자율주행 자동차, 전원 시스템은 대비됐는가?

[테크월드=양대규 기자] 우리는 자율주행 자동차를 맞이할 준비가 됐는가? 이것이 요즘 내가 자주 생각하는 질문이다. 아마 당신도 그럴 것이다. 특히나 최근에 십대인 내 딸이 막 운전을 배우기 시작했기 때문에 개인적으로도 이 문제에 대한 관심이 크다. 첫 번째 운전 수업을 마치고 돌아온 딸에게 어땠냐고 물었더니 의외의 대답이 돌아왔다. 운전 자체는 별로 어려울 것이 없었는데, 주변 운전자들 때문에 신경이 쓰였다는 것이다. 사람들이 앞차에 너무 바짝 붙어서 운전을 하고, 방향 표시등도 켜지 않고, 출구로 빠져나가기 위해서 갑자기 앞으로 끼어든다고 불평했다. 모두 맞는 말이었다. 북부 캘리포니아의 도로에서 내가 늘 경험하는 일들이기 때문이다.

이것은 자율 자동차에 대한 생각으로 이어졌다. 자율 자동차는 운전대 뒤에 사람이 필요하지 않다. (운전대 뒤에 사람이 앉아 있을 수는 있으나 전통적인 의미에서의 제어 장치를 사용하지는 않는다.) 대신에, 거의 미니 메인프레임 급의 컴퓨터로 일단의 컴퓨터 코드들을 실행한다. 이 컴퓨터로는 자동차 안팎으로 장착된 다양한 유형의 센서들이 연결된다. 이것은 다시 클라우드로 연결되고 자동차 주변의 외부 환경을 거의 실시간으로 시뮬레이트 할 수 있게 될 것이다. 그럼으로써 그때그때마다 주변 교통 조건에 따라서 어떤 조치를 취할지 결정할 수 있다. 이런 것들을 모든 다양한 날씨, 환경, 교통 조건으로 할 수 있어야 한다. 말만 들어도 얼마나 복잡한 일일지 알 수 있다.

그런데 얼마 전에는 아리조나주에서 자전거를 끌고 가던 행인이 자율주행 테스트 차량에 치어서 숨지는 사고가 발생했다. 현지 경찰에 따르면, 이 행인은 횡단보도가 아닌 곳에서 도로를 건너고 있었다고 한다. 사고 현장에 자전거가 있기는 했으나, 사고 당시에 자전거를 타고 있지는 않았던 것으로 전해진다. 사고 피해자를 급히 인근 병원으로 후송했으나 병원에 도착하고서 바로 사망한 것으로 발표됐다.

사고 당시에 이 자율주행 SUV의 운전석에는 사람이 탑승하고 있었으나 자동차를 제어하고 있지는 않았다. 현지 당국에 따르면, 사고 당시에 자동차에는 다른 탑승객들은 타고 있지 않았다. 미국의 몇몇 지역에서는 필요할 때 제어를 위해서 운전석에 사람을 앉히고서 합법적으로 자율 자동차를 시험할 수 있도록 허가를 내주는데, 아리조나주는 그 몇 안 되는 지역 중의 하나다. 이 사고는 자율 자동차의 자율주행 능력에 대해서 되돌아보게 하는 계기가 됐다.

자율주행 자동차의 시간표

몇몇 난관에도 불구하고, 마침내 자율주행 자동차 시대가 열리게 되리라는 것은 확실하다. 다만 문제는, 그 때가 언제가 될 것이냐 하는 것이다.

자동차 업계에 따르면, 이런 변화는 두 측면에서 일어나고 있다. 기존 자동차를 점차적으로 조금씩 바꿔가는 점진적 변화와(테슬라의 오토파일럿 기능) 한번에 완전한 자율주행차를 달성하려는 혁명적인 변화다(구글에서 현재 진행하고 있는 연구). 어느 쪽이 더 성공적일지는 확실치 않다. 하지만 둘이 중간에 한 길에서 만날 가능성이 높아 보인다.

그렇다면 앞으로 몇 년을 어떻게 전망할 수 있을까? 이 문제에 관해서 업계 전문가들 말을 들어보면 다음과 같이 요약할 수 있다:

1) 내비게이션이나 GPS 시스템과 연동시킨 좀더 향상된 운전자 지원 기능들이 등장할 것이다.

2) 구글 같은 회사들이 자율주행 자동차가 직면할 수 있는 모든 상황에 대해서 데이터를 수집·축적할 것이다.

3) 지도 회사들이 주요 도시의 3D 지도 데이터를 보강해야 할 것이다.

4) 라이다, 레이더 센서, GPS, 카메라 같은 것들을 융합하기 위해서 자동차 회사들과 하이테크 자동차 시스템 회사들 간에 긴밀한 협력이 필요할 것이다.

5) 위의 기능들을 구현한 자동차를 다양한 지역에서 다양한 기상 조건으로 테스트해야 한다.

2020년쯤이면 반자율 기능을 갖춘 자동차들이 교차로, 교통 신호등, 횡단보도 같은 것들을 이해하고 통과할 수 있게 될 것이다. 이와 같이 고도로 자율화된 자동차라 하더라도 여전히 긴급 상황에 대처하기 위해서 사람이 필요할 것이다. 좀더 지나서 2024년쯤이면 이런 반자율 자동차들이 악천후나 야간 시간대 같이 좀더 까다로운 조건에서도 주행할 수 있게 될 것이다. 또한, 이 때쯤 이면 차량 공유 서비스 회사들이 운전자가 필요 없는 이런 차를 사용하기 시작할 것이다. 그러기 위해서는 자동차 회사들이 자사의 자동차를 보행자들이 횡단보도에서 손을 흔드는 것과 같은 사람의 신호를 이해할 수 있도록 만들어야 하는 것은 당연하다. 이런 모든 기능들을 위해서는 자동차 회사들이 자사의 자동차로 다수의 자율 기능을 구현해야 한다. 마침내 완전 자율주행 자동차는 2030년대 중반쯤 도로 위를 달리게 될 것으로 전망된다.

시간표대로 실현하기 위해서는 반도체 회사들에게 큰 기회가 될 것이다. 이런 기능들을 실현하기 위해서 많은 다양한 반도체가 사용되기 때문이다. 여기에는 디지털 IC와 아날로그 IC가 모두 포함된다.

아날로그 IC

완전 자율 자동차에는 디지털 IC와 아날로그 IC를 혼합한 다양한 전자 시스템들이 사용될 것이다. 이런 시스템에는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), 자동화 운전 컴퓨터, 자율 주차 지원, 사각 지대 모니터링, 지능적 주행 제어, 나이트 비전, 라이다 같은 것들을 포함하며, 이 목록은 계속해서 더 늘어날 것이다. 이런 모든 시스템들이 적절히 동작하기 위해서 다양한 전압 레일과 전류 수준을 필요로 한다. 이런 장치들을 자동차 배터리나 얼터네이터로부터 직접적으로 구동할 수 있어야 하며, 또 어떤 경우에는 이들 레일을 후위에서 다시 레귤레이션을 해서 공급할 수 있다. FPGA나 GPU 같은 VLSI 디지털 IC의 코어 전압이 그런 경우이다. 이들 장치들을 구동하기 위해서는 1V 미만의 동작 전압에 수 암페어 혹은 수십 암페어의 전류가 필요할 수 있다.

시스템 디자이너들의 또 다른 과제는, ADAS 시스템을 자동차에 대해서 적용되는 다양한 잡음 내성 요건을 충족하도록 설계하는 것이다. 자동차 환경에서는, 낮은 열 발생과 효율이 중요하게 요구되는 부위에서 스위칭 레귤레이터가 선형 레귤레이터를 대체하고 있다. 그런데 스위칭 레귤레이터는 통상적으로 입력 전원 버스 라인 상에서 가장 먼저 작동되는 장치로서, 전체적인 컨버터 회로의 EMI 성능에 중대하게 영향을 미친다.

EMI 방사에는 전도 방사와 복사 방사의 두 가지 형태가 있다. 전도 방사는 와이어나 트레이스를 통해서 전달되는 것이다. 전도 방사는 잡음이 특정 단자나 커넥터로 국한되므로 잘 설계된 레이아웃이나 필터 디자인을 사용함으로써 개발 작업의 비교적 조기 단계에 해당 요건을 충족하도록 설계할 수 있다.

하지만 복사 방사는 얘기가 달라진다. 보드 상에서 전류를 전달하는 모든 것이 전자기장을 방사한다. 보드 상의 모든 트레이스가 안테나이며, 모든 구리 면적이 공진기이다. 순수 사인파나 DC 전압을 제외한 모든 것들이 신호 스펙트럼 전반에 걸쳐서 잡음을 발생시킨다. 아무리 설계를 신중하게 한다고 하더라도, 전원장치 디자이너가 시스템을 실제로 테스트하기 전까지는 복사 방사가 얼마나 심각할지 알기가 어렵다. 복사 방사는 디자인이 어느 정도 완료되기 전까지는 테스트를 할 수 없기 때문이다.

EMI를 낮추기 위해서 흔히 사용되는 것이 필터다. 필터를 사용함으로써 특정 주파수 또는 주파수 범위에 대해서 강도를 감쇠 시킬 수 있다. 공간으로 전달되는 에너지 성분(복사 방사)은 금속 또는 자기 차폐를 사용해서 감쇠 시킬 수 있다. PCB 트레이스를 통해서 전달되는 것(전도 방사)은 페라이트 비드나 여타 필터를 사용해서 억제할 수 있다. EMI는 완전히 제거할 수는 없으나, 다른 통신 장치나 디지털 장치가 허용할 수 있는 수준으로 감쇠시킬 수는 있다. 이와 관련해서 다양한 규제 기관이 정하고 있는 요건들을 충족해야 한다.

EMI/EMC 방사가 낮은 고전압 컨버터 솔루션

바로 이런 애플리케이션 요구를 충족하도록, 아나로그디바이스(Analog Devices)의 ‘Power by Linear’ 그룹에서 내놓은 제품이 LT8650S이다. LT8650S는 높은 입력 전압이 가능한 듀얼 출력 모노리딕 동기 벅 컨버터 제품으로서, 낮은 EMI/EMC 방사를 달성한다. 3V~42V 입력 전압으로 동작할 수 있으므로 ADAS 같은 자동차 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 자동차 환경에서는 콜드 크랭크나 스톱-스타트 시에 입력 전압이 최저 3V까지 떨어질 수 있고 부하 덤프 트랜션트 시에는 40V까지 치솟을 수 있으므로, 이런 조건들을 잘 견딜 수 있도록 설계해야 한다. [그림 1]은 LT8650S를 사용한 듀얼 채널 디자인으로서, 2개 고전압 4A 채널로 최저 0.8V까지 이르는 전압을 제공할 수 있다. 그러므로 극히 낮은 전압의 마이크로프로세서 코어를 구동할 수 있다. 또한 이 제품은 동기 정류 토폴로지를 채택함으로써 2MHz 스위칭 주파수에서 최대 94.4%의 효율을 달성하며, 버스트 모드(Burst Mode) 동작을 사용해서 무부하 대기 조건(두 채널을 모두 켠 상태) 시에 정지 전류를 6.2μA 미만으로 유지한다. 그러므로 계속해서 켜져 있어야 하는 ‘Always-on’ 시스템에 사용하기 적합하다.

또한, LT8650S는 스위칭 주파수를 300kHz부터 3MHz까지로 프로그램 할 수 있으며, 이 범위로 동기화할 수 있다. 40ns 최소 온(on) 시간은 고전압 채널로 2MHz 스위칭 주파수를 사용해서 16VIN 대 2.0VOUT 스텝다운 변환을 가능하게 한다. 또한, 고유의 Silent Switcher 2 아키텍처를 적용함으로써, 2개 내부 입력 커패시터와 내부 BST와 INTVCC 커패시터를 사용해서 핫 루프 영역을 최소화한다. 또한, 잘 제어된 스위칭 에지와, 내부적 접지 플레인과 (본드 와이어 대신에) 구리 기둥을 사용한 내부 구조에 의해서 EMI/EMC 방사를 크게 낮출 수 있다. [그림 2]는 방사 출력 특성을 보여준다. 이처럼 EMI/EMC 성능을 향상시킴으로써 보드 레이아웃에 덜 민감하므로, 2층 PCB를 사용하더라도 설계를 간소화하고 위험성을 낮출 수 있다. LT8650S는 2MHz 스위칭 주파수를 사용해서 전체적인 부하 범위에 걸쳐서 자동차용 CISPR25 클래스 5 피크 EMI 한계 요건을 수월하게 충족한다. 확산 스펙트럼 주파수 변조를 사용하면 EMI를 추가적으로 더 낮출 수 있다.

LT8650S는 내부적 상하단 고효율 전력 스위치에 필요한 부스트 다이오드, 오실레이터, 제어, 로직 회로를 단일 다이로 통합했다. 리플이 낮은 버스트 모드 동작은 낮은 출력 전류로 높은 효율을 유지하며 출력 리플을 10mVP-P 아래로 유지한다. LT8650S는 소형 열 향상 4mm x 6mm LGA 패키지로 제공된다.

LT8650S보다 더 넓은 입력 범위를 필요로 하는 애플리케이션 용으로는 LT8645S를 제공한다. LT8645S는 높은 입력 전압이 가능한 모노리딕 동기 벅 컨버터로 낮은 EMI 방사를 달성한다. 3.4V~65V 입력 전압 범위로 동작하므로, 콜드 크랭크나 스톱 스타트 시에 입력 전압이 3.4V까지 떨어질 수 있고 부하 덤프 트랜션트 시에 60V까지 치솟을 수 있는 자동차나 트럭 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. [그림 3]은 단일 채널 디자인으로서 5V로 8A 출력을 제공한다. 동기 정류 토폴로지를 채택함으로써 2MHz 스위칭 주파수로 최대 94% 효율을 달성하며, Burst Mode 동작은 무부하 대기 조건으로 정지 전류를 2.5μA 아래로 유지하므로 ‘Always-on’ 시스템에 사용하기에 적합하다.

또한, LT8645S는 스위칭 주파수를 200kHz부터 2.2MHz까지로 프로그램할 수 있으며, 이 범위로 동기화할 수 있다. 고유의 Silent Switcher 2 아키텍처를 적용함으로써, 2개 내부 입력 커패시터와 내부 BST, INTVCC 커패시터를 사용해서 핫 루프 영역을 최소화한다. 또한, 잘 제어된 스위칭 에지와, 내부적 접지 플레인과 구리 기둥을 사용한 내부 구조에 의해서 EMI/EMC 방사를 크게 낮출 수 있다. [그림 4]는 방사 출력 특성을 보여준다. 이처럼 EMI/EMC 성능을 향상시킴으로써 보드 레이아웃에 덜 민감하므로, 2층 PCB를 사용하더라도 설계를 간소화하고 위험성을 낮출 수 있다. LT8645S는 전체적인 부하 범위에 걸쳐서 자동차용 CISPR25 클래스 5 피크 EMI 한계 요건을 수월하게 충족한다. 확산 스펙트럼 주파수 변조를 사용하면 EMI를 추가적으로 더 낮출 수 있다.

LT8645S는 내부적 상단과 하단 고효율 전력 스위치에 필요한 부스트 다이오드, 오실레이터, 제어와 로직 회로를 단일 다이로 통합했다. 리플이 낮은 Burst Mode 동작은 낮은 출력 전류로 높은 효율을 유지하며 출력 리플을 10mVP-P 아래로 유지한다. LT8645S는 소형 열 향상 4mm x 6mm 32핀 LQFN 패키지로 제공된다.

맺음말

자율주행 자동차를 위해서 갈수록 더 많은 전자 시스템들이 필요할 것이며, 이 목록은 지금도 계속해서 늘어나고 있다. 이들 시스템에 필요로 하는 전압과 전류 수준은 계속해서 변화할 것이다. 하지만 낮은 EMI/EMC 방사를 필요로 하는 것은 변하지 않을 것이며, 이들 시스템이 작동해야 하는 혹독한 환경도 변하지 않을 것이다.

이미 오늘날 자동차 시스템은 운전자가 주변 상황에 더 잘 대처할 수 있도록 하루가 다르게 진화하고 있다. 그리고 머지않은 미래에 우리는 좌석에 편안히 앉아 있기만 하면 차가 알아서 운전을 해주는 시대를 맞이할 것이다.

글: 토니 암스트롱(Tony Armstrong), 아나로그 디바이스 파워 제품 마케팅 디렉터

자료제공: 아나로그디바이스