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자동차에 전원 이중화를 달성하기 위한 12V/12V 듀얼 배터리 양방향 DC-DC 컨트롤러

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글/Bruce Haug, 제품 마케팅 엔지니어, Analog Devices, Inc.

머리말

자율 주행차 혁신이 박차를 가하면서 빨라지고 있다. 자동차 회사들이 Google이나 Uber 같은 테크 기업뿐만 아니라 유망한 스타트업들과 손잡고 미래에 스마트 시티의 틀을 형성할 차세대 자율 자동차를 개발하고 있다. 이를 위해서 머신 러닝, IoT, 클라우드 같은 첨단 기술을 활용하고 있다.
자율 자동차는 산업의 재편을 가속화할 것이다. Uber나 Lyft 같은 차량 공유 서비스가 인기를 끌면서 이러한 움직임이 이미 싹트고 있다는 것을 알 수 있다. 지능적인 무인 자동차가 미래의 교통을 담당할 날이 다가올 것이다.
모든 자율 주행차는 센서, 카메라, 레이더, 고성능 GPS, 라이다(light detection and ranging), 인공 지능(AI), 머신 러닝 같은 것들을 결합해서 자율성을 달성한다. 보안적이고 확장이 용이한 IoT, 데이터 관리, 클라우드 솔루션 또한 중요한 요소이다. 센서 데이터를 수집하고, 관리하고, 분석할 수 있는 토대를 제공하기 때문이다.
커넥티드 자동차는 환경 이점에서부터 안전성을 향상시키는 것에 이르기까지 여러 측면에서 근본적인 변화를 가져올 것이다. 도로 상에 차들이 줄어듦으로써 온실가스 배출을 줄이고, 이것은 에너지 소비를 낮추고 공기 질을 좋게 하는 것으로 이어질 것이다.
자율 주행차와 지능적인 도로 시스템을 위해서는 엔드포인트 텔레메트리, 스마트 소프트웨어, 클라우드가 중요하다. 차량이 차선을 유지하고 목적지까지 안전하게 운행하기 위해서는 자율 자동차에서 온보드 카메라와 센서들을 사용해 대량의 데이터를 수집하고 실시간으로 처리해야 한다.
그러기 위해서는 클라우드 기반 네트워킹과 커넥티비티가 또 다른 중요한 요소이다. 자율 자동차에서 머신-대-머신 통신을 가능하게 함으로써 도로 상의 다른 자동차들과 통신해서 기상 상황이나 도로 상황에 따라서 대처할 수 있다. 자율 주행차가 변화하는 상황에 따라서 스스로 민첩하게 대처하기 위해서는 첨단 알고리즘과 딥 러닝 시스템이 중요한 역할을 한다.
클라우드 컴퓨팅 인프라의 확장성과 지능적인 데이터 관리와 더불어서, 전원장치 같은 시스템들의 중복성을 구축하는 것 또한 필요하다. LTC3871 같이 기존에 출시된 이중화 배터리 솔루션은 48V 리튬이온과 12V 납축전지 같이 전압 정격이 다른 2개 배터리를 사용하는 경우를 위한 것이다. 하지만 대부분의 솔루션이 2개 12V, 24V, 48V 배터리 같이 동일한 전압의 배터리들에 사용하기 위한 것이 아니다. 지금까지는 그랬다.
그러므로 2개 12V 배터리 사이에 사용할 수 있는 양방향 벅-부스트 dc-dc 컨버터가 절실하게 요구되고 있는 실정이다. 이러한 dc-dc 컨버터를 사용해서 양쪽의 어느 한 배터리를 충전할 수 있고 양쪽 배터리가 동일한 부하로 전류를 공급할 수 있다. 또한 배터리 중의 어느 하나로 고장이 발생되면 이 고장을 감지하고 다른 배터리로부터 차단시킬 수 있다. 그러면 다른 배터리가 중단 없이 부하로 계속해서 전력을 공급할 수 있다. Analog Devices가 새롭게 출시한 LT8708 양방향 dc-dc 컨트롤러가 바로 이러한 요구를 충족하는 제품으로서, LT8708 컨트롤러를 사용해서 전압이 동일한 2개 배터리를 연결할 수 있다.

단일의 양방향 IC 솔루션

LT8708은 98% 효율 양방향 벅-부스트 스위칭 레귤레이터 컨트롤러로서, 전압이 동일한 2개 배터리 사이에 사용할 수 있으며 자율 주행차에서 이중화를 달성하고자 할 때 사용하기에 적합하다. 출력 전압보다 높거나, 낮거나, 같은 입력 전압을 사용해서 동작할 수 있으므로, 전기차와 하이브리드차에 흔히 사용되는 2개 12V, 24V, 48V 배터리에 사용하기에 잘 맞는다. 2개 배터리 사이에서 작동하면서 어느 한 쪽 배터리에 고장이 발생되었을 때 시스템 셧다운을 방지한다. 이 디바이스는 48V/12V 및 48V/24V 듀얼 배터리 시스템에도 사용할 수 있다.
LT8708은 단일 인덕터를 사용하며, 2.8V~80V 입력 전압 범위로 동작하고 1.3V~80V의 출력 전압을 제공한다. 외부 부품 선택과 위상 수에 따라서 수 킬로와트에 이르는 전력을 제공할 수 있다. 순방향과 역방향 모두로 VOUT, VIN, IOUT, IIN을 제어해야 하는 배터리/커패시터 백업 시스템으로 양방향 전원 변환을 간소화한다. 6가지의 개별 레귤레이션이 가능하므로 다양한 애플리케이션을 충족할 수 있다.
LT8708과 병렬로 LT8708-1을 사용해서 전력과 위상을 추가할 수 있다. LT8708-1은 항상 마스터 LT8708에 대해서 슬레이브로 동작하고, 이위상으로 클로킹하고, 마스터와 동일한 전력을 제공할 수 있다. 단일 마스터로 최대 12개 슬레이브를 연결할 수 있으며, 그 숫자에 비례해서 시스템의 전력과 전류 용량을 높일 수 있다.
컨버터의 입력과 출력으로 순방향 및 역방향 전류를 모니터링하고 제한할 수 있다. 4가지 전류 한계(순방향 입력, 역방향 입력, 순방향 출력, 역방향 출력)를 4개 저항을 사용해서 개별적으로 설정할 수 있다. 또한 방향(DIR) 핀을 사용해서 VIN에서 VOUT으로나 VOUT에서 VIN으로 전력을 처리하도록 구성할 수 있다. 그러므로 자동차, 태양광, 텔레콤, 배터리 구동 시스템에 사용하기에 적합하다.
LT8708은 5mm x 8mm 40핀 QFN 패키지로 제공된다. 또한 3가지 온도 등급을 제공한다. 확장 및 산업용 등급은 -40℃~+125℃에서 동작 가능하고, 고온 자동차 등급은 -40℃~+150℃에서 동작 가능하다. 그림 1은 LT8708의 개략적인 블록 다이어그램을 보여준다.

[그림 1] LT8708을 사용한 양방향 듀얼 12V 배터리 애플리케이션 회로

전체적인 솔루션

그림 2의 블록 다이어그램은 자동차 애플리케이션에서 배터리 이중화를 달성하기 위한 전체적인 회로를 보여준다. 그림에서 보듯이, LT8708에 2개 LT8708-1을 추가해서 3위상 솔루션 디자인을 완성하고 있다. 어느 쪽 방향으로든 최대 60A를 제공할 수 있다. 최대 12개 위상 혹은 그 이상으로까지 더 높은 전력을 제공하도록 LT8708-1을 더 추가할 수 있다. AD8417은 양방향 전류 검출 증폭기로서, 배터리로 흐르는 전류를 검출한다. 이 전류가 지정된 값을 넘으면, LTC7001 상측 NMOS 정적 스위치 드라이버가 백-투-백 MOSFET을 개방해서 해당 배터리를 회로로부터 차단시킨다.
LTC6810-2는 리튬이온 배터리를 모니터링하고 제어한다. 이 디바이스는 1.8mV 미만의 총 측정 오차로 배터리 셀들을 정확하게 측정한다. 호스트 프로세서에서 병렬로 다중의 LTC6810-2 디바이스들을 연결하면 회로 내의 다른 전압들을 모니터링하기 위한 추가적인 중복성을 구현할 수 있다. 또한 LTC6810-2는 isoSPI™ 인터페이스를 통해서 고속으로 RF에 견고한 원거리 통신을 할 수 있으며 양방향 동작을 지원한다. 또한 각 셀에 대해서 PWM 듀티 사이클 제어를 사용한 수동 밸런싱을 할 수 있으며 중복 셀 측정을 할 수 있다.

[그림 2] 배터리 이중화를 위한 전체적인 솔루션

제어 개요

LT8708은 입력 전압보다 높거나, 낮거나, 같은 출력 전압을 제공할 수 있다. 입력과 출력 모두로 양방향 전류 모니터링과 레귤레이션을 할 수 있다. ADI의 고유의 제어 아키텍처를 채택하고 벅, 부스트, 벅-부스트 동작 구간에서 인덕터 전류 검출 저항을 사용한다. VC 핀 상의 전압에 따라서 인덕터 전류를 제어한다. 이 전압은 EA1부터 EA6까지 6개의 내부 오차 증폭기 출력을 결합한 것이다. 이들 증폭기를 사용해서 표 1에서 보는 것과 같이 각각의 전압 또는 전류를 레귤레이트 할 수 있다.

[표 1] 오차 증폭기(EA1부터 EA6까지)

VC 전압은 정격 최소-최대 범위가 약 1.2V이다. 최대 VC 전압이면 가장 높은 양의 인덕터 전류가 되고 VIN에서 VOUT으로 전력 흐름이 최대가 된다. 최소 VC 전압이면 가장 낮은 음의 인덕터 전류가 되고 VOUT에서 VIN으로 전력 흐름이 최대가 된다.
간단한 예를 들어서 VOUT 레귤레이션을 살펴보자. FBOUT 핀이 VOUT 전압 피드백 신호를 수신하고, 이것을 EA4를 사용해서 내부 레퍼런스 전압과 비교한다. 그래서 VOUT 전압이 더 낮으면 VC를 높여서 VOUT으로 더 많은 전류가 흐르도록 한다. 반대로 VOUT이 더 높으면 VC를 낮추어서 VOUT으로 흐르는 전류를 낮추거나 VOUT으로부터 전류와 전력을 소비할 수도 있다.
앞서 언급했듯이 LT8708은 입력과 출력 모두로 양방향 전류 레귤레이션을 할 수 있다. 순방향과 역방향(각각 EA6과 EA2)으로 VOUT 전류를 레귤레이트 할 수 있다. VIN 전류 역시 순방향과 역방향(각각 EA5와 EA1)으로 레귤레이트 할 수 있다.
통상적인 애플리케이션의 경우, EA4를 사용해서 VOUT을 레귤레이트 하고 나머지 오차 증폭기들로는 입력이나 출력 전류가 값을 넘는 것이나 입력 저전압 조건을 모니터링할 수 있다. 배터리 백업 시스템 같은 경우에는 VOUT으로 연결된 배터리를 정전류(EA6)로 최대 전압(EA4)으로 충전하고 필요에 따라서 다른 오차 증폭기들을 사용해서 방향을 전환해서 VIN으로 전력을 제공하도록 하고 VIN을 레귤레이트 하고 최대 전류를 제한할 수 있다. 이와 관련한 더 자세한 내용은 LT8708 데이터 시트에서 확인할 수 있다.

맺음말

LT8708 및 LT8708-1은 전압이 동일한 듀얼 배터리 dc-dc 자동차 시스템에서 새로운 차원의 성능과 제어를 가능하게 하고 설계를 간소화한다. 중복성을 위해서 2개 전원 사이에 에너지를 전달하기 위해서든 또는 중요한 애플리케이션에서 백업 전원 용으로든 LT8708을 사용함으로써 전압이 동일한 2개 배터리 또는 수퍼커패시터를 연결할 수 있다. 그러므로 자동차 시스템 엔지니어들이 자동차 전자장치에서 새로운 진보를 이루고 더 안전하고 효율적인 자동차를 실현할 수 있도록 돕는다.