2021년 9월 20일 월요일

T 기술기고문

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자동차 디스플레이의 기능적 안전성 요건을 충족하는 방법

자동차 디스플레이는 차량 내부의 주요 기능으로 자리잡으면서 차량 성능에 대한 중요한 정보와 플레이리스트 등의 엔터테인먼트 옵션, 네비게이션 및 통신 기능을 제공한다. 일부 완성차 업체들의 경우 디스플레이로 사이드미러와 백미러까지 대체하고 있다. 이처럼 디스플레이가 중요해지면서 디스플레이의 기능적 안전성 기준 충족은 필수요건이 됐다. 이 백서는 자동차 디스플레이의 안전성 기준을 충족하기 위해 설계 측면에서 필요한 것이 무엇인지 살펴본다.

글: 스즈캉 시엔(Szukang Hsien) 맥심 오토모티브 사업부 총괄 비즈니스 매니저

최근 출시된 차량 대다수에는 실내에 태블릿 PC보다 큰 터치스크린이 장착되어 있다. 중앙 정보 디스플레이(CID) 역할을 하는 이 화면은 차량 속도, 주행 방향, 사전 설정된 라디오 채널, 운전자의 전화번호부, 주변 차량 위치를 알려주고, 전기 자동차의 경우 배터리 잔량 등도 표시된다. 차량 디스플레이의 크기가 TV처럼 대형화되면서 그 해상도도 높아지고 있다. 애널리스트들은 디스플레이의 크기가 8인치 이상으로 확대되고 있고 2021년까지 차량 내부 디스플레이가 49인치까지 커질 것으로 전망하면서 견조한 성장세를 예상하고 있다. 4K 해상도를 넘어 8K 해상도가 표준이 될 것이며 명암비 기술도 향상될 것이다. 뿐만 아니라 많은 차량에 최대 8인치의 디스플레이가 탑재되면서 머지않아 최대 12인치의 디스플레이가 중앙 정보 디스플레이(CID), 헤드업 디스플레이(HUD), 계기판, 미러 등의 역할을 수행하게 될 것이다. 

디스플레이의 선명도와 신뢰성이 중요해짐에 따라 자동차 기능적 안전성 표준을 충족하기 위해 디자인 관점에서 이 모듈에 요구되는 것은 무엇일까? 이 글에서는 크고 선명한 차량 디스플레이를 생산하기 위해 LED 백라이트 드라이버 및 오토모티브 전력관리 IC(PMIC)에 요구되는 품질 요소에 대해 설명한다.


[그림 1] 핵심적인 주행/노면 정보를 제공하는 차량 디스플레이가 대형화되고 해상도도 높아지면서 기능적 안전성 표준을 준수하는 것이 매우 중요해지고 있다.

디스플레이 모듈 설계에 대한 주요 과제
TFT(Thin-film transistor)-LCD(Liquid Crystal Display) 기술은 특히 중앙 콘솔 디스플레이와 계기판 등의 차량 디스플레이에 일반적으로 사용되고 있다. 이 디스플레이는 디스플레이 글라스 위에 아주 작은 스위칭 트랜지스터와 커패시터가 매트릭스 형태로 배열되어 있는 것이 특징이다. TFT는 스위치처럼 작동하고 액정은 커패시터과 유사한 기능을 수행한다. 스위치가 켜지면 소스 라인의 시그널이 액정 커패시터에 추가되거나 기록된다. 소스 라인은 화면을 생성하기 위해 커패시터에 신호를 보내 액정 분자의 편각을 통제한다. 기존 커패시터를 액정 커패시터와 병렬로 연결하면 유지 특성이 향상하는 효과가 있다. 게이트 라인은 TFT의 온오프를 제어하는데, 스위치가 오프인 경우에는 시그널이 액정 커패시터에서 유출되는 것을 방지한다. 

기능적 안전 규격 준수를 달성하는 것 외에, 차량 디스플레이 모듈 설계 시 고려해야 할 과제도 있다. 

먼저 콜드크랭크 상황에서 깜빡임을 방지해야 한다. 깜박임은 디스플레이의 무결성을 저해하므로 위험하다. 차량이 냉각된 상태에서 시동을 걸면 주변 온도가 낮아 엔진이 회전하기 시작하면서 차량의 배터리 전압이 낮아져 디스플레이가 깜빡이게 된다. 이러한 깜빡임을 방지하기 위해 디스플레이 백라이트의 LED에 전원을 공급하는 LED 드라이버가 탑재되어 있어야 한다. 

대형 디스플레이에 더 높은 전류 공급이 필요하다. 디스플레이의 크기가 크면 클수록 LED에 전원을 공급하는 전압을 생성하는데 더 높은 전류가 필요하다. 소형 스크린의 경우 타이밍 컨트롤러(TCON)가 전류 공급 요구사항을 원활하게 지원하지만, 8인치 이상의 디스플레이에는 별도의 TFT 바이어스 또는 PMIC가 있어야 한다. 일반적으로 LED 10~11개가 직렬로, 4개의 LED가 병렬로 연결되어 있는 8~14인치의 디스플레이의 경우 채널 당 최대 150mA의 전류가 필요하다. 

또한 주변의 여러 조도에 따라 화면을 잘 볼 수 있도록 하는 적절한 단계로 밝기를 조절할 수 있어야 한다. 햇살이 매우 강한 날에 차량을 운행하는 경우 디스플레이는 운전자에게 가시성을 제공하기 위해 더 높은 전류를 필요로 한다. 이와 반대로, 차량이 터널과 같은 어두운 장소를 통과하는 경우 전류가 너무 높으면 화면이 너무 밝게 보인다. 전류량은 디스플레이의 가독성에 맞춰 조절할 수 있어야 한다. 

전자기 적합성 요건도 부합해야 한다. 전자기 간섭(EMI)는 내외부의 RF 전기 잡음으로부터 발생한다. 확산대역 주파수 변조, 위상 변위, 게이트 슬루율(slew rate) 제어 등의 기능을 갖춘 LED 백라이트 드라이버가 EMI를 줄이는데 도움이 될 수 있다.

많은 오토모티브 엔지니어들은 비용과 솔루션 크기를 항상 염두에 둔다. 여러 기능이 결합된 소형 부품은 이러한 목표를 달성에 도움이 될 수 있다.

디스플레이에 대한 기능적 안전성 표준의 중요성
도로에서 후진을 할 때에는 후방 카메라 화면이 최대한 선명한 것이 좋다. 영상이 멈추거나 깜빡이면 보행자나 자전거 통행 장면 등을 놓칠 수도 있다. 저녁 시간 매우 어두운 도로를 주행하는 경우에는 화면이 너무 밝으면 좋지 않다. 특히, 헤드업 디스플레이나 계기판 애플리케이션의 경우 조명 시스템의 LED 라인에 오류가 발생해도 동일한 밝기를 유지하도록 하는 것이 매우 중요하다. 앞서 말한 예는 차량 디스플레이의 기능적 안전성이 중요한 여러가지 이유 중 하나다. 

ISO 26262는 차량 전자/전기 시스템의 기능적 안전성에 대한 국제 표준을 제시한다. ISO 26262의 중요한 요소 중 하나는 차량 안전 무결성 수준(ASIL)으로, 오토모티브 시스템에 내재되어 있는 안전성 위험을 분류하고 있다. ASIL에는 4가지 단계가 있으며, 각 단계는 심각성(부상), 노출(가능성), 통제성에 따라 결정된다. 차량 디스플레이는 일반적으로 ASIL B에 해당한다(가장 높은 단계는 ASIL D). 계기판 디스플레이는 전력 관리용 TFT 바이어스와 LED 백라이트 드라이버는 ASIL B 가이드라인을 준수하는 두가지 블록의 예이다.

TFT 바이어스는 TFT 소스드라이버를 위한 AVDD 및 NAVDD 전압, TFT 게이트 드라이버를 위한 VGON 및 VGOFF 전압, LCD 백패널을 위한 VCOM 전압(TCON이 전류 요구사항을 지원하지 못할 경우 필요)으로 구성된다. 이 블록에는 마이크로컨트롤러와의 통신에 필요한 I2C 인터페이스와 오류 핀(Fault pin)도 있다. 일반적인 TFT 바이어스 오류 시나리오로는 VCOM 범위 초과, VGON 전압에서의 과전압 상태, 오픈 인에이블 핀이 있는 고장안전 작동 등이 있다. ASIL B 요건 준수를 위해 TFT 바이어스 블록은 다음과 같은 요소가 탑재되는 것이 좋다. 

조절을 설정하고 각 레일을 진단할 수 있도록 I2C (데이터 시그널 및 클록 시그널) 및 오류 핀과 마이크로컨트롤러가 탑재되어야 한다. 각 레일에 대한 저전압 및 과전압 모니터링과 내부 저항기를 통한 고정 전압 또는 I2C를 통한 조절식 전압, 잉여 레퍼런스(Redundant reference), 추가적인 리던던시(redundancy)를 위한 오류 인에이블(Fault enable)이 필요하다. 

LED 백라이트 드라이버는 일반적으로 입력부는 출력이 단락될 경우 전압을 보호해주는 자동차 배터리에 직접 연결된다. 출력은 라인당 LED 개수에 따라 부스트 또는 SEPIC(single-ended primary-inductor converter)가 될 수 있다. 마이크로컨트롤러와의 통신은 I2C 인터페이스와 오류핀을 통해 이루어진다. 마이크로컨트롤러는 오류 여부를 판단하기 위해 I2C를 통해 저항값을 읽는다. 일반적인 LED 드라이버 오류 시나리오는 라인 1은 LED가 개방되어 있고 라인 1은 LED가 단락되어 있는 경우가 될 수 있다.

LED 드라이버의 ASIL B 요건으로 조절을 설정하고 각 레일을 진단할 수 있도록 I2C (데이터 시그널 및 클록 시그널) 및 오류 핀과 마이크로컨롤러가 탑재되어야 한다. 출력 전압 및 라인당 LED 전류 측정, 리던던시를 위한 오류 인에이블, 잉여 레퍼런스가 필요하다. 

적절한 전력관리 IC가 큰 차이를 만든다 
ASIL B 규격에 준수하도록 설계된 차량 디스플레이용 전력관리 IC에는 다양한 유형이 있다. ASIL B 요건과는 별도로 자동차 전력관리 IC의 특성을 면밀히 고려하면 디스플레이 모듈 디자인과 관련해 앞서 언급한 당면 과제들을 해결할 수 있다. [그림 2]는 맥심 인터그레이티드가 ASIL B 등급의 여러 기능적 안전성 솔루션을 제공하는 일반적인 차량 디스플레이의 선형도이다.


[그림 2] ASIL B 차량 디스플레이 선형도 예시

예를 들어 LED 백라이트에 사용되는 MAX25024는 ASIL B 규격의 4-채널 백라이트 드라이브로, 통합 전류 출력이 각각 150mA LED 전류를 싱크할 수 있다. 이 제품의 I2C 인터페이스는 LED 개방/단락 감지, 부스트 출력 전압의 OV/UV, 각 채널의 전류, 입력 전류 측정 등의 종합적 진단 정보를 제공한다. MAX25024는 2.5V~36V 범위의 입력 전압을 수용하며 차량 로드덤프를 견딜 수 있다.

또한 맥심 인터그레이티드는 디스플레이 애플리케이션을 위한 업계 최초의 차량용 전력 관리 IC(PMIC)를 공개했다. MAX16923은 감시 기능이 탑재된 4-출력 디스플레이 전력 솔루션을 제공하는데, 이 솔루션은 차량용 TFT 디스플레이의 메인 레일을 수용할 수 있도록 설계되어 있다. 이 제품에 내장된 고전압 벅 컨버터는 배터리 전압을 5V 또는 3.3V 중간 레일로 변환하는 한편 고전압으로 상시 작동하는 낮은 대기전류의 선형 레귤레이터가 3.3V에서 전력을 공급한다. MAX20067은 TFT 바이어스 전력을 위해 3-채널 디스플레이 바이어스 IC를 I2C 인터페이스 및 AVDD, VGH, VGL, VCOM 버퍼와 함께 제공한다. 이 제품은 방대한 진단기능으로 AVDD, VGH, VGL의 과전압 및 저전압을 감지함으로써 시스템이 ASIL B 기준을 쉽게 충족하도록 지원한다.

저전압 및 고전압 DC-DC 컨버터 역시 기능적으로 안전한 차량용 디스플레이의 전력 시스템에 핵심적인 요소이다. MAX20079는 대기 전류가 3.5µA에 불과한 36V, 3.5A 벅 컨버터를 제공한다. 하이측, 로우측 스위치가 내장된 이 디바이스는 4mm x 4mm SW-TQFN 패키지로 출시되며 EMI 성능이 뛰어난 저소음 솔루션을 제공한다. MAX20077은 MAX20079와 사양은 유사하지만, 2.5A이며 3mm x 3mm TDFN 패키지로 출시된다.

MAX16126은 디바이스 보호를, MAX20480은 전력 모니터링을 위한 제품이다. MAX16126은 로드덤프/역전압 보호 회로로 차량의 과도전압으로부터 전원을 보호해준다. MAX20480은 7-채널 전력 시스템 모니터로 챌린지/리스폰스(challenge/response) 워치독이 탑재되어 있다. 이러한 기능은 각각의 전원이 ASIL B 규격을 충족하지 않고도 전체 시스템이 ASIL B를 준수하도록 한다. 맥심은 진단 기능을 갖추고 ASIL B 규격의 전력 시스템을 지원하는 저전압 트리플 DC-DC 컨버터 제품도 제공한다. 차세대 기가비트 멀티미디어 직렬 링크(GMSL) SerDes IC는 ASIL B 규격 솔루션을 통해 대역폭 집약적 비디오는 물론 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)처럼 디스플레이에 기반한 애플리케이션을 위한 오디오도 제공한다.

완성차 업체들은 차량에 더 크고 더 많은 디스플레이를 탑재하고 있으며 디스플레이는 운전자에게 주위 환경에 대한 필수 정보와 차량 성능 등을 제공하고 있기 때문에 기능적 안전성은 차량 디스플레이에서 중요한 평가기준으로 자리잡고 있다. 리던던시 및 진단 모니터링 등의 기능을 통합해 설계된 자동차 전력 IC는 운전자의 주행과 관련한 모든 환경에서 ADAS, 중앙 정보 디스플레이, 사이드미러 디스플레이 등이 의도한 대로 작동하도록 하기 위해 다양한 용도로 도움을 줄 수 있다.