페어차일드의 DISD(Dual Integrated Solenoid Driver) FDMS2380은 솔레노이드 및 기타 유도부하(Inductive load) 드라이브를 위한 지능형 로 사이드(Low side) 드라이버이다. 이 솔루션은 정확한 파라메트릭 사양 이외에도 혹독한 자동차 물리 및 전기적 환경에서 작동하도록 개발되었다.

파워트레인 애플리케이션에서 최적의 신뢰성과 성능을 달성하기 위하여 파워 및 신호 처리 기능의 파티셔닝은 물론 패키징을 중요한 요소로 고려했다. FDMS2380은 첨단 파워 실리콘, 고성능 BiCMOS 제어 기능, 최신 파워 패키징을 이용함으로써 오늘날의 자동차 설계 과제를 해결하기 위한 새로운 고전력 저손실의 복합적 Functional Power 솔루션을 제공한다.

자동차 환경용으로 설계

물리적인 환경
자동차 환경을 위한 설계 작업의 어려움은 잘 알려져 있다. 자동차 파워트레인 제어에 이용되는 파워 반도체는 혹독한 물리적인 환경을 견뎌내야 한다. 오늘날의 자동차 메이커들은 완벽하게 테스트된 엔진이나 트랜스미션 등의 시스템을 요구한다. 또한 이들 시스템 상에 혹은 이들 시스템에 가까이 전자제어장치(ECU)를 탑재해야 하며, 이 경우 이들 파워 반도체의 열 환경이 150℃ 이상의 주변 온도에 도달할 수 있다(그림 1). 반도체에서 Tj(max)는 중요한 요소이다. 블로킹 기능 게이트 문턱전압(Threshold Voltage)은 물론 다른 모든 중요한 특성이 이 파라미터에 의해 제한되기 때문이다. 따라서 Tj(max)보다 높은 온도 환경은 결함의 대부분 원인이 될 수 있다.

엔진 컴파트먼트 150 ℃ 이하
- 파워트레인 제어
- 모터 제어
-트랜스미션 제어  


- 엔진 및 트랜스미션은 200 ℃ 이하의 온도로 작동한다 
- 연소실 500 ℃ 이하. 압력센서가 이 환경에 노출된다.
- 배기 시스템 800 ℃ 이하. 배기센서가 이 환경에 노출된다.
- 휠 시스템 300 ℃ 이하. Brake-by-Wire가 이 환경에 노출된다.

[그림 1] 자동차 주변 온도

이와 함께 많은 자동차 애플리케이션에서는(다른 파워 디자인에는 거의 이용되지 않는 방식이지만) 파워 디바이스가 에너지 흡수 모드로 동작해야 한다는 점 때문에, 그 디자인을 통해 지속적으로 자동차시장에서 요구하는 신뢰성을 제공하기 위해서는 파워 반도체의 온도 한계치에 대한 이해와 열 관리를 신중하게 고려하는 것이 절대적으로 필요하다. FDMS2380은 멀티 다이 패키징 기법을 이용하여 제품의 열 관리를 최적화했다.
온도 센싱 회로에 의해 내부적으로 가해지는 열에 대해 보호 기능이 제공된다. 접합부 온도가 보호 한계를 초과하면 Thermal Shut Down 동작이 이루어진다. 그러면 출력 회로가 자동으로 오프 모드로 전환되고, 재순환 및 자기소거 회로에 의해 강제로 재순환 모드로 전환되어 부하 코일 에너지를 방전하게 된다(그림 2).


                        [그림 2] FDMS2380 블록 다이어그램

전기적 환경
자동차 애플리케이션의 전기적 환경은 또한 대부분의 파워 시스템과 크게 다르다. 자동차의 과도(Transient) 환경은 외부 영향이 크게 영향을 미치는 다른 과도 환경과는 다른 특징을 나타낸다. 가장 심각한 과도 환경은 부하 덤프 조건이나 스타트업 과전압 조건에 의한 것이다. 온/오프로 스위칭하는 릴레이 및 솔레노이드와 퓨즈 개방에 의해서 또한 과도 환경이 발생할 수 있다.

회로 디자이너는 이와 같이 심각한 과도 환경에서 믿을 수 있는 회로 동작을 보장해야 한다. 자동차 전원장치 상의 과도 현상은 교류기/레귤레이터 시스템에 의해 발생하는 높은 에너지 과도 현상에서부터 점화장치와 다양한 부속 장치에 의해서 발생하는 낮은 수준의 ‘잡음’에 이르기까지 다양할 수 있다. 그림 3은 자동차 시스템 설계 시 고려해야 하는 일부 전압 과도 현상을 보여준다.


                                      [그림 3] 자동차 전기 과도현상

FDMS2380은 과전류 및 과전압 검출 회로 등의 다수의 빌트인 기능을 제공하며 6~26V로 동작하도록 설계되었다. 결함 조건이 발생하면 출력이 턴오프되고 재순환 경로가 턴온되어 유도 에너지를 소비한다.

Functional Power 솔루션
파워 솔루션으로부터 최대의 용량을 끌어내기 위해서는 자동차 환경으로 Functional Power 기술을 최적화하기 위한 멀티 다이 기법이 유리하다. 모놀리식 솔루션이 어느 파워 애플리케이션에나 중요한 기본적인 파워 및 아날로그 요구량에 있어서 한계에 도달하고 있는 반면, 멀티 다이 기법은 다음과 같은 여러 가지 이점을 제공한다.

• 특정한 면적에 대해서 전력 손실이 낮은 스위치 이용
• 최신 파워 디스크리트 기술의 이용
• 파워 및 민감한 아날로그 블록 사이의 절연 성능 향상
• 다양한 파워 디스크리트 디바이스에 하나의 제어 다이를 이용함으로써 디자인의 모듈성 향상
• 고성능 아날로그 제어 블록을 이용해서 모든 유형의 디스크리트 파워 기술 결합 가능
• 온저항 또는 스위칭 손실에 대해 스위칭 기능의 최적화

Functional Power 디바이스는 최초의 진보된 파워 디바이스다. 이는 다른 IC 디바이스와 비교해서 제한적인 데이터 처리를 담당하지만, Functional Power는 데이터 처리가 아닌 파워 관점에서 접근해야 한다. 파워 디바이스를 위해 중요한 문제는 전압 블로킹 기능, 전류 취급 용량 및 열 성능 같은 것들이다. 접합부 온도를, 국소적이지만 과도한 열에 의해 손상을 막기 위해서는 이 디바이스의 열과 관련한 파워 손실을 제거해야 한다.

Functional Power 디바이스에서는 경우에 따라서 파워와 데이터 처리를 동시에 처리해야 하는 경우가 있다. 때에 따라서 데이터 처리 기능이 너무 복잡해서 차라리 그 기능만을 위해 최적화된 전용 디바이스를 이용하고, 파워 디바이스 부품용으로 최적화된 또 다른 파워 디바이스를 이용하는 것이 더 경제적일 수 있다.

이런 경우 파워 및 제어 기능 디바이스를 각기 별도의 패키지에 탑재할 수 있는데, 그러면 각각의 패키지 때문에 PCB 보드의 면적에서 손해를 볼 수 있다. 시스템을 소형화하기 위해서는 각각의 최적화 실리콘 공정을 하나의 소형 패키지로 통합해야 한다. 디바이스를 소형화하면서도 고전력을 다뤄야 하고, 데이터 처리 다이와의 상호연결, 그리고 가능하다면 다이 패드의 절연을 제공해야 할 뿐만 아니라 물리적 지원 및 환경 보호를 제공해야 한다. 페어차일드 반도체의 FDMS2380은 이와 같은 통합의 예이다.

이 디바이스는 유도부하를 구동하기 위해 빌트인 재순환 및 자기소거 회로를 포함하는 듀얼 지능형 로우 사이드 드라이버이다. 입력은 CMOS와 호환된다. 이 디바이스의 진단 기능은 오픈 부하와 자기소거 모드에 대한 표시를 제공한다. 내장된 과전류, 과전압, 과열 회로가 디바이스를 보호하며 과전류 또는 과열이 발생하면 자동으로 유도부하를 위해 Free-wheeling recycle 모드로 동작한다.

멀티칩 Functional Power 기술을 이용함으로써 파워와 제어 실리콘 사이에 우수한 전기적 절연을 달성할 수 있다. 파워 디바이스와 제어 디바이스 칩 간의 열전도가 약화됨으로써 특히 혹독한 전기적 환경에서 제품 견고성과 신뢰성을 향상시킨다.

멀티칩 스마트 파워 기술을 이용할 때는 스마트 파워 기능을 위해 풋프린트(보드 공간)가 허용하는 가장 효율적인 파워 실리콘을 이용하는 것이 타당하다. 낮은 파워 손실을 위해 필요하다면 낮은 RDS(ON) MOSFET을 이용할 수 있다.

미래의 유연성
대부분의 자동차 디자인은 어느 정도 맞춤형이기는 하지만, 그렇더라도 자동차 시스템 디자이너들은 항상 설계 주기를 단축하도록 압력을 받는다. 기존의 “Smart Power” 모놀리식 기술은 제조 공정을 복잡하게 함으로써 새로운 디바이스를 개발하는 속도와 유연성을 감소시킨다. 모놀리식 IC 개발은 파워 및 신호 처리를 동일한 제조 공정에서 구현해야 하므로 반복적인 설계로 인해 비용이 높아지고 속도가 느릴 수 있다. 멀티칩 스마트 파워 기술을 이용하면 파워 및 신호 처리 디바이스 개발을 동시에 진행할 수 있다. 그러므로 맞춤형 애플리케이션용으로 최적화된 새로운 제품을 더 신속하게 개발할 수 있다.

흔히 IC 공정은(파워에 대해서는 아니지만) 드라이버 기능에 대해서만 최적화되므로 IC 부분이 동일하게 유지되는 동안에 파워 요구가 바뀔 수 있다. 최신 세대의 파워 기술을 이용함으로써 파워 부분에 최신의 파워 기술을 접목하여 시스템 수명을 연장시킬 수 있다.

FDMS2380은 자동차 파워트레인의 로우 사이드 유도부하를 제어하기 위한 제품으로 설계되었으나, 다른 애플리케이션을 위해 마찬가지로 최적화된 추가적인 제품을 위한 기술적 토대를 제공한다.

성능
전력 손실을 낮추기 위해서는 낮은 RDS(ON) 제품이 필요하다. RDS(ON)이 낮다는 의미는 특정한 전류로 측정해서 스위치 상의 전압 드롭이 더 낮다는 것이다. 측정 기법에 있어서 잡음은 정확한 측정을 어렵게 한다. 그러므로 자동차 모듈 설계 시에는 잡음을 낮추고 부하 조건을 정확하게 센싱하는 것이 중요한 고려사항이다. 멀티 다이 스마트 파워 디바이스는 낮은 전압 드롭과 낮은 전류의 정확한 측정을 가능케 한다. 멀티칩 스마트 파워 기술을 이용함으로써 파워와 제어 실리콘 사이에 우수한 절연 성능이 제공된다. 이 절연은 혹독한 전기 환경에서 제품의 견고성과 신뢰성을 향상시킨다. FDSM2380 기술을 기반으로 한 미래의 제품들은 MOSFET 기술의 파워 소비에 있어서 지속적인 향상을 활용할 수 있을 것이다.

결론
자동차 파워트레인용 반도체는 혹독한 물리 및 전기적 환경에서 작동해야 한다. 그러므로 더 낮은 파워 손실, 더 높은 유연성, 소형 신호와 대용량 파워를 처리할 수 있는 성능을 제공하는 제품을 필요로 한다. 또한 경제적인 솔루션이어야 한다. 혁신적인 패키징을 채택하고 파워와 신호 처리 같은 각각의 기능에 적합하게 설계된 각기 다른 반도체 공정을 이용한 새로운 솔루션들은 더 저렴하고 효율적이고 믿을 수 있는 파워트레인 시스템을 가능하게 한다. 페어차일드 반도체의 FDSMS2380이 유도부하를 제어하기 위한 이 설계 기법의 예이다. 이는 또한 새로운 자동차 전자 시스템을 위해 미래의 제품들을 위한 토대를 제공한다.