차량용 전력 반도체 소자의 EMI 감소

전자기 적합성(EMC)은 전자기 환경에서 소자, 장비 또는 시스템이 열화나 오작동 없이 의도한 대로 작동하는 역량을 의미한다. EMC 관점에서는 전자파 간섭(EMI)이 중요한 과제로 부각된다. EMI 완화는 특히 현대의 자동차 전력 전자 분야에서 중요한데, 이는 전동화, 연결성, 소프트웨어 정의 제어의 확대로 인해 효율성과 보호 기능뿐만 아니라 전자기적으로도 견고한 장치가 요구되기 때문이다. 전도 방출 및 방사 방출은 스위칭 성능, 진단 정확도, 기능 안전을 저해하지 않으면서 신중히 제어해야 한다.
이 논문은 자동차 전력 소자의 주요 EMI 요인을 설명하고, 규정 준수와 시스템 견고성을 위한 설계 전략을 제시한다. 다기능적 특성으로 인해 전자기 교란에 민감한 지능형 전력 스위치와 스마트 전자 퓨즈를 중점적으로 다룬다. 본 연구에서는 STi2Fuse VNF9Q20SF를 대표적인 실증 사례로 채택한다. 이 소자는 내장형 퓨즈 기능과 소프트웨어 기반의 동작 설정이 가능한 4채널 하이사이드 드라이버로서, 보호 및 진단 기능을 온전히 유지하면서도 EMI 감소를 효과적으로 지원한다. 전압 방법을 사용해 전도 방출을 실험적으로 측정한 결과를 CISPR 25 5등급 한계값과 비교했으며, 이를 통해 해당 소자가 자동차 EMC 규정을 충족함을 확인했다.



글 | 주시 감비노(Giusy Gambino), 마케팅 커뮤니케이션 매니저
야스민 아비게일 치아렌자(Yasmin Abigail Chiarenza), 애플리케이션 엔지니어
세바스티아노 그라소(Sebastiano Grasso), 애플리케이션 매니저,
ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics)





체계적으로 설계된 시스템에 적절히 구현된 집적 회로에는 심각한 전자기 적합성 문제가 거의 생기지 않는다. 반면, 부실하게 설계된 IC가 탑재된 시스템은 기본적인 EMC 요건을 충족하기 어렵고, 시간과 비용이 많이 드는 과정일 수 있다. EMI를 줄이는 것은 현대 전자 설계에서 기본적인 요구사항이 되었으며, 특히 자동차 애플리케이션에서 중요하다. 차량의 전동화, 연결성, 소프트웨어 정의 제어 수준이 발전함에 따라 노이즈는 계속 증가한다. 이때 전력 소자는 효율성과 보호 기능을 제공하며 안정적으로 작동해야 한다. 이 시나리오에서 EMI는 단순 규정 준수의 문제가 아니라 신뢰성, 안전성, 견고성, 장기적 제품 품질을 직접적으로 뒷받침하는 핵심 요인이다.
자동차 설계자는 명확한 과제에 직면하고 있다. 시스템은 스위칭 정확도, 진단 무결성, 기능 안전을 유지하면서 엄격한 방출 요구사항을 충족해야 한다. 전력 분배 아키텍처가 더 지능화되고 분산되며, 시스템이 전반적으로 한층 복잡해짐에 따라 이 균형은 더욱 중요해진다. 스마트 전자 퓨즈와 지능형 전력 스위치는 이러한 전환의 중심에 있으며, 보호, 모니터링, 제어 기능을 하나의 소자에 통합한다. 다만 이러한 장점이 있는 만큼, 개발 초기 단계부터 EMI 복원력을 해결해야 한다는 점도 고려해야 한다.



자동차 전력 소자 내 EMI  


EMC 문제는 일반적으로 칩 내 문제나 외부 간섭 문제로 분류할 수 있다.

- 칩 내 EMC 문제는 하나 이상의 회로에서 생성된 신호나 노이즈가 같은 칩 내 다른 회로의 작동을 방해할 때 발생한다.
- 외부 결합 EMC 문제는 IC에서 생성된 신호나 노이즈가 칩 외부의 회로나 소자에 간섭할 때 발생한다. 반대로 외부에서 발생하는 노이즈가 IC의 적절한 작동에 방해할 때도 마찬가지다.

따라서, EMI는 소자 내부 및 외부의 여러 요인으로 인해 발생할 수 있다. 내부 요인에는 스위칭 과도현상, 기생 인덕턴스, 기생 커패시턴스가 포함된다. 이러한 현상은 고속 전력 스위칭 과정에 내재된 특성이며, 급격한 전류 및 전압 천이가 발생할 때 현저히 드러난다. 외부 요인으로는 무선 주파수 결합, 공급 라인의 전도 노이즈, 인근 전자 장비나 하네스에서 발생하는 교란 등이 있다.
이러한 메커니즘은 저주파와 고주파 모두 방출할 수 있다. 저주파 노이즈는 출력 단계에서 스위칭 활동과 연관이 있는 경우가 많으며, 고주파 성분은 내부 클럭과 타이밍 구조에서 발생할 수 있다. 그 결과로 생성된 스펙트럼이 자동차의 하위 시스템과 중첩될 수 있으므로, EMI 완화는 소자에 한정된 문제가 아니라 시스템 차원의 문제로 다뤄져야 한다.
EMI의 영향은 방출 테스트 실패에 그치지 않는다. 스위칭 정밀도를 떨어뜨리고, 진단 측정 품질을 저하시키며, 장기적인 견고성까지 저해할 수 있다. 안전 관련 애플리케이션에서는 보호 기능과 폴백 모드의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 이유로, EMI를 고려한 설계는 프로토타입 검증 이후보다는 개발 초기에 시작해야 한다. EMC 측면에서는 예측 가능한 성능을 유지하면서도 다중 제어 장치, 하네스, 부하, 센서, 통신 선로가 공존해야 하기 때문이다.
CISPR 25 기생 방출 표준의 첫 번째 버전은 2002년에 발표됐으며, 전자 시스템 수준에서의 테스트 설정을 정의한다. 특히 CISPR 25와 같은 표준은 전도 방출과 방사 방출을 평가하는 구조화된 프레임워크를 제공한다. 이를 바탕으로 엔지니어는 하드웨어와 다른 온보드 전자장치 사이에 간섭이 발생하지 않는지 검증할 수 있다(그림 1). 




그림 1. CISPR 25 표준



CISPR 규격집은 세 가지 수준으로 구성되어 있다. 기본 표준은 일반 표준과 제품 표준에서 규범적으로 인용된다. CISPR 표준은 현재 날짜 명시 참조를 사용하므로, 해당 문서는 특정 인용 판본이다.
하지만 규정 준수를 최종 목표로 간주해서는 안 된다. 이는 실제 전자기적 운용 환경에 최적화된 설계로부터 도출되는 정량적 결과물에 해당한다. 스마트 전력 소자의 경우, 스위칭 속도, 진단 기능, 보호 응답, 방출 성능 간의 신중한 균형이 필요하다.



지능형 전력 스위치와 스마트 퓨즈

자동차 회로 보호 소자는 전통적인 퓨즈와 릴레이의 역할을 훨씬 능가하는 수준으로 발전했다. 이 소자는 부하 제어, 고장 처리, 모니터링, 진단, 프로그래밍 가능한 동작을 통합한 구조로 구현된다. 이러한 특징은 가시성과 적응성이 점점 더 중요해지는 현대 전력 분배 아키텍처에서 특히 중요하다.
스마트 전자 퓨즈는 영역 및 분산 아키텍처의 핵심 구성 요소로 부상하고 있다. 이는 고장 상태에 신속히 대응하고, 제어형 복구를 지원하며, 중앙 제어 장치에 상세한 정보를 제공한다. 이를 통해 시스템 보호 강화는 물론, 구성 요소 절감, 배선 단순화, 아키텍처 효율성 향상까지 실현한다.
이러한 소자는 EMI 스트레스 환경에서도 안정성을 유지하며 제대로 작동해야 한다. 소자의 작동은 정확한 감지와 정밀한 출력 제어에 좌우되는데, 이 두 요소 모두 전기 노이즈에 취약하다. 따라서 EMI 복원력은 선택적 기능이 아니라 기본적인 설계 요구사항이라고 할 수 있다.
소프트웨어 기반 동작 설정은 스마트 전력 소자의 EMI를 효과적으로 낮춘다. 이 방식은 소자를 고정된 동작 프로파일에 종속시키지 않고, 설계자가 애플리케이션에 따라 핵심 파라미터를 조정할 수 있도록 한다. 이러한 유연성은 부하 상태, 케이블 길이, EMC 목표가 현저하게 달라질 수 있는 자동차 플랫폼에서 유용하다.

A. 스위칭 슬로프 제어     
스위칭 슬로프 제어는 EMI 완화에 중요한 기술이다. 설계자는 상태 간 출력 전환 속도를 조정함으로써, 노이즈 발생에 기여하는 급격한 전압 및 전류 변화를 줄일 수 있다.

B. 주파수 성형 및 클럭 디더링
또 다른 유용한 기술은 클럭 디더링이라고도 하는 주파수 성형이다. 소자는 내부 클럭 신호의 스펙트럼 에너지를 약간 확산해, 특정 주파수에서 피크 방출을 줄일 수 있다. 이는 노이즈를 완전히 제거하는 것이 아니라 에너지를 더 균일하게 재분배함으로써, 규정 준수 여유를 개선하고 시스템 통합을 용이하게 하는 경우가 많다. 실제로 확산 스펙트럼 변조는 광범위한 주파수 대역에 스펙트럼 에너지를 분산시켜 EMI를 완화하는 데 활용된다.

C. 진단 및 보호 동작        
소프트웨어 기반 구성은 진단과 보호 동작에도 중요하다. 시스템은 소자가 고장을 보고하고, 전류를 모니터링하며, 실시간으로 반응을 조정할 수 있는 경우에 더 높은 가시성과 제어력을 얻게 된다. 이는 안전과 규정 준수가 공존해야 하는 애플리케이션에서 유용하다.



실험적 검증  

실험적 검증을 위한 테스트 대상 소자로 STi2Fuse VNF9Q20SF가 사용된다. 이는 자동차 전력 분배 애플리케이션에 적합하게 설계된 4채널 하이사이드 드라이버로, 퓨즈 기능이 내장되어 있다. 이 소자는 첨단 진단 및 보호 기능을 통합하므로 견고성과 제어 기능이 모두 필요한 아키텍처에 적합하다.
주요 기능으로는 프로그래밍 가능한 전류 제한, 고장 보고, 전류 감지, 내장 자체 테스트, SPI 기반 구성이 있다. 이러한 기능 덕분에 강력한 안전 프로파일을 유지하면서 지능형 전력 분배를 지원할 수 있다. 이 아키텍처는 고장 응답이 정확하고 추적 가능하며 예측 가능해야 하는 시스템에서 더 큰 가치를 지닌다.
EMI 관점에서 VNF9Q20SF는 소프트웨어 제어 스위칭 동작과 고급 내부 관리 기능 덕분에 의도치 않은 방출을 줄여준다. 다만 최종 전자기 성능은 PCB 레이아웃, 디커플링, 리턴 경로, 접지, 커넥터 배치, 케이블 배선, 하네스 길이, 부하 특성 등 전체 시스템에 따라 달라진다.
소자가 생성하는 전도 방출은 하네스를 통해 다른 구성 요소, 하위 시스템 또는 공급 네트워크로 전파된다. 이는 전압 방법 또는 전류 방법을 사용하여 측정할 수 있다. 본 연구에서는 전압 방법이 채택됐으며, 그림 2에 소개된 설정을 사용한다.




그림 2. 전압 방법을 사용한 전도 방출 측정 설정

각각의 의미
- LISN: 라인 임피던스 안정화 네트워크
- DUT: 테스트 중인 소자

측정은 다음과 같은 조건에서 수행되었다.
- VBAT = 13V
- 상온 
- 채널 0, 1, 3은 Fail-safe 모드에서 꺼져 있음
- 27W + 5W 전구가 장착된 DC(5V) 및 PWM(100Hz, 50% 듀티 사이클)의 직접 입력으로 구동되는 채널 2

채널 2가 활성화되면 피크 검출로 측정한 노이즈를 CISPR 25 5등급 한계값과 비교한다(그림 3).




그림 3. CISPR 25 한계값과 노이즈 측정 비교



피크 감지는 방출된 신호에서 각 고조파의 최댓값을 포착해, 최악의 방출 시나리오를 나타낸다. 이와 유사하게, 방출량이 평균 한계값 이하인지 확인하기 위한 평균 감지가 수행되었다. VNF9Q20SF 스마트 전자 퓨즈는 가장 엄격한 표준인 CISPR 25 5등급의 피크 한계값을 충족한다.
이 결과는 자동차 전력 소자에서 EMI 규정 준수가 단일 기능에 의해 달성되는 것이 아니라 소자 아키텍처, 제어 전략, 시스템 구현의 상호작용을 통해 이루어진다는 점을 강조한다. 소프트웨어 구성 가능 스위칭 동작은 발생 지점에서 방출을 줄일 수 있으며, 견고한 감지 및 진단 메커니즘은 노이즈가 심한 상태에서도 기능을 유지하는 데 도움이 된다.
동시에 이 측정 결과를 통해 지능형 전력 소자의 주요 장점을 희생하지 않고도 CISPR 25 5등급과 같은 엄격한 표준을 충족할 수 있음이 확인된다. 이로 인해 스마트 퓨즈는 미래의 자동차 아키텍처, 특히 보호된 배전·진단·EMC 성능이 공존해야 하는 환경에서 실질적 선택지가 된다.



결론

EMI 감소는 현대 자동차 전력 소자의 핵심 요건이다. 이는 규제 준수, 안정적 작동, 기능 안전, 진단 무결성, 장기적 시스템 품질을 뒷받침한다. 자동차 아키텍처가 갈수록 전동화되고 소프트웨어 정의 방식으로 진화함에 따라, EMI를 고려한 설계의 중요성은 더욱 커질 것이다.
VNF9Q20SF와 같은 스마트 전자 퓨즈는 보호, 진단, 전자기 복원력을 단일 플랫폼에 통합할 수 있음을 보여준다. 엔지니어는 소프트웨어 기반 제어, 지능형 스위칭 동작, 견고한 시스템 통합을 통해 혹독한 자동차 운용 환경에 적합한 솔루션을 개발할 수 있다.


 

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참조
[1] VNF9Q20SF, 4-channel high-side driver with STi2Fuse protection for automotive power distribution applications.
[2] CISPR 25:2021, Vehicles, boats and internal combustion engines - Radio disturbance characteristics - Limits and methods of measurement for the protection of on-board receivers, Edition 5.0, Dec. 2021.
[3] R. Letor and R. Crisafulli, “Smart power devices and new electronic fuses compliant with new E/E architecture for autonomous driving,” AEIT International Conference of Electrical and Electronic Technologies for Automotive (AEIT AUTOMOTIVE), 2-4 July 2019.
[4] G. Gambino and S. Grasso, “Key strategies & design tips to ensure EMI compliance using intelligent power switches”, Whitepaper, Sep. 2025.

AEM(오토모티브일렉트로닉스매거진)

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