 필터를 형성하는 몇 개의 추가 부품만을 사용해서 CISPR 25 Class 5의 엄격한 피크 및 평균 한계 요건을 충족한다.

그림 5: 그림 4 회로의 방사 EMI와 전도 EMI (10A 부하일 때 12V 입력, 3.3V 출력) 

LT8648S를 사용한 더 높은 전류의 모놀리식 전원 솔루션

복잡한 ADAS는 여러 개의 카메라와 센서, 그리고 한 개 이상의 SoC를 필요로 한다. 예를 들어 핸즈프리 ADAS는 전력 소모가 큰 여러 개의 칩과 최대 11개의 카메라를 포함할 수 있다. LT8648S는 LT8638S보다 더 높은 출력 전류 용량을 제공한다. 따라서 이처럼 복잡한 ADAS 구현에 필요한 중간적 전원 레일용으로 적합하다. 모놀리식 42V 15A 벅 레귤레이터로서 LT8648S의 출력 전류 및 전력 레벨은 외부 MOSFET을 사용하는 전원 컨트롤러 솔루션과 거의 맞먹는다. 여러 개의 LT8648S를 병렬로 연결해서 전류 용량을 더욱 늘릴 수 있다.

그림 6은 LT8648S 디바이스 2개를 병렬로 연결한 3.3V/25A 2MHz 회로를 보여준다. 2개의 LT8648S 레귤레이터가 공통의 입력과 출력을 갖는다. EN/UV 핀들과 SS 핀들을 연결하여 2개의 레귤레이터가 동일한 슬루 레이트로 동시에 기동하도록 한다. LT8648S는 피크 전류 모드 제어를 사용하므로, 오차 증폭기 출력 V_c 전압이 부하 전류와 연관된 동작을 하도록 한다. V_C 핀들과 FB 핀들을 연결함으로써, 병렬 연결된 2개의 LT8648S는 외부 회로의 도움 없이도 우수한 전류 평형을 달성한다. U1 LT8648S의 CLKOUT 핀을 U2 LT8648S의 SYNC/MODE 핀에 연결함으로써, 이들 2개의 LT8648S 레귤레이터는 180° 위상 편이로 동기화된다.

그림 6: LT8648S 디바이스 2개를 병렬로 연결한 2MHz 3.3V/25A 애플리케이션 

그림 7은 그림 6 회로의 효율과 온도 상승을 보여준다. U1과 U2가 거의 동일한 온도라는 것을 알 수 있다. 이는 이 병렬 애플리케이션에서 전류 평형이 우수하다는 것을 뜻한다. 높은 스위칭 주파수와 외부 보상 회로는 빠른 과도 응답을 가능하게 한다. 그림 8은 그림 6 회로의 부하 과도 응답을 보여준다.

그림 7: 그림 6 회로의 효율과 온도 상승

그림 8: 그림 6 회로에서 10A에서 20A로의 부하 과도 응답

지금까지 2개의 고전류 42V 모놀리식 사일런트 스위처 레귤레이터 제품인 LT8638S와 LT8648S를 소개했다. 두 제품은 우수한 효율과 극히 낮은 방사 특성을 통해, 가혹한 차량 애플리케이션 환경에서 발열과 EMI 문제를 완화한다. 또한 LT8638S와 LT8648S는 MOSFET을 통합하고 있어 빠르게 진보하는 자동차 ADAS에서 필요로 하는 고전류 중간 전원장치의 솔루션 크기도 소형화한다.

저자 소개

잉 쳉(Ying Cheng)은 캘리포니아 산타클라라 소재 아나로그디바이스(Analog Devices)의 산업 및 멀티마켓 사업 그룹의 전원 제품 담당 스태프 애플리케이션 엔지니어이다. 2010년에 ADI에 입사했으며, 현재는 비절연형 모놀리식 스텝다운 컨버터 애플리케이션 지원을 맡고 있다. 특히 차량, 텔레콤, 의료, 산업용 애플리케이션용으로 효율이 높고 전력 밀도가 높고 EMI가 낮은 고성능 전원 컨버터 및 레귤레이터 제품을 주로 담당한다. 중국의 상하이 자오퉁 대학에서 BSEE 및 MSEE를 취득했으며, 미주리주 롤라에 소재한 미주리 과학기술 대학(이전 미주리-롤라 대학)에서 전기공학 박사학위를 취득했다. 문의: ying.cheng@analog.com