요약
본 설계 솔루션에서는 USB 전원 시스템을 갖춘 자동차용 듀얼 USB Type-C™ 설계에서 직면하는 과제를 검토한다. 모듈 온도 상승은 40°C 이하이어야 한다. 자동차 배터리 전압은 크게 변동한다. 데이터 라인은 충분히 보호되어야 하며, 설계는 유연하고 다양한 폼팩터에 적응할 수 있어야 한다. 벅-부스트 컨트롤러 IC 및 보호 IC 칩셋은 허용 가능한 열 한계 내에서 작동하는 소형 유연 모듈을 구현할 수 있다.
소개
USB 포트는 자동차에서 매우 흔하다. 적절한 케이블을 사용하면 언제 어디서나 다양한 휴대용 장치, 스마트폰, 태블릿을 충전할 수 있다. 이러한 기능을 구현하는 전자 모듈은 과열 없이 좁은 공간에 설치되어야 한다. 듀얼 포트 전용 충전 솔루션(그림 1)의 경우, 두 개의 커넥터를 지원해야 하므로 부품 수와 솔루션 크기를 늘리지 않으면서 이 문제가 더욱 심각해진다. 설상가상으로 USB 전원(USB-PD) 표준은 표준 케이블을 통해 사용 가능한 전력을 15W(5V, 3A)에서 60W(20V, 3A)로 증가시켰다.
듀얼 USB 충전기는 AEC-Q100 표준을 충족해야 하며, USB 규격도 충족해야 한다. 크기와 온도 문제 외에도, 이 솔루션은 듀얼 전통 USB 이뉴머레이션 기술을 포함해야 할 뿐 아니라, 최소 EMI 방사, 40V 로드 덤프 내성, 자동차 리버스 배터리 보호 기능을 가져야 한다. 또한, 시동/정지 기술을 사용하는 차량 및 시동 시 배터리 전압이 급격히 떨어지는 차량과 호환되어야 한다. 이는 배터리 전압이 일반적인 12V보다 훨씬 낮아지며, 때로는 6V 이하로 떨어지게 한다.
차종에 따라 USB 모듈 폼팩터가 다르다. 따라서, 칩 제조업체가 특정 레퍼런스 디자인과 관련 Allegro 및/또는 Gerber 파일을 제공하여 고객이 바로 사용할 수 있는 솔루션을 제공하는 것이 매우 중요하다.
본 설계 솔루션에서는 듀얼 USB-PD 및 보호 시스템 설계의 과제를 논의하고, 다양한 플랫폼 요구 사항에 맞게 쉽게 커스터마이즈할 수 있는 열 효율이 높은 방법을 제시한다.
그림 1. 듀얼 USB 소켓이 장착된 현대 자동차.
전력 전송 표준을 갖춘 USB Type-C
전력 전송 기능을 갖춘 USB Type-C는 전자 기기 간의 높은 데이터 속도와 향상된 전력 전송을 지원한다. 표준 케이블을 통해 최대 3A의 전류를, 강화된 케이블을 통해 최대 5A의 전류를 제공하면서 10Gbps의 처리량을 제공할 수 있다. 버스 전압(VBUS)은 최대 20V까지 조정 가능하며(표준 케이블 사용 시 3A에서 60W, 강화 케이블 사용 시 5A에서 100W).
전력 전송 기능을 갖춘 듀얼 USB Type-C
그림 2는 듀얼 USB-PD 시스템을 보여준다. 자동차 배터리의 경우, 충전 시 전압은 일반적으로 14V이며, 시동/정지 시 최소 전압은 6V로 떨어지고, 전원 공급 전압은 5V에서 20V 사이에서 변동될 수 있다. 전압 레귤레이터가 출력 전압 VBUS를 제공하는 유일한 가능한 선택은 벅-부스트 컨버터를 사용하는 것이다. 충전 에뮬레이션 및 보호 IC는 PD 컨트롤러 신호를 수신하여 USB Type-C 커넥터로 전달한다.
그림 2. 벅-부스트(주황색) 전력 전송 및 보호 아키텍처.
열 문제
USB 충전기 모듈의 열 규격은 간단하며, 온도는 주변 온도보다 40°C를 초과할 수 없다.
문제는 출력 전력이 증가하면 전력 손실이 커지고, OEM에서 지정한 USB 모듈 크기 내에서 추가 열이 발생한다는 것이다. 이러한 열은 쉽게 제거하기 어렵다. 시스템 비용은 항상 중요하며, 플라스틱은 모듈의 가장 저렴한 재료이지만 열 전달에는 불리하다. 케이스에 통풍구를 설치하는 것은 저비용 옵션이지만, 이러한 전력 레벨에서는 종종 방열이 필요하여 시스템 비용이 증가한다. 가장 좋은 방열 방법은 외부 환경에 노출된 금속 전기 커넥터를 사용하는 것이다. 그러나, 노출성과 기능으로 인해 최종 사용자가 이 부품에 접촉할 수 있다. 따라서 최종 사용자 안전을 위해 PCB 및 커넥터의 온도를 제한해야 한다.
벅-부스트 아키텍처 선택
열 및 전력 손실 관리가 자동차 응용에서 매우 중요하다. 외부 MOSFET의 낮은 R_DS(ON)과 낮은 게이트 캐패시턴스를 사용하면 손실을 최소화할 수 있다. 12V 입력의 60W 컨트롤러 설계에서는, MOSFET의 전력 손실은 H 브리지 내 위치에 따라 달라진다. 한 예에서 가장 뜨거운 MOSFET의 온도 상승은 39°C에 이를 것이다(그림 5 참조). 24.5°C 주변 온도에서, PCB의 가장 뜨거운 온도는 약 63.5°C이다. MOSFET 간에는 실제로 상호 가열이 발생하지만, 기판 내 적절한 간격으로 인해 이러한 현상은 감소된다. 열을 소자에서 방출하고 표준 FR-4 보드의 EMI 영향도 최소화하기 위해, 비아 간격과 드릴 크기 사이의 적절한 균형이 필요하다.
반면, 모든 네 개 MOSFET이 단일 IC 내에 통합된 경우(예: 벅-부스트 컨버터), 상호 가열이 큰 문제가 된다. 이는 발산 전력이 매우 작은 영역에 집중되기 때문이다. 이 경우, 각 MOSFET의 온도 상승은 모든 발산 전력의 총합에 거의 비례한다. 이는 컨트롤러의 경우 예상치의 두 배(78°C)에 이를 수 있다. 24.5°C 주변 온도에서, 컨버터 솔루션의 커넥터 온도는 관리하기 훨씬 더 어려워질 것이다!
그림 3. 벅-부스트 응용 회로도.
더 높은 효율
그림 4에서, IC는 3.5A 전류를 제공하며, 피크 효율은 98%이다. 경쟁사 솔루션과 비교했을 때, 벅-부스트 컨트롤러는 2%의 이점을 가지고 있으며, 이는 이 응용에서 매우 중요하다.
그림 4. 높은 효율 곡선 및 비교.
낮은 온도 상승
그림 5는 PCB 온도 분포를 보여준다. 여기서 VOUT = 20V, IPORTS = 3A, η = 96.29%, 스위칭 주파수는 440kHz이며, 총 출력 전력 PD = 2 x 60W(각 벅-부스트 당 60W)이다.
그림 5. 120W PD 솔루션 열 맵.
온도 상승 최대값:
ΔT = 63.5 – 24.5 = 39°C
이러한 매우 극한 조건에서도, 우수한 효율과 적절한 PCB 설계를 통해 온도 상승을 40°C 이하로 유지할 수 있다.
소형 크기
고도로 통합된 컨트롤러는 2508mm²의 솔루션 면적(그림 6)을 제공하며, 이는 가장 근접한 경쟁사 솔루션보다 17% 더 우수하다.
그림 6. 소형 PCB 크기.
USB-PD 보호
MAX25410은 벅-부스트 컨트롤러를 보완한다. 이 IC는 자동차 USB-PD 포트 보호 솔루션으로, 자동차 라디오, 내비게이션, 커넥티비티, USB 허브/멀티미디어 모듈 응용에 적합하다. 이 부품은 USB Type-C 커넥터의 CC1, CC2, D+, D- 신호에 대해 단일 칩 자동차 USB-PD 보호 솔루션을 제공한다. 또한, 이 IC는 전용 전원이 필요 없는 고급 결함 관리 기능을 갖춘 VCONN 스위치를 제공한다. 부품 보호 기능에는 ±15kV IEC 61000-4-2, ISO 10605 ESD, 그리고 보호된 HVCC1, HVCC2, HVD+, HVD- 핀의 V버스 단락(24V)이 포함된다. 이 장치는 또한 BC1.2 충전 감지 CDP, DCP 또는 패스스루(SDP) 모드를 통합한다. IC는 소형 4mm x 4mm, 16핀 TQFN 패키지를 사용한다.
듀얼 USB Type-C 전원 및 보호 모듈
벅-부스트 솔루션과 보호 IC는 USB-PD 및 보호 모듈에 통합된다. 그림 7은 120W 고성능, 소형 전력 전송 모듈을 보여준다.
그림 7. 120W 고효율, 소형 전력 전송 모듈.
결론
USB-PD 표준은 표준 케이블을 통해 최대 60W의 전력을 제공할 수 있으며, 이는 자동차 듀얼 USB 모듈 설계를 더욱 도전적으로 만들어 허용 가능한 40°C 온도 상승을 달성하기 어렵게 한다. 신호 측면에서는, 데이터 라인이 충분히 보호되어야 하며, 동시에 충전 에뮬레이션 및 충전 감지를 지원해야 한다. 모듈은 설계가 용이해야 하며, 다양한 고객 플랫폼 요구 사항에 따라 빠르게 재구성할 수 있어야 한다. 다양한 과제를 논의한 후, 우리는 벅-부스트 컨트롤러 IC와 보호 IC 기반의 고도로 통합된 칩셋을 소개했다. 우리는 이 칩셋을 사용하여 모듈의 온도 상승을 허용 범위 내로 제어할 수 있음을 보여주었다. 이 모듈은 소형이고 비용 효율적이며, 자동차 제조업체가 요구하는 다양한 폼팩터에 쉽게 적응할 수 있다. PCB, Allegro 및/또는 Gerber 파일이 포함된 즉시 사용 가능한 솔루션을 제공함으로써, 중요한 고객 생산 일정을 충족하는 데 도움이 된다.
상표
USB Type-C는 USB Implementers Forum, Inc.의 등록 상표이며, Smart Power Selector는 Analog Devices Products, Inc.의 상표이다.
