반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 벤 위드스텐(Ben Widsten), 온세미 블루투스 LE 솔루션 제품 매니저

블루투스 LE(Bluetooth Low Energy) 기술은 에코시스템의 발전과 초전력 소비 특성을 기반으로 휴대폰에서 확고한 입지를 다졌다. 이를 기반으로 이 기술이 자동차 애플리케이션의 새로운 연결 사례에서 선호되는 무선 프로토콜로 부상하고 있는 이유를 이해할 수 있다. 이 글은 자동차에서 무선 연결 사용이 증가하는 이유에 대해 살펴보고, 블루투스 LE의 현재와 향후 잠재적 적용 사례를 확인한다.

 

차량 내 무선 통신 도입을 위한 추진 요인

자동차 산업은 전기화, 자율주행, V2X(Vehicle-to-Everything) 연결성이라는 트렌드가 거의 동시에 융합되면서 전례 없는 혁명을 겪고 있다. 자동차는 필수적인 교통 서비스를 제공하는 것에서 탑승자에게 유익한 여행 경험을 제공하는 것으로 진화하고 있다. 

차량 탑승자는 스마트폰을 더욱 활용해 차량에 액세스하고 이러한 경험을 맞춤화하려고 할 것이다. 또한 자동차의 센서, 안전 및 인포테인먼트 시스템의 수가 증가하면서 이를 차량 내 컴퓨터에 연결하고자 하는 요구도 증가하고 있다. 하지만 케이블을 사용할 경우에는 차량에 상당한 무게와 부피를 추가하여 제조 가능성, 비용, 복잡성 측면에서 문제가 발생한다.

그림1. 차량의 무선 연결은 사용자의 경험을 향상시킨다.

블루투스 LE는 CAN(controller area network)과 LIN(local interconnect network) 기반의 기존 상호 연결 솔루션에 비해 저전력의 비용 효율적인 대안이다. 자동차 OEM은 일부 적용 사례에 있어 이러한 기술을 대체하기 위해 블루투스 LE 인프라를 활용한다. 블루투스 LE는 다른 무선 기술에 비해 다음과 같은 여러 장점을 갖고 있어 자동차 애플리케이션에서 선호된다.

• 스마트폰과의 검증된 통신으로 상호 운용성에 대한 우려 완화

• 표준화된 사양 및 인증

• 전기적 노이즈가 많고 열악한 환경에서도 견고한 성능

• AEC-Q100 자동차 인증 부품의 가용성

• 전기 자동차의 핵심 요건인 저전력 소비

• 저비용 SoC(system-on-chip) 부품 및 안테나

자동차 속 블루투스 LE 적용 사례

자동차의 블루투스 기술은 차량 액세스 시스템과 함께 처음으로 사용되어, 패시브 엔트리와 패시브 스타트를 위한 휴대폰 키와 같은 기능을 활성화했다. 향후 이 애플리케이션에서 블루투스 LE를 중심으로 한 개발은 개별 디지털 키와 프로필을 기반으로 맞춤형 사용자 경험을 제공할 것이다. 

예를 들면, 자동차는 운전자나 탑승자의 핸드폰에 저장된 프로필을 자동으로 식별한 다음 개인의 선호도에 맞춰 미러, 좌석, 스티어링 휠의 위치를 매끄럽게 조정할 수 있다. 또한 다른 자동차의 사용자를 위한 공유 키를 생성할 수 있어, 궁극적으로 공유 자율 주행 차량이라는 새로운 트렌드에 맞는 PaaK(phone-as-a-key)은 실용적인 솔루션이 될 수 있다. 그러나 이를 위해서는 제3자, 즉 차량의 작동 방식을 훔치거나 변경할 수 있는 권한이 없는 사람이 프로필을 복사하지 못하도록 최고 수준의 보안으로 보호해야 한다.

텔레매틱스 박스, 헤드 유닛 디스플레이와 같은 인포테이먼트 시스템에서 중요한 것은 저전력이다. 이러한 시스템에는 셀룰러 통신 모뎀, Wi-Fi, 기타 연결 프로토콜과 같이 고전력 소비 연결 디바이스가 포함되는 경우가 많다. 이러한 시스템은 자동차를 사용하지 않을 때 자동차 배터리가 소모되지 않도록 엄격한 전력 예산을 준수해야 한다. 

이러한 요구 사항들을 충족하려면 시스템 개발자는 차량의 전력 소비가 높은 부품을 차단하면서도 필요할 때 해당 차단을 해제할 수 있는 저전력 무선 MCU를 찾게 된다. 블루투스 LE는 텔레매틱스 박스 또는 헤드 유닛 디스플레이가 무선 소프트웨어 업데이트를 처리하거나 기타 진단 기능을 수행하기 위해 절전 모드 해제 여부를 결정할 수 있도록 하는 탁월한 옵션이다. 

차체 애플리케이션 외 또 다른 새로운 추세는 배터리 관리 시스템에서 블루투스 기술이 탑재된 무선을 사용해 배터리 팩에 대한 주기적인 온도, 전압 정보를 메인 컴퓨터로 보내는 것이다. 또한 블루투스 LE는 운전자가 휴대폰을 사용해 타이어 공기압을 확인하거나 타이어 펑크가 났을 때 알림을 받을 수 있는 무선 TPMS(tire pressure monitoring system)와 같은 기능을 통해 OEM이 비용을 절감하는 데 도움을 준다. 또한 다중 위치 파워 시트, 미러, 잠금 장치, 선루프 제어에 대한 설계를 간소화할 수 있다. 초저전력 소비 외에도 소형 폼 팩터, 차량 내외부의 데이터 통신 보호 기능은 차량에 사용할 블루투스 LE 지원 MCU를 선택할 때 중요한 사항이다.

그림2. NCV-RSL15 MUC는 공간 제약이 있는 자동차 애플리케이션에서 이상적이다. 

무선 자동차 애플리케이션을 위한 최저전력 MCU

온세미의 NCV-RSL15 MCU는 블루투스 5.2 무선 연결, 임베디드 보안과 초저전력을 자동차 애플리케이션에 제공한다. 이러한 MCU는 SPEC Embedded Group(이전의 Embedded Microprocessor Benchmark Consortium, EEMBC)에서 최저 전력, 보안 무선 마이크로컨트롤러로 인증을 받았다. 

독점적인 스마트 감지 전력 모드를 특징으로 하는 이 MCU는 가능한 적은 전력을 사용하도록 설계됐다. 예를 들어 블루투스 LE 5.2의 사양에 따라 3개 채널에서 연결된 광고 이벤트는 3V 공급 장치에서 최대 수신 전류 2.7mA, 최대 전송 전류 4.3mA를 소비한다.

그림3. 온세미의 NCV-RSL15 블루투스 5.2 무선 MCU 

NCV-RSL15는 보안 플랫폼의 기반이 되는 트러스트존(TrustZone) Armv8-M 보안 확장을 갖춘 Arm Cortex-M33 프로세서 코어가 있다. 이 MCU는 하드웨어 기반 RoT(root-of-trust) 보안 부팅, 사용자가 액세스할 수 있는 다양한 하드웨어 가속 암호화 알고리즘, 향후 펌웨어 업데이트 및 보안 패치 배포를 지원하는 FOTA(firmware-over-the-air) 기능을 갖춘 Arm 크립토셀(CryptoCell)을 통해 최신 임베디드 보안을 제공한다. 

또한 시스템 응답성을 유지하면서 전력 소비를 줄이기 위한 4가지 저전력 모드가 제공된다. 바로 절전, 대기, 스마트 감지, 유휴 모드이다. 스마트 감지 모드는 절전 모드의 저전력 기능을 활용하면서 최소한의 프로세서 개입으로 일부 디지털과 아날로그 주변 장치를 활성 상태로 유지한다. 

NCV-RSL15는 차량 액세스, 타이어 공기압, 타이어 모니터링 시스템과 같은 자동차 무선 애플리케이션에 적합하며 단일 코인 셀의 전원으로 최대 10년 동안 작동한다. NCV-RSL15(QFNW40 6x6 패키지)의 소형 크기는 휴대용 원격 액세스 디바이스와 기타 공간이 제한된 타이어와 차량 내 위치에서 이상적이다. 온세미는 이러한 MCU를 지원하는 빠른 애플리케이션 개발을 위한 샘플 코드 라이브러리와 함께 포괄적이고 사용하기 쉬운 소프트웨어 키트를 제공한다.

무선 연결의 새로운 적용 사례

기존 자동차 통신 프로토콜을 사용하던 기능을 대체하기 위해 블루투스 LE와 함께 무선 기술을 사용하면, OEM은 차량 케이블을 줄여 전기차에서 대형 파워트레인을 위한 공간을 더 확보하고, 차량 내 시스템의 대기 전류 소비를 줄일 수 있다. 또한 OEM은 제조하기 쉬운 더욱 가볍고 확장성이 뛰어난 배터리 관리 시스템 개발에 블루투스 LE를 활용하기 위한 방법을 계속 모색할 것이다.