[CCTV뉴스=이나리 기자] 최신형 자동차에서 디지털 컨텐츠의 활용이 빠르게 증가하면서 자동차 배터리 레일에서의 전력 변환에 대한 요구가 증가하고 있다. 12V 배터리 레일은 다양한 과도현상을 겪게 되며 이것은 오프-배터리 시스템의 전력 아키텍처에서 기인한 특유의 문제를 발생시킨다.

이 글에서는 자동차 배터리 레일에서 발생하는 과도현상의 종류와 원인, 과도현상의 테스트 조건을 규정하는 표준과 스펙에 대해 소개하고자 한다. 여러 과도현상을 잘 넘기고 부하에 대한 전력 중단을 최소화할 수 있으면서 전력 변환과 보호를 위한 전력 아키텍처들을 설명하겠다.

또 콜드-크랭크와 로드 덤프에도 살아남을 수 있는 벅-부스트, 부스트, 프리-부스트(Pre-Boost) 등의 방식이 갖는 장점과 타협에 대해 소개하고, 역극성 보호(Reverse-Polarity Protection)를 위한 방식과 함께 스마트 다이오드와 여타 방식에 대해 비교할 것이다. 이를 통해 개발자는 자동차 과도현상은 물론, 전력 변환 스테이지를 설계할 때 과도현상을 다루는 기법에 대해서도 더 깊게 이해할 수 있을 것이다.

자동차 과도현상이란?

자동차 시스템에서 배터리 레일 과도현상의 구성요소는 다양하다. 프론트엔드 파워 스테이지의 목적은 민감한 전기와 전자 부하를 다양한 변동으로부터 절연시키고 전압 레일 조절로 그 부하를 작동시키는데 있다. 자동차의 종류가 워낙 방대하고 작동 조건도 다양하기 때문에, 개발자가 모듈로의 배터리 레일에서 일어날 법한 과도현상을 전부 예측하기란 어려운 일이다. 따라서 다양한 검사 표준을 이용해 전력 조절에 필요한 요건을 파악해야 한다. 

이 문제를 해결하기 위해 많은 OEM 업체와 기관들이 오프-배터리 부하에 관한 내성 시험과 표준 시험 조건을 기술하고 있다. 이런 시험은 ISO 16750-2(전기전자 장비의 환경 조건), ISO 7637-2(전도, 커플링으로 인한 전기 교란) 표준에 요약돼 있다. 그러나 극한의 과도현상 중 대다수는 [그림 1]과 같이 과도현상 보호를 이용해 처리된다. 이처럼 전력 스테이지디자인에서 자주 부딪치게 되는 스트레스 집합과 더불어 그 물리적 원인은 [그림 2]와 [표 1]에서 요약돼 있으며, 이런 시험에 대해 기술하고 있는 ISO 표준과 몇몇 OEM 업체 고유 문서는 [표 1]에 언급돼 있다.

전력 변환 스테이지 설계 

DC/DC 변환 스테이지는 로드 덤프 중에 최대 42V(12V 배터리의 경우)까지 견딜 수 있어야 한다. 콜드크랭크 중에는 그 로드로 전력을 공급할 수 있어야 하는데, 이것은 4V보다 낮을 수 있다[그림 3]. 출력 전압을 이 범위 내에서 조절해야 하는 DC/DC 컨버터는 하이-레일 조건에서 스텝 다운을, 로우-레일 조건에서는 스텝 업을 할 수 있어야 한다. 또 개발자는 돌발적인 역극성 연결에서 그 피해를 방지하거나 제한할 수 있는 역극성 보호를 설계해야 한다.

부스트 + 벅 전력 스테이지

[그림 4]에는 몇 가지 오프-배터리 DC/DC 변환 구현 방법의 장점과 한계가 나와 있다. 한 가지 방법은 첫 번째 DC/DC 스테이지로 부스트 컨버터를 사용해 더 높은 전압 레일을 만들어내는 것이다[그림 4a]. 이 다음 두 번째 DC/DC 스테이지가 있는데, 이것이 와이드-VIN 벅 컨버터다. 부스트의 액션은 배터리 레일 전압이 너무 낮게 떨어질 때, 예컨대 크랭킹 중일 때 붕괴 없는 동작을 도와준다.