현대적인 차량에서 사용되는 12V 배터리 시스템은 다양한 과도 조건을 겪게 됩니다. 이러한 과도 조건 중 일부는 고전압 펄스를 포함할 수 있으며, 다른 과도 조건은 저전압 상태일 수 있습니다. 자동차 크랭크 과도는 차량 엔진이 시동을 걸 때 발생하는 저전압 조건을 의미하며, 이때 차량 배터리는 정상 작동 범위보다 몇 볼트 낮은 전압으로 잠시 동안 떨어지게 됩니다. 이러한 전압 강하 상태에서 전력 공급 장치는 차량의 전기 시스템을 지속적으로 안정적으로 운영해야 하므로, 설계 시 이를 고려해야 합니다.
차량의 크랭크 상태에서 정상적인 작동을 유지하기 위한 요구 사항은 최근 몇 년 동안 더욱 엄격해졌습니다. 또한, 이에 따라 더욱 강력한 전력 솔루션이 필요하다는 요구가 더욱 분명해졌습니다. 크랭크 파형에 따라 특정 전압 레일에서 공급해야 하는 부하가 달라지기 때문에, 설계자가 이러한 요구 사항을 충족하는 시스템을 설계하는 것은 상당한 도전 과제가 될 수 있습니다. 이 문서에서는 다양한 자동차 크랭크 과도 상태를 견딜 수 있는 강력한 DC/DC 변환기를 설계하는 방법에 대해 다룰 것입니다.
극단적인 시동 조건을 고려한 설계
12V 자동차 시스템을 설계할 때는 극단적인 시동 조건을 반드시 고려해야 합니다. 예를 들어, 차량의 엔진이 시동을 걸 때 발생하는 전압 강하 상태인 ‘냉간 크랭크’와 같은 조건을 다루어야 합니다. 이를 위해 ISO 16750-2, ISO 7637-2 및 테스트 펄스 4와 같은 표준에서는 차량에 대한 여러 시동 프로파일을 정의하고 있으며, 이들에는 냉간 크랭크 조건, 온간 크랭크 조건 및 유사한 파형들이 포함됩니다. 설계자는 이러한 조건들을 이해하고, 이를 충족할 수 있는 시스템을 설계해야 합니다.
그림 1: 전형적인 자동차 전기 시스템
자동차에서 가장 어려운 시동 조건은 차가운 날씨에서 발생할 수 있습니다. 이때 차량의 배터리와 엔진은 오랜 시간 동안 낮은 온도에 노출되어 있습니다. 이 상태에서는 엔진을 시동하기 위해 많은 전류가 필요하며, 이때 발생하는 ‘냉간 크랭크’ 조건은 차량의 배터리 전압이 매우 낮아지는 상황을 설명합니다. 이때 배터리 전압(VBATT)은 3V 또는 4.5V까지 떨어질 수 있으며, 이 상태가 15ms에서 50ms 정도 지속됩니다. 이러한 전압 강하가 발생하면, 전력 공급 장치가 특정 전압을 안정적으로 유지하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 예를 들어, 5V나 10V 공급 장치는 전압을 낮추는 기능을 제공할 수 없기 때문에, 냉간 크랭크 상태에서는 배터리 전압에서 12V로 증폭해야 할 필요가 있습니다.
반면 온간 크랭크 조건에서는 배터리 전압이 떨어지긴 하지만 냉간 크랭크보다 덜 심각합니다. 일반적으로 온간 크랭크 파형은 6V 또는 7V로 떨어지며, 이 상태는 냉간 크랭크보다는 지속 시간이 짧습니다. 이는 엔진과 배터리가 따뜻한 상태이기 때문에 스타터가 사용하는 전류가 적어 배터리 전압 강하가 덜 발생하는 것입니다.
현대적인 차량에서는 연료 효율성을 높이기 위해 스타트/스탑 기능을 지원하는 경우가 많습니다. 스타트/스탑 기능은 엔진이 따뜻할 때 주행 중에 발생하는 온간 크랭크 조건을 다루며, 차량이 완전히 정지하고 브레이크 페달을 밟으면 엔진이 꺼집니다. 브레이크 페달을 놓으면 엔진이 다시 시작됩니다. 스타트/스탑 기능이 활성화되는 동안에도 차량의 중요한 전자 모듈들은 성능 저하 없이 계속 작동해야 합니다. 이 과정에서 12V 전압을 안정적으로 유지하는 것이 중요합니다.
DC/DC 변환기와 크랭크 조건
디스플레이 제어 모듈(DCM)을 예로 들어 보겠습니다. DCM은 차량 내 디스플레이 패널에 전력과 제어를 공급하는 장치입니다. 예를 들어, 이 디스플레이는 센터 스택 디스플레이, 후방 좌석 디스플레이 등 현대 차량에서 자주 사용되는 다양한 디스플레이일 수 있습니다. 전력 측면에서 DCM은 차량이 운행 중일 때 항상 12V 전압을 제공해야 하며, 스타트/스탑 조건에서 전압 공급이 안정적으로 이루어져야 합니다. 이때, 디스플레이는 깜박이지 않거나 영상이 멈추지 않아야 하므로 12V가 안정적으로 공급되어야 합니다.
정상적인 배터리 상태에서는 VBATT가 13V에서 14V 사이입니다. 그러나 온간 크랭크 상태에서는 VBATT가 6V로 떨어질 수 있습니다. 이 상태에서 일정한 12V를 공급하려면, 배터리 전압이 매우 낮을 때는 전압을 증폭(부스트)하고, 높은 배터리 전압에서는 전압을 낮추는(벅) 기능을 모두 지원하는 DC/DC 변환기가 필요합니다. 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 변환기 중 하나는 벅-부스트 DC/DC 변환기입니다. 이 변환기는 다양한 조건에서 12V를 안정적으로 공급할 수 있어 차량 전자 시스템의 요구 사항을 충족시킬 수 있습니다.
벅-부스트 변환기와 크랭크 조건
MPQ8875A-AEC1은 다양한 자동차 크랭크 파형 요구 사항을 충족할 수 있는 4스위치 벅-부스트 변환기입니다. 이 변환기는 2.2V에서 36V까지의 입력 전압 범위를 지원하며, 최대 42V까지의 부하 덤프 상황에 대응할 수 있습니다. 이 변환기는 4개의 통합된 전력 MOSFET을 갖추고 있으며, 그림 4는 MPQ8875A-AEC1이 3A 부하에서 12V 출력을 제공하는 응용 회로를 보여줍니다. 이 변환기는 VIN이 출력 전압(VOUT)을 초과하면 벅 모드에서 작동하고, VIN이 VOUT보다 낮으면 부스트 모드에서 작동합니다. 또한 VIN과 VOUT이 거의 같을 경우 벅-부스트 모드에서 작동하여 12V 출력을 제공합니다. 이 모든 모드에서 단일 인덕터만으로 12V 출력을 안정적으로 조절할 수 있습니다.
그림 4: MPQ8875A는 다양한 VIN 조건에 대해 12V를 제공합니다.
MPQ8875A-AEC1을 사용하여 DCM을 설계하고, ISO 16750-2의 Level IV에 정의된 시작/스탑 조건을 테스트한 결과, 그림 5에서 VIN(파랑), VOUT(자홍), 인덕터 전류(IL, 노랑)의 파형을 확인할 수 있습니다. 이 테스트에서 부하 전류는 3A로 설정되었습니다.
그림 5: MPQ8875A-AEC1의 시작/스탑 과도 조건에서의 VIN, VOUT, IL 파형
온간 크랭크 조건에서 VIN은 급격히 6V로 떨어지며 약 15ms 동안 이 상태가 유지됩니다. 그 후에는 몇 초 동안 저주파 사인파 형태의 파형이 나타나며, 이후 VIN은 다시 정상적인 13.5V로 돌아옵니다. 이 조건에서 MPQ8875A-AEC1은 12V 출력을 안정적으로 유지하며, 드롭아웃 없이 작동합니다. IL은 VIN이 떨어지면서 급격히 증가하고, 약 15ms 동안 4.9A의 피크 전류가 발생합니다. 이후 IL은 약 10초 동안 3.3A에서 4.5A 사이로 변동하며, 마지막으로 VIN이 정상 전압에 도달하면 IL은 3A로 안정됩니다.
적절한 인덕터 선택
MPQ8875A-AEC1이 다양한 전압 조건에서 안정적으로 동작하기 위해서는 적절한 인덕터(L1)를 선택하는 것이 매우 중요합니다. 인덕터는 온간 크랭크뿐만 아니라 냉간 크랭크 조건에서 발생할 수 있는 피크 전류를 견딜 수 있어야 하며, 이를 충족하기 위해서는 부드럽게 포화되는 인덕터가 이상적입니다. 인덕터는 크랭크 파형의 초기 전압 강하 기간 동안 피크 전류를 처리할 수 있어야 하므로, 5A에서 6A 범위의 최소 포화 전류 등급을 가진 인덕터를 선택하는 것이 좋습니다. 인덕터 전류의 동작을 측정하는 것은 인덕터가 적절하게 크기가 조정되었는지 확인하는 중요한 단계입니다. 이 단계를 간과하지 말고 반드시 확인해야 합니다.