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전구에서 스마트 LED 시스템으로 자동차 후방 조명의 혁신

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글/Giovanni Parrino, Field Application Engineer, 인피니언 테크놀로지스

선택적 요소였던 조명 시스템이 자동차 디자인에서 필수가 되었고, 전구에서 LED로 진화하였다.  자동차 후방 조명 시스템은 100년에 걸쳐 진화해 왔으며, 자율 주행 세계에서 더 큰 역할을 할 것이다.
자동차의 역사에서 1890년대 말부터 1910년대 말까지 초기에는 자동차 숫자도 많지 않았고 속도도 느렸다. 그리고 말이 끄는 마차처럼 전방에만 조명이 있었다. 후미등 시스템은 필수가 아니었고, 안개등과 정지등은 개념조차 없었다. 운전자들은 수신호를 사용해서 방향 전환을 표시했다.
고속 운전과 야간 주행으로 인해 운전자의 의도를 안정적으로 전달하는 방법이 필요하게 되었다. 촛불에서 등유 램프로 전환하고 자동차 후방에 조명을 도입하게 되었다.
1950년대에 와이어 하네스 아키텍처가 개발되면서 전기 조명과 미등이 자동차의 표준 장비로 자리잡게 되었다. 동시에 정지, 방향 전환, 감속, 후진을 지시하는 신호등이 등장하기 시작했다. 1980년대에 도입된 CHMSL(보조 제동등)은 후방 조명의 최신 주요 기능이라고 할 수 있다.
후방 조명 시스템은 최초의 인간-자동차 상호작용 시스템 중 하나였다. 후방 조명의 주된 기능은 운전자 경험을 향상시키기 위한 것이 아니라 도로 상의 다른 사용자들과 분명하고 확실하게 소통하고 상호작용하여 사고를 줄이기 위한 것이다.

전구에서 LED로

LED가 모든 조명 애플리케이션에 변화를 가져오고 있다. LED는 시스템 효율과 신뢰성을 향상시킨다. LED를 사용해서 자동차 조명 시스템에 획기적인 변화가 가능하게 되었다. 기능당 1~2개의 전구를 사용하던 것에서 여러개의 LED로, 표준 원형 하우징에서 온갖 선형 형태로 진화하고 있다. 이제는 조명에 애니메이션 기능까지 가능하다.
뿐만 아니라 후방 조명 시스템은 단순히 기능적인 의사소통 시스템 뿐만 아니라 자동차 회사의 디자인 전략에 있어서 중요한 요소로 자리잡고 있다. LED 크기가 소형화되면서 새로운 조명 효과나 시각 효과들이 도입되고 있다.
대표적인 예로서 애니메이션 방향등을 들 수 있다. 이 기능은 의사소통이나 운전자 경험에는 직접적으로 영향을 미치지 않는다. 하지만 스타일에 있어서 도로 상의 다른 사용자들의 눈길을 끌기에 매우 효과적이다. 또한 환영 애니메이션이나 로고 애니메이션 같이 역동적이면서 장식적인 새로운 조명 기능이 도입되고 있다.
후방 조명 시스템에 LED 매트릭스를 사용해서 제동이나 타력 주행 시에 ‘STOP’이나 ‘SLOW’ 단어 같은 추가적인 정보를 표시할 수도 있다. 다만 그러기 위해서는 자동차 회사와 규제 당국 사이에 협의가 필요할 것이다. 이 기능은 전세계 표준 규약에 위반되고, 도로 상의 다른 운전자들이 메시지를 읽고 해석하기 위해서 시간이 걸린다는 점에서 혼란을 야기하거나 반응 속도를 늦출 수 있다.

신호 와이어 전송 아키텍처 - 현황과 한계점

최초의 표준 후방 조명 아키텍처는 메인 지능을 담당하는 마스터로서 차체 제어 모듈(BCM) 에서 나온 신호 와이어 전송을 기반으로 했다. 마이크로컨트롤러(MCU)는 BCM에 위치하며, 전원 관리 IC(PMIC)가 MCU에 전원을 공급하고 트랜시버(TRX)를 통해 다른 모듈들과 통신한다.
이 아키텍처에서는 하나의 신호 와이어가 하나의 조명 기능을 담당하며(경우에 따라서는 전원 공급과 신호 전송을 동일한 와이어로 할 수 있음), 전기적 보호를 위해서 인피니언의 PROFET™ +2 같은 지능형 high-side 스위치를 사용할 수 있다(그림 1). 이 아키텍처는 조명을 켜고 끄는 것과 디지털 디밍으로 미등과 정지등 기능을 전환하는 것만 할 수 있다.

[그림 1] 단일 와이어 전송 아키텍처

이 아키텍처는 전구를 처음 도입하던 때 이후로 크게 변화되지 않았으며, 후방 조명 시스템의 모든 기본 기능을 수행하기 때문에 여전히 널리 사용되고 있다. 운전자의 의도를 전달하고 먼 거리에서도 매우 단순하고 효과적으로 자동차의 존재를 표시한다.
각각의 스트링은 높은 전류 정확도와 아날로그/디지털 디밍 기능 그리고 진단/보호 기능을 가진 인피니언의 LITIX™ BASIC+와 같은 LED 전용 드라이버를 통해 제어된다.  기본적인 애니메이션 기능이 필요하다면, 모든 LED 스트링을 위해 BCM에서 후방 조명 모듈까지 추가 와이어가 필요하다.

열 관리 문제

열 관리는 첫번째 아키텍처에서 가장 중요한 과제 중 하나이다. LED 수명과 성능은 온도에 크게 영향을 받는다. 더욱이 LITIX™ Basic+ 같은 LED 드라이버는 선형 회로이고 전력 손실 PDR(max)가 배터리 전압에 따라서 선형적으로 증가한다.
LED 효율은 접합부(Junction) 온도가 상승할수록 저하되므로, 동일한 램프 밝기를 달성하기 위해서 더 높은 전류가 필요할 수 있다. 그러면 전류와 온도 사이에 positive 피드백 루프가 발생할 수 있으며,  이를 막아야 한다.
공식 1과 공식 2에서는 드라이버 접합부 온도 TJDR, LED 전류 ILED(max), LED 드라이버 주변 온도 TAMB(max)의 관계를 이해할 수 있다. 디자이너는 열 저항 값 Rth(JA)가 최대 허용 Rth(JA)(max)보다 낮도록 설계 해야 한다.

공식 1:
PDR(max) = ∆VDR x ILED(max), where ∆VDR = VBATT(max) - VLED  

공식 2:
TJDR = TAMB(max) + (PDR(max) x Rth(JA)) ==>
Rth(JA)(max) = (TJDR - TAMB(max))/PDR(max)                          Eq. 2

코너 케이스 사례:
VBATT(max) = 16V
ILED(max) = 60mA / 채널
VLED = 2V / LED, 3 LEDs / 1열
TAMB(max) = 75℃, TJDR = 150℃

그러면 다음과 같이 계산된다:
PDR(max) = (16V - 6V) x 180mA = 1.8W
Rth(JA)(max) = (150℃ - 75℃) / 1.8W ≈ 42K/W

새로운 추세의 애니메이션의 경우 자동차 후방 조명이 점의 형태가 아닌 완전한 표면처럼 보여야 하며 이를 위해 광학 솔루션을 사용해서 광확산(light diffusion)을 적용한다. 주요 단점으로 LED 밝기 효율이 떨어지므로, 더 높은 전류나 또는 더 많은 LED가 필요하다.
더 높은 LED 전류를 인가되면 동일 성능의 드라이버를 위해 최대 열 저항 값을 낮추는 것이 필요하며, 그러려면 열 설계와 관련한 작업이 늘어나게 된다. 이 문제를 해결하기 위해서 가장 널리 사용되는 방법은 PCB 면적을 늘리거나 더 두꺼운 구리 층을 사용하는 것이다. 하지만 많은 LED 드라이버가 필요하거나 공간 제약으로 적용이 안되는 경우에는 시스템 비용에 부정적 영향을 미친다.
한 가지 해결책은 배터리와 LED 드라이버 사이에 OPTIREG™ Switcher TLS4120이나 TLS4125 같은 DC-DC 컨버터를 사용하는 것이다. 이 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 VLED + 1V로 유지하면 공간을 크게 늘리지 않으면서 LED 드라이버의 전력 손실을 최소한으로 낮출 수 있다.
그러면 표준 아키텍처와 동일한 접합부 온도를 유지하면서 더 높은 전류가 흐를 수 있고 열 설계 작업을 줄일 수 있어, 경쟁력 있는 시스템 비용으로 이어질 것이다.
단일 LED 드라이버의 전류 한계를 초과하는 경우에는, 전력 부담을 완화하기 위한 추가 디바이스(TLD1114-1EP)를 병렬로 사용해서 설계 과제를 해결할 수 있다.

싱글 LED 단락 검출 기능

다중 스트링에서 LED 숫자가 증가함으로써 LED 결함을 감지해야 할 필요성 또한 높아지고 있다. LED가 단선 결함이 발생하면 감지하기가 비교적 쉽다. 전류가 흐르지 않고 모든 스트링이 꺼지기 때문이다. 하지만 싱글 LED가 단락 회로 결함을 일으키면 전류는 여전히 흐르고 최소 밝기 요건이 충족되지 않을 것이다.
LITIX™ Basic+ 디바이스가 제공하는 싱글 LED 단락(SLS) 검출 기능을 사용해서 이 결함을 적절히 검출하고 관리할 수 있다. 이 결함이 발생되면 전체 스트링 또는 램프를 턴오프하고 BCM으로 오류 피드백 신호를 제공한다.

스마트 LED 드라이버 아키텍처: 신호에서 데이터 전송으로

기능은 추가하면서 시스템 비용은 낮춰야 하는 상충되는 요구 사항 때문에 기존의 표준 신호 와이어 아키텍처는 변화가 필요하게 되었다. 특히 에니메이션 기능을 수행하기 위해 많은 LED 스트링을 구동하려면 와이어 하니스 길이, 무게, 비용이 늘어난다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는, LED 드라이버가 좀더 지능적이어야 하며 CAN 트랜시버 같은 통신 버스를 통해서 BCM 메시지를 수신하고 응답할 수 있어야 한다. 이러한 아키텍쳐에서는 단일 전원과 단일 통신 버스를 사용해서 후방 조명 시스템에 있는 모든 조명 기능을 구현할 수 있다.

[그림 2] 스마트 LED 드라이버 아키텍처

스마트 다채널 드라이버는 버스 메시지를 통해서 다수의 LED 스트링을 구동할 수 있으며, 진단과 보호 기능을 포함한다. LED 드라이버와 와이어를 크게 줄일 수 있을 뿐아니라 소프트웨어 개발에 대한 노력을 줄일 수 있다.
후방 조명 시스템은 ASIL B에 이르는 기능안전 등급을 충족해야 한다. 여러 시스템 안전성 요구를 충족하고 특정한 FIT 수치를 달성해야 한다. 하이엔드 후방 조명 시스템 용 LED 드라이버는 ISO26262 표준에 따라 개발되어야 하며 첨단 진단 기능이 요구된다(예, 통신 버스 워치도그, MCU 결함을 대비한 프로그래밍 가능한 안전 상태 등).

자율주행을 위한 조명 제어 유닛

자율 주행 레벨 3 이상은 후방 조명 모듈에 추가적인 센서(카메라 등)를 탑재해야 한다. 고도의 컴퓨팅 작업이 필요하므로, BCM과 추가적인 ECU/LCU(전자 제어 유닛/조명 제어 유닛) 사이에 지능을 분산시킬 수 있는 새로운 아키텍처들이 등장하고 있다.
LCU는 LED 구동만 하는 것이 아니다. LCU는 전체적인 존 또는 도메인 기능을 담당하고 중앙 게이트웨이를 통해서 BCM으로 보고한다(그림 3). LCU의 MCU는 센서 데이터를 BCM으로 전송하고, 외부 조건에 따라 알고리즘을 실행해서 적절한 조명 동작(예, 갤러리 내부 또는 안개 조건)을 수행한다.

[그림 3] 자동차 존 아키텍처

그림 4에서 보는 것과 같은 스마트 조명 아키텍처는 모든 필요한 기능들을 통합하고 모든 조건에서 허용되는 반응 시간을 보장하기 위해서 BCM과 LCU 사이에 이더넷이나 CAN 같은 여러 통신 버스를 필요로 한다.

[그림 4] 스마트 조명 아키텍처

이 아키텍처에서는 다음의 과제들을 해결해야 한다:
(a)  소프트웨어 개발과 기능안전 분석:
도로에서 자동차가 잘 주행하기 위해서는 후방 조명 모듈과 센서 데이터 처리가 중요하다. 안전과 보안에 대한 요구가 갈수록 엄격해지고 있으며, BCM과 LCU는 궁극적으로 다수의 협력사들에 의해서 제조되므로 이들 업체들과 자동차 회사 사이에 협력 작업이 필요하다.
(b) 열 관리, EMC, 정지 전류:
하우징 공간이 제한적이므로 열 관리가 까다로운 과제이다. MCU와 그 밖의 많은 디바이스 및 부하들로 인해서 전력 소모가 증가한다. MCU 전원을 위해서 TLE9471 같은 SBC(system basis chip)를 사용하며 기능 안전을 위해 MCU 워치도그 및 CAN 통신도 처리할 수 있다.
공간이 제한적이고 다수의 스위칭 디바이스가 존재한다는 점에서 EMC 역시도 까다로운 과제이다. EMC 성능을 최적화하기 위해서는 확산 스펙트럼 주파수 변조가 매우 중요한 기능이다. 이 기능을 제공하는 디바이스로 TLS4120 또는 TLS4125(DC-DC 컨버터)와 LITIX™ Power TLD5190(DC-DC 컨트롤러)을 들 수 있다.
끝으로, 최종 디자인에 있어서 시스템의 총 암전류를 고려해야 한다. 이와 관련해서는 슬립 모드 기능을 사용해서 자동차가 주차되어 있을 때는 전류 누설을 줄이고 혹은 필요할 때는 재빨리 정상 가동으로 돌아갈 수 있다.

맺음말

후방 조명 시스템이 진화를 거듭하면서 오늘에 이르고 있다. 자동차가 처음 등장했던 초기 시대에는 조명이 필요하다는 생각조차 못했는데, 오늘날에는 자동차 디자인에 있어서나 운전자 경험에 있어서나 후방 조명이 중요한 역할을 하게 되었다. 두 가지 기술적 진화가 후방 조명 아키텍처에 획기적인 변화를 가져오고 있다. LED와 통신 프로토콜이다. 이제는 조명 모듈을 자동차 디자이너가 원하는 어떤 형태로든 설계할 수 있게 되었으며, 다수의 LED 스트링을 구동하기 위해서 적은 숫자의 디바이스만을 사용해서 눈길을 사로잡는 애니메이션 기능을 구현할 수 있게 되었다. 후방 조명 시스템의 임무가 표준 LED 구동에서 복잡한 애니메이션 관리, 안전성 기능, 데이터 프로세싱 작업으로 확장되고 있다. 인피니언은 바로 이러한 용도로 스마트 LED 드라이버, DC-DC 컨버터 및 컨트롤러, SBC를 비롯해서 현재 및 미래의 요구를 충족하는 다양한 솔루션을 제공한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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