혹독한 자동차 환경에서도 잘 작동하는 최첨단 솔루션을 구상하고 구현할 때 설계자에게는 최소한의 하드웨어 요건으로도 인터랙티브하고 사용자 친화적인 고속 시뮬레이션 툴이 필요하다. 분산 인텔리전스를 통해 성능을 극대화하면 시스템 복원력에 대한 실시간 피드백이 제공된다.
자동차 산업의 설계자는 엔진 제어 모듈(ECM)이나 기타 전자 제어 유닛(ECU) 등의 중요 구성요소에 손상을 입힐만한 여러 심각한 문제를 해결하고 완화, 예방해야 하는 어려운 과제에 직면해 있다. 이런 시스템의 오작동은 사고나 기타 안전상의 위험으로 이어질 수 있기 때문이다.
자동차 제조업체는 이런 위험을 해결하고자 퓨즈, 회로 차단기, 과전압 보호 장치처럼 다양한 보호 조치를 취할 뿐만 아니라 열 관리도 적절하게 이용해 핵심 구성요소의 과열을 방지한다. 정확한 시뮬레이션은 잠재적인 문제가 발생하기 전에 이를 파악하는 데 중요한 역할을 할 수 있으며, 엔지니어는 이런 문제가 처음부터 발생하지 않도록 필수적인 설계 변경 및 수정을 수행할 수 있다. 또, 시뮬레이션을 통해 회로 설계를 최적화하면 발생될 수 있는 최대 전류와 전압을 확실하게 처리할 수 있기 때문에 보다 안전하고 안정적인 오토모티브 시스템을 구축할 수 있다.

글 | 주시 감비노(Giusy Gambino) 마케팅 매니저
     알레시오 브리기나(Alessio Brighina) CAD 서포트 프로젝트 매니저
     프란체스코 주프레(Francesco Giuffre) CAD 서포트 수석 엔지니어
     필리포 스크리미찌(Filippo Scrimizzi) 애플리케이션 시니어 매니저, ST마이크로일렉트로닉스(이탈리아 카타니아)




포괄적인 시뮬레이션의 보장    

차세대 차량을 개발할 때 엔지니어는 전력 분배와 관련해 많은 문제에 직면하며, 분산 인텔리전스 접근 방식을 구현해 다음과 같은 주요 핵심 요소를 동시에 해결해야 한다.

- 복원력
- 효율성
- 지속 가능성 

사고, 혹독한 날씨, 장비 오작동 등 예기치 못한 상황을 버티는 능력은 차량의 복원력에 필수적인 요소다. 효율성은 전력 소모, 배기가스 배출량, 유지보수 비용을 줄이는 동시에 전반적인 성능과 신뢰성을 개선하는 데 중요한 역할을 한다. 지속가능성은 환경에 미치는 영향을 줄이고 탈탄소화에 기여하는 핵심 요소다.
이런 목표를 달성하기 위해 엔지니어는 포괄적 시뮬레이션을 통해 정확하게 검증된 혁신 솔루션과 개념을 사용해야 한다. 이를 통해 개발한 최첨단 오토모티브 시스템은 업계의 요건을 충족하면서 보다 안전하고 안정적이며 지속가능하고 즐거운 주행 경험을 제공한다.

전력분배 시스템을 위한 지능형 스위치는 최적의 성능을 보장하기 위해 전기 및 열 시뮬레이션이 모두 필요한 복잡한 장치다. 전기 시뮬레이션은 고전압 및 전류 레벨 처리 능력, 응답 시간, 결함 감지 및 격리 기능 등 스위치의 전기적 동작을 분석하는 데 필요하다. 반면 열 시뮬레이션은 작동 중 스위치에서 발생하는 열을 분석하는 데 필요하며, 이는 스위치의 성능과 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 엔지니어는 전기 및 열 시뮬레이션을 모두 결합해 지능형 스위치의 설계를 최적화함으로써 필요한 성능 사양을 충족하면서도 안전한 작동 온도를 유지할 수 있다. 이런 방식을 채택하면 전력분배 시스템의 효율성, 안정성, 안전성을 향상시키면서 적절하고 효과적인 보호 메커니즘과 진단을 구현한다.


1. 개요

최선의 디바이스 선택을 위해서는 스마트 스위치 동작을 빠르게 이해할 수 있도록 사용자 친화적 맞춤형 인터랙티브 환경에서 시뮬레이션을 수행하는 것이 필요하다. 이 프로세스의 첫 번째 단계에서는 어떤 제품이 전기적 요건을 충족할 수 있는지를 확인해야 한다. 
ST마이크로일렉트로닉스의 전기 열 시뮬레이터인 TwisterSIM은 이런 용도에 매우 적합한 툴이다. 스마트 로우사이드 및 하이사이드 드라이버와 모터 제어용 H-브리지 등의 VIPower 제품용으로 특별 설계됐다. 이 시뮬레이션 툴은 목록에서 추천 디바이스를 정확하게 선정하여 관련된 기본 정보를 제공한다. 따라서 설계자는 그림 1과 같이 다양한 스마트 스위치 옵션의 성능을 빠르고 쉽게 평가하고 특정 애플리케이션에 가장 적합한 옵션을 선택할 수 있다.




그림 1 | VIPower 스마트 드라이버 사전 선택



이 시뮬레이터는 입력 전압, 디바이스 토폴로지, 채널 수, 부하 유형 및 특성, 전원 유형, 주변 온도, PCB 방열 면적 등 다양한 입력 사항에 기반해 예상되는 최대 접합 온도(T_JMAX)에 대해 유용한 정보를 제공하면서 빠르고 효율적으로 제품을 사전 선택한다. 이 정보는 채널당 적절한 온스테이트 저항(R_ON)을 선택하고 작동 조건에서 열 예산이 장치의 절대 최대 정격을 충족하는지 확인하는 데 중요하다.


2. 성능 탐색  

시뮬레이터는 드라이버의 전기 및 열 동작을 조사하기 위해 사전 선택된 장치와 배터리 및 부하에 대한 입력/출력 연결이 각각 포함된 회로도를 생성한다(그림 2).




그림 2 | VIPower 드라이버 시뮬레이션을 위한 회로도



해당 용어의 의미는 다음과 같다.

    V_BATT: 배터리 전압
    V_IN: 마이크로컨트롤러에서 제공하는 입력 전압
    R_{LINE_IN} & R_{LINE_OUT}: 드라이버 입력 및 출력에서의 와이어 하니스 기생 저항

시뮬레이션을 시작하기 전에 프로젝트 파라미터들을 커스터마이즈하기 위한 단계가 필요하다. 이 단계에서 설계자는 회로도에 있는 소자들의 값과 시뮬레이션 설정을 한다. 회로도 소자의 값은 회로의 동작을 결정하는 데 매우 중요하므로, 회로에 필요한 성능 사양을 충족하도록 신중하게 선택해야 한다.

시뮬레이션 설정은 설계자가 시뮬레이션을 통해 재현하고 분석하고자 하는 작동 조건을 정의한다. 예를 들어 설계자는 회로의 전압 및 전류 파형을 검사하거나 전력 손실을 확인하고 회로의 열 동작을 평가해야 할 수 있다. 설계자는 프로젝트 파라미터들을 커스터마이즈하여 시뮬레이션 동작에 정확하게 반영함으로써 설계를 최적화하는 데 필요한 정보를 확인할 수 있다(그림 3).



그림 3 | 시뮬레이션 프로세스의 정의



시뮬레이션에 TwisterSIM을 사용하면 얻을 수 있는 이점 중 하나는 시뮬레이션이 진행되는 동안 시뮬레이션 결과를 실시간으로 표시할 수 있다는 것이다. 이 기능으로 설계자는 시뮬레이션이 진행되는 동안 회로의 동작을 모니터링하고 문제나 개선이 필요한 부분을 빠르게 파악할 수 있다.

시뮬레이션 결과를 실시간으로 표시하면 설계자가 보다 효율적이고 효과적으로 설계를 최적화할 수 있다. 일례로 시뮬레이션 결과, 회로가 너무 많은 전류를 소비하거나 온도가 너무 빠르게 상승한다고 나오면 설계자는 회로 파라미터를 빠르게 조정하고 이런 변경 사항이 시뮬레이션 결과에 미치는지 즉시 확인할 수 있다.

이 기능을 사용하면 설계자가 시뮬레이션 완료까지 기다리지 않고 시뮬레이션 단계에서 문제를 빠르게 파악하고 해결하기 때문에 시간과 리소스를 절약하게 된다. 설계자는 TwisterSIM을 사용해 시뮬레이션 결과를 실시간으로 표시하면서 보다 효율적이고 효과적으로 설계를 최적화해 전력분배 시스템의 효율성, 안정성, 안전성을 개선할 수 있다.


3. 결과 조정  

엔지니어는 시뮬레이션 매개변수, 데이터, 시각화를 특정 요건에 맞게 수정해 정보에 입각한 의사 결정을 내리고 최적의 결과를 얻을 수 있다. 이 시뮬레이터는 그림 4와 같이 열 매핑, 전류 및 전압 파형, 전력 손실 분석 등 VIPower 회로를 분석하고 최적화하는 데 필요한 툴을 다양하게 제공한다. 



그림 4 | 데이터 시각화를 위한 커브 및 플롯 맞춤화



설계자는 TwisterSIM을 사용해 효율적일 뿐만 아니라 효과적인 진단 및 보호 기능을 갖춘 복원력 있는 드라이버 설계를 개발할 수 있다. 이는 최대 성능과 안정성을 위해 설계를 최적화하고, 열 또는 전기적 스트레스로 발생하는 고장 위험을 줄이고, 오류 복제 및 제한된 매개변수 기록 등의 기능을 통합함으로써 달성한다. 또한 이런 설계 방식은 와이어 하니스의 크기와 무게를 줄여 차량의 이산화탄소 배출량을 감축하는 데 지속적으로 기여하게 된다. 


핵심 시나리오

열악한 자동차 에코시스템에서는 열 보호 메커니즘을 반드시 고려해야 하는데, 특히 반복적인 회로 단락으로 열 차단(TSD)이 발생할 수 있는 상황에서는 더욱 그렇다. 이런 경우 드라이버는 전력 제한 안전 장치(최대 전류 흐름 및 온도 히스테리시스 사이클링)를 사용해 시스템을 재시작하고 과열 문제가 해결될 때까지 TSD 모드를 유지한다.
이 특정 제어는 TwisterSim에서도 구현되며, VIPower M0-9 기술의 스마트 전원 스위치인 하이사이드 드라이버 VND9012AJ의 경우 정확하게 재현할 수 있다. 시뮬레이션 결과는 그림 5에서처럼 실험 데이터와 비교할 수 있다. 



그림 5 | 반복적 회로 단락 이벤트 발생 사례의 VND9012AJ 실험 데이터와 시뮬레이션 결과 비교



해당 용어의 의미는 다음과 같다.

    I_OUT: 드라이버의 출력 전류
    Dt: 시뮬레이션 결과와 측정 데이터의 TSD 발생 시간 차이

시뮬레이션 결과는 전류 제한 값과 열 차단(TSD) 트리거링 측면에서 TwisterSIM이 열 보호 메커니즘을 정확하게 모델링하고 시뮬레이션하는 데 매우 효과적인 툴이라는 사실을 보여준다. 출력 전류 값에 대한 시뮬레이션 데이터의 오차는 2% 미만인 반면, TSD의 시간 발생은 약 0.8ms의 오차를 가진다. 이는 실제 조건에서 시스템의 거동을 예측할 때 TwisterSIM를 사용하면 높은 수준의 정확도를 달성한다는 것을 보여준다.


결론      

자동차 산업이 차세대 차량의 개발로 전환함에 따라 엔지니어는 분산 인텔리전스로 성능을 극대화하는 첨단 솔루션을 제조해야 하는 과제에 직면해 있다. 이를 달성하려면 효율성과 복원력을 우선시하는 새로운 설계가 필요하며, 정확성과 효과를 모두 보장하기 위해서는 포괄적인 시뮬레이션 툴이 중요하다. 
TwisterSIM의 기능을 활용하면 새로운 VIPower 드라이버 설계를 최적화하면서 성능과 안정성을 달성하는 동시에 열 또는 전기적 스트레스로 인한 고장 위험을 최소화해 탈탄소화 및 지속 가능성을 위한 기반을 마련할 수 있다.


 

AEM_Automotive Electronics Magazine