PCB에 실장되는 부품의 전체 수가 적다고 하더라고, 여전히 자동차 공급업체들이 포텐쇼미터를 이용해 동급의 어셈블리 이상으로 제조하는 것은 훨씬 더 복잡한 어셈블리이다. 이 기고글에서는 SiP(System-in-Package)로 생산된 완벽한 MPOS 시스템을 사용해 자동차 공급업체가 마그네틱 위치 감지를 구현할 경우 PCB 어셈블리를 생산할 필요가 없다는 사례에 대해 살펴본다.
각(회전) 또는 리니어 모션(linear morion)을 매우 정확하고 정밀하게 측정해야 하는 자동차 애플리케이션에서 마그네틱 위치 센서(MPOS, magnetic position sensor)는 부품 방식을 대체할 수 있는 매력적인 선택으로 떠오르고 있다. MPOS는 자동차 공급업체가 안전과 효율에 대한 완성차 업체의 요구를 만족할 수 있도록 지원하여, OEM업체들이 ISO 26262(기능 안전 부문)와 같은 산업 표준 규격뿐 아니라 정부에서 규정하는 연료 효율 표준을 준수할 수 있다.
또한 MPOS는 리졸버와 포텐쇼미터와 같은 여타 부품 방식보다 뛰어나고 매우 높은 수준의 전기적, 기계적, 환경적 견고성을 제공한다. 자동차 공급업체가 MPOS를 사용하면 더 작고 비용 효율적이면서, 보다 높은 정확도로 회전을 측정하는 제품을 개발할 수 있다.
전통적으로, 통합형 측정 솔루션은 MPOS IC와 함께 PCB에 장착되는 소수의 외부 부품으로 구성된다. PCB는 측정이 필수적인 샤프트(shaft) 또는 회전자의 말단에 장착되는 2극 자석에 보통 수직으로 고정된다.
더욱 견고한 패키지, 더 간편한 실장 실현
MPOS는 전자 회로에서 안전하고 신뢰성 있는 기능을 수행할 수 있도록 소수의 외부 부품이 필수적이다. 애플리케이션 회로의 일반적인 예는(이 경우 ams의 AS5162 자동차 회전 위치 센서 적용)그림 1에서 볼 수 있다.
▲ 그림 1. ams의 AS5162 회전 MPOS를 위한 일반적인 애플리캐이션 회로 보드
자동차 공급업체가 페달 위치 감지 모듈과 같은 제품을 구현하기 위해서는 위치 센서, 저항, 커패시터 및 기타 필수적인 보호 디바이스를 포함한 보드를 설계하고 레이아웃 및 어셈블리 과정을 거친 후, 이 부분을 시스템의 나머지 부분에 연결해야 한다.
그러나 만약 MPOS가 SiP 방식으로 제공된다면, 이러한 요건은 필요없게 된다. 즉, 그림 1에 보이는 전체 애플리케이션 회로는 단일 패키지 장치로 통합될 것이다.
이것은 센서 및 관련 부품이 차지하는 풋프린트를 줄여줄 뿐만 아니라 제조업체가 PCB를 개발하고 조립할 필요도 없애준다.
SiP 패키지 기술은 MPOS 솔루션이 최종 제품 내에 탑재되기 때문에 애플리케이션의 견고성과 성능면에서 중요한 장점을 갖는다. 그러나 PCB와 함께 구성되는 위치 감지 회로는 완벽하게 밀폐되지 않는다. PCB와 실장(hosing)이 애플리케이션에 대해 개별적인 부품들이기 때문에, 일반적으로 실장은 몰딩되고, PCB를 별도의 유닛으로 실장 커버로 연결된다(그림 2 참조). 따라서 생산 라인에서 커버와 실장, 이 두 개의 부품을 서로 붙여야 한다.
▲ 그림 2. 회전 위치를 측정하는 애플리케이션에서 마그네틱 위치 센서의
일반적인 구현
또한 회전 MPOS 애플리케이션에서 정확한 각도 측정을 위해서는 센서 IC를 샤프트 또는 회전자 끝에 있는 회전 자석과 정밀하게 정렬해야 한다. PCB를 커버에 부착할 경우 하우징과 관련된 커버 위치의 모든 편차가 센서 IC로부터 출력의 편차(부정확성)를 초래할 수 있다.
이밖에 커버와 실장 사이에 절연체(isolator)가 필요하다. 이러한 절연체는 오일이나 물과 같은 액체가 유입되지 못하도록 보호하기 위해 완벽하게 밀폐된 어셈블리를 필요로 하는 매우 열악한 환경에서는 마그네틱 위치 센서를 사용할 수 없게 한다. 이러한 경우 실장된 내부의 부품을 보호하기 위해 실장과 커버 사이에 추가적인 실링이 필요하며, 이와 같은 별도의 실링은 생산 공정에 비용과 복잡성을 추가한다.
반면 그림 3은 SiP으로 구현된 MPOS가 어떻게 완벽하게 오버몰딩된 실장(housing) 내부에 들어가는지 보여준다. 이 밀폐된 어셈블리는 액체의 유입을 막아주므로 가장 열악한 자동차 환경에 적합하다. 또 밀폐된 어셈블리에 대한 고장 분석을 매우 빠르고 간편하게 수행할 수 있다.
▲ 그림 3. 완벽하게 밀폐된 실장을 구현하는 SiP
EMC 대책
PCB가 필요없는 SiP 솔루션의 한 가지 발생가능한 단점은 EMC(electromagnetic compatibility) 발생과 높은 과도 전압에 의해 손상받기 쉽다는 점이다. 최근의 전통적인 PCB를 사용하는 디스크리트 MPOS 구현은 과도 전압에 대한 회로의 내성을 증가시키기 위해 주로 멀티 레이어 접지면이나 특별한 보드 레이아웃 기법과 같은 특수한 대책 기법을 사용한다.
SiP는 몰드 패키지로 제공되는 완벽한 회로이므로 EMC 발생에 대한 취약성을 제거하기 위해 MPOS 가까이 부품을 추가하거나 보드 레이아웃을 변경할 수 없다. 따라서 SiP를 사용하는 경우에는 시스템 레벨 EMC 요구사항을 만족하는지 신중하게 확인하고 선택해야 한다.
공급망 간소화
지금까지 성능과 관련된 SiP 구현의 장점을 살펴보았지만 SiP는 디스크리트 MPOS 설계보다 더 작고 단순한 공급망을 갖기 때문에(그림 4와 5 참조) 설계 엔지니어 뿐만 아니라 생산 엔지니어에게도 장점을 제공한다.
▲ 그림 4. 디스크리트 MPOS 솔루션의 간소화된 공급망
▲ 그림 5. SiP MPOS 솔루션의 간소화된 공급망
SiP는 다음과 같은 장점을 갖는다.
• PCB 공급업체가 수행해야 할 요구사항 없음
• MPOS를 지원하는 외부 부품(커패시터, 저항 등)을 위한 공급망을 SiP 제조업체에서 담당
이러한 장점은 자동차 공급업체의 품질 보증, 구매 및 생산에 대한 전체 과정을 크게 간소화시켜준다.
ams - SiP에서 MPOS 회로 구현
ams는 최신 MPOS 기술과 디스크리트 디커플링 부품을 단일 패키지에 모두 통합한 AS5171 SiP 제품(그림 6)을 출시했다.
▲ 그림 6. ams AS5171 SiP 마그네틱 위치 센서
이 패키지는 전원 핀(VDD), 그라운드 핀(GND), 출력 핀(OUT)의 단 3개 외부 핀만 갖는다. 출력은 다양한 통신 프로토콜을 지원하므로 시스템 설계자가 자유롭게 선택할 수 있다. 이들 3개 핀에 대한 연결은 납땜 또는 용접할 수 있어 생산에 완벽한 유연성을 제공한다(그림 7 참조).
▲ 그림 7. 용접 단자를 갖는 마그네틱 위치 센서 모듈
패키지 바디는 외부 수동 부품을 포함하고 있으며, 패키지 헤드는 자기적으로 민감한 부분인 센서 IC만 포함한다. 애플리케이션에서는 자화된(magnetized) 자석이 헤드에 놓이며, 그 사이는 지정된 공극(air gap)을 갖는다. 센서의 각도 측정은 출력 핀에서 생성된다.
AS5171 SiP는 내부 연결을 갖는 2개의 몰드 바디로 구성되므로 다양한 방식으로 장착할 수 있으며, 내부 및 외부 연결을 다른 방향으로 구부릴 수 있다(그림 8 참조). 그림 6에 보이는 상단 핀은 전기적 기능을 갖고 있지 않으며, 안정적으로 장착을 고정시키는 데 사용할 수 있다.
▲ 그림 8. AS5171의 유연한 장착 옵션 예
신뢰할 수 있는 안전한 동작을 보장하는 방법
완성차 업체는 자동차 공급업체에서 제작하는 제품의 품질, 신뢰성 및 기능 안전에 대해 매우 높은 표준을 설정해 놓고 있다. 마그네틱 위치 센서의 동작에서는 특히 시스템 성능에 대한 다음 두 가지 파라미터가 중요하다. 심각한 전자기 발생을 견디는 내성과 표류 자기장에 대한 내성이다.
안전 상의 이유로 Tier 1 공급업체는 시스템이 전자기 간섭을 견딜 수 있다는 것을 입증해야 한다. AS5171은 리드프레임(패키지) 설계를 결합하고 있는데다 외부 부품(바디에 위치)을 센서 IC(헤드에 위치)로부터 분리하고 있어 Tier 1 공급업체가 EMC 및 ESD(electro-static discharge) 표준을 만족할 수 있게 도와준다. 이것은 실제로 SiP 구현이 갖는 장점의 하나다. SiP 구현은 모든 필요한 보호 디바이스를 포함하며, 사용자가 PCB를 설계할 필요가 없는 완벽한 회로다.
다음으로, ams SiP 설계는 전기적 왜곡이나 손상으로부터 디바이스를 안전하게 보호하도록 보장한다. 그러나 많은 마그네틱 위치 센서는 표류 자계로부터 자기 간섭의 위험을 받는다. 자동차 환경은 특히 자동차 엔진 베이에서 전기 모터, 솔레노이드 및 기타 장치에서 발생하는 매우 강력한 자기장이 형성된다.
표류 자계는 센서의 2극 자석의 자기장과 간섭을 일으켜 많은 IC의 각도 측정을 훼손할 수 있다. 이러한 오류는 무작위 특성으로 인해 호스트 ECU나 마이크로컨트롤러로 보상할 수 없다.
따라서 시스템 설계자는 IC를 차폐해야 하는데, 이는 BoM과 어셈블리 비용을 증가시키고, 공간 제약형 애플리케이션에서 기계적 설계를 제한할 수 있다.
차폐는 표류 자계 간섭의 위험에 대응하는 매우 만족스럽지 못한 방법이며, 더욱이 자동차 제조업체가 모터 시스템 내에 표류 자계에 대한 내성을 설계하도록 의무적으로 규정하고 있는 ISO 26262 기능 안전의 적용으로 인해 더욱 매력을 잃고 있다.
AS5171을 포함해 ams의 모든 마그네틱 위치 센서는 최대 25,000A/m의 표류 자계에 대한 완벽한 내성을 제공하는 특허 획득 차동 감지 기술을 탑재하고 있어 특히 자동차 애플리케이션에 매우 적합하다. 이 기술은 25,000A/m 임계값 미만의 표류 자계에 대해 차폐 필요를 없애준다.
실제로 AS5171은 ISO 26262 표준을 완벽하게 준수하며 SEooC(Safety Element out of Context) 규격에 따라 개발돼 안전에 핵심적인 모든 애플리케이션의 통합된 안전 메커니즘과 ASIL 등급을 지원한다.
결론과 전망
ams에서 SiP 기술을 적용한 마그네틱 위치 센서를 출시함으로써 이제 자동차 제조업체는 자체적인 PCB를 설계하지 않아도 비용 효율적이며 소형이면서 견고한 디바이스를 사용해 성능, 신뢰성 및 안전에 대한 OEM 요구사항을 만족할 수 있게 됐다.
이 SiP는 가장 먼저 AS5171A 및 AS5171B 자동차 마그네틱 위치 센서로 출시됐다. 이들 제품은 AEC-Q100 등급 0 인증을 받았으며 섀시, 쓰로틀, 페달 및 연료 레벨 센서의 애플리케이션을 지원한다. 이 AS5171 제품들은 ams에서 ‘7x’ 제품군으로 선보이는 첫 번째 센서다. 새로 출시된 이 ‘7x’ 제품군은 새로운 패키지 방식을 사용하며, 아날로그, SENT, PWM, PSI5를 포함해 다양한 인터페이스를 활용할 수 있다.
요약
각(회전) 또는 선형 운동을 매우 정확하고 정밀하게 측정해야 하는 자동차 애플리케이션에서 마그네틱 위치 센서(MPOS, magnetic position sensor)가 부품 방식을 대체하는 매력적인 선택으로 떠오르고 있다. MPOS는 자동차 공급업체가 최고 수준의 안전과 효율 표준을 만족하는 시스템에 대한 완성차 업체의 요구를 만족할 수 있게 도와주므로 OEM이 ISO 26262(기능 안전 부문)와 같은 산업 표준 규격 뿐만 아니라 정부에서 규정하는 연료 효율 표준을 준수할 수 있게 한다.
또한 MPOS는 여타 부품 방식보다 뛰어난, 매우 높은 수준의 전기적, 기계적, 환경적 견고성을 제공한다. 자동차 공급업체가 MPOS를 사용하면 더 작고 더 비용 효율적인 제품을 개발할 수 있다.
전통적으로, 완전한 측정 솔루션은 MPOS IC와 함께 PCB에 장착되는 소수의 외부 부품으로 구성된다. PCB에 장착되는 전체 부품 수가 적긴 않지만, 여전히 이것은 포텐쇼미터로 구현하는 완전한 시스템보다 자동차 공급업체가 생산하기에 더 복잡한 어셈블리이다.
지금까지 SiP(System-in-Package)로 생산된 완전한 MPOS 시스템을 사용하는 경우를 살펴보았다. 자동차 공급업체가 MPOS 시스템을 사용하면 마그네틱 위치 감지를 구현할 경우 PCB 어셈블리를 생산할 필요가 없다.
저자 소개
Roland Einspieler는 2004년 ams에 고전압 ASIC 평가 엔지니어로 입사했다. 2010년에 마그네틱 위치 센서를 사용하는 주요고객을 지원하는 수석 애플리케이션 엔지니어로 임명됐다. 2014년 이후 마그네틱 위치 센서 제품 매니저로 있으면서 자동차 시장을 위한 신제품 정의에 주력하고 있다. 전기공학 학위를 받았다.
Markus Zieserl은 2013년 ams 에 애플리케이션 엔지니어로 입사했다. 자동차 시장을 위한 마그네틱 위치 센서를 담당하고 있다. 오스트리아 그라츠의 응용 과학 대학FH CAMPUS02에서 전기공학 학위를 준비하고 있다.
롤란드 엔스필러(Roland Einspieler), 마르쿠스 지슬(Markus Zieserl) ams
