[첨단 헬로티]
차량추적시스템은 차 수량에 상관없이 모니터링하는 데 이상적이다. 추적시스템은 자동 추적 하드웨어와 데이터 수집(필요한 경우 데이터 전송 포함)을 위한 소프트웨어로 구성돼 있다. 글로벌 차량군(Fleet) 관리 시장 규모는 2015년 기준 80억 달러로 2022년까지 220억 달러를 넘어설 것으로 예상돼, 2016년부터 2023년까지 20% 이상의 연평균 성장률을 기록할 전망이다. 특히 라틴 아메리카, 중동, 아프리카 등의 지역에서 상업용 차량 수요가 증가하고 있고, 잠재적 성장 기회를 보여주고 있다.
차량추적시스템은 구축 비용이 높아 발전 속도를 늦추고 있지만 유럽과 북미 지역과 같은 선진국에서는 차량 내 IoT 기술의 통합이 차량추적시스템 도입률을 높일 것으로 예상된다. 더욱이, 아태지역 차량추적 시장 규모는 예상 기간 동안 상당한 성장을 기록할 것으로 보이며, 특히 일본, 인도, 중국이 성장을 견인하는 주요 국가가 될 전망이다. 이들 신흥 시장은 상업용 차량이 많기 때문에 잠재력이 높다.
추적기: 능동형 VS 수동형
능동형과 수동형 추적기는 데이터 수집 방식과 정확도가 동일하며 대표적 차이점은 시간이다. 실시간 추적기라고도 불리는 능동형 추적기는 위성이나 이동통신 네트워크를 통해 데이터를 전송하는 방식으로 차량 위치가 즉시 표시된다.
이는 실전에서 주행 중인 직원의 움직임을 컴퓨터 화면서 실시간으로 확인하는 방식의 모니터링에 관심 있는 기업체에게 맞는 선택이다. 또한 지오펜스 기능(힘의 작용 구간과 유사한 개념의 기능)을 갖고 있어, 차량이 미리 정해놓은 위치에 진입하거나 존재하면 경고를 보낸다. 또한 도난 방지 또는 도난 차량 환수에 도움이 된다. 물론, 능동형 GPS 추적 장치가 수동형보다 비싸며 매달 서비스 요금을 내야 한다.
반대로 수동형 추적기는 비용이 적고, 크기가 작으며 감추기가 더 쉽지만 데이터 저장이 제한적이라는 단점이 있다. 데이터를 원격 위치에 전송하는 대신 장치에 정보를 저장하기 때문에 정보를 보려면 추적기를 차량에서 제거해 컴퓨터에 꽂아야 한다. 이런 시스템은 업무 목적으로 이동 거리를 조회하려는 이들이나 차량 남용을 방지하는데 관심 있는 기업체들에게 좋다. 또한, 탐정 업무와 같이 사람들의 동작을 모니터링하는 데 선택되기도 한다. 수동형 추적기는 즉각적인 피드백이 필요하지 않고 정기적으로 장치 데이터를 확인할 수 있는 방안이 있는 경우에 좋은 선택이 된다.
두 가지 유형의 추적기는 기본적으로 휴대가 가능하고 폼팩터도 상대적으로 작은 편이다. 따라서, 전원이 끊어졌을 때 데이터를 보존할 수 있는 백업 기능만큼 배터리 전원이 필요하다. 배터리(대체적으로 단일전지 리튬이온 전지) 충전에 필요한 자동차용 시스템 전압과 전류는 상대적으로 높기 때문에, 리니어 배터리 충전 IC와 비교해 충전 효율성이 높고 전력 손실 시 열 발생이 적은 스위치모드 충전기가 바람직하다. 일반적으로, 임베디드 자동차용 애플리케이션은 입력 전압이 최대 30V이며 더 높은 경우도 있다.
이런 GPU 추적 시스템에서는 일반적인 12V 단일전지 리튬이온 배터리(일반적인 3.7V)가 적용된 충전기의 입력 전압이 높은 경우(배터리 과도출력으로 전압 과도현상 발생 시)에 대비한 추가 보호 기능이 있다. 따라서 일종의 백업 기능이 부가적으로 제공되는 것이 이상적이다.
배터리 충전 IC의 설계 문제
전통적인 리니어 토폴로지 배터리 충전기는 소형 크기, 단순함, 저렴한 가격으로 그 가치를 인정받기도 한다. 그러나 전통적인 리니어 충전기는 입력과 배터리 전압범위가 제한적이고, 상대적인 소모 전류가 높으며, 과도한 전력 손실(열 생성), 제한적인 충전 종료 알고리즘, 상대적인 효율성이 낮다는 점 등이 문제점으로 거론돼왔다.
반대로 스위치모드 배터리 충전기는 토폴로지, 유연성, 다양한 화학적 성질의 충전 방식, 충전 효율성이 높아 열은 최소화하면서 빠른 충전 시간이 가능하다는 점, 그리고 넓은 실행 전압 범위 때문에 인기가 있다. 스위칭 충전기 문제점은 상대적으로 높은 가격, 인덕터 기반 디자인의 복잡성, 노이즈 생성 가능성, 공간 차지 해결 솔루션의 대형화 등이 있다. 최근의 납축전지, 무선, 에너지 하베스팅, 태양 충전, 원격 센서, 임베디드 자동차용 애플리케이션에서는 앞서 언급한 장점 때문에 스위치모드 충전기가 대부분 사용된다.
전통적으로, 추적기 백업 전원 관리 시스템은 IC 여러 개로 구성된 배터리, 고전압 벅 레귤레이터, 배터리 충전기로 구성됐고 여기에 개별 부품이 더해지는 방식이라 하나의 소형 솔루션이라 보기는 어려웠다. 그래서 초기 추적 시스템은 폼팩터가 컴팩트하지 못했다. 추적 시스템의 대표적인 활용 사례는 자동차용 배터리, 저장과 백업용 1셀 리튬이온 배터리다.
그렇다면 추적 시스템을 위해 보다 직접화된 전원 관리 솔루션이 필요한 이유는 무엇일까? 시장에선 크기가 작을수록 더 바람직하다 볼 수 있기 때문에 추적기 자체 크기를 줄이기 위해서라도 전원 관리 솔루션은 필요하다. 더욱이, 배터리를 안전하게 충전하고 전압과도 현상에서 IC를 보호하기 위한 몇 가지 요건들이 있다. 일례로 시스템 전원이 사라지거나 작동하지 않는 경우의 시스템 백업용, 그리고 일반 패킷 무선 시스템(GPRS) 칩셋의 레일 전압이 최대 4.45V로 상대적으로 낮은 경우 이에 대한 전원 공급용으로 필요하기 때문이다.
전력 백업 관리자
앞서 강조된 목표를 해결할 수 있는 집적 전력 백업 매니저와 충전 솔루션은 다음의 요건을 갖춰야 한다.
- 고효율성을 위한 동기식 벅 토폴로지
- 다양한 입력 전력원을 수용할 수 있는 광범위한 입력 전압 범위와 고전압 과도현상에 대한 보호
- GPRS 칩셋을 지원하는 적절한 배터리 충전 전압
- 차량 내 충전 종료가 가능한 간단하고 자율적인 작동(마이크로컨트롤러 불필요)
- 정전 시 입력 전원 및 백업 전원 사이에 매끄럽게 전환이 가능한 파워패스(PowerPath) 제어(입력 단락 발생 시 역저지를 제공해야 함)
- 입력이 없거나 실패한 경우 시스템 부하 전원에 대한 배터리 백업 기능
- 공간 제약으로 인해 솔루션이 차지하는 공간이 소형에 눈에 띄지 않아야 함
- 향상된 열 성능과 공간 효율성을 위한 첨단 패키징
이런 구체적인 니즈를 해결하기 위해 아나로그디바이스는 LTC4091을 도입했다. LTC4091은 3.45V-4.45V 공급 레일을 위한 완전한 리튬이온 배터리 백업 관리 시스템으로, 주요 전원 장애가 길어지는 동안 활성화 상태를 유지한다. 또한 적응식 출력 제어를 갖춘 36V 모놀리식 벅 변환기를 사용해 시스템 부하에 전원을 공급하고 벅 출력을 이용한 고효율 배터리 충전을 가능하게 한다. 외부 전원이 있는 경우, 기기가 단일전지 4.1V-4.2V 리튬이온 배터리에 대해 최대 2.5A 전체 출력 전류 및 1.5A 충전 전류를 제공할 수 있다.
1차 입력원에 장애가 있어 부하에 전력 공급이 더 이상 불가능한 경우, LTC4091은 내부 다이오드를 통해 백업 리튬이온 배터리에서 최대 4A를 시스템 출력 부하에 공급하며 외부 다이오드 트랜지스터가 사용되는 경우 상대적으로 제한적인 전류를 공급한다. 민감한 다운스트림 부하를 보호하기 위해 최대 출력 부하 전압은 4.45V이다. LTC4091 파워패스(PowerPath) 제어는 전력 공급 장애 발생 시 입력 전원과 백업 전원 사이에 매끄러운 전환 기능을 제공하며 입력 전압 쇼트시 보호도 가능하다. LTC4091의 일반적인 활용 사례는 차량, 자산 추적, 자동차 GPS 데이터 기록, 텔레매틱 시스템, 보안 시스템, 통신, 산업용 백업 시스템 등이 있다.
LTC4091에는 60V 최대치 입력 과전압 보호 기능이 포함돼 있어 IC가 입력 전압 과도 현상에 영향을 받지 않는다. LTC4091 배터리 충전기는 리튬이온 배터리 백업 활용에 최적화된 두 개의 핀 선택식 충전 전압(표준 4.2V, 그리고 배터리 작동 시간 대신 충·방전 주기 수명 증가를 고려한 4.1V 옵션)을 제공한다. 기타 기능으로는 소프트스타트, 가동, 과부하 시 출력 전류를 제어하기 위한 주파수 폴드백, 그리고 세류 충전, 자동 재충전, 배터리 부족 시 선충전, 충전 타이머 종료, 온도 조절, 온도 제한 방식 충전을 위한 서미스터 핀 등이 있다.
LTC4091은 낮은 프로파일의(0.75mm) 22-리드 3mm x 6mm DFN 패키지에 우수한 열 성능을 위해 뒷면에 금속 패드가 장착된다. 작동 온도는 영하 40℃부터 125℃까지이며 [그림 1]은 일반적인 애플리케이션의 도식을 보여주고 있다.
▲ 그림 1.LTC4091의 일반적인 애플리케이션 도식.
온도 조절 보호 기능
IC 또는 주변 부품의 열 손상을 예방하기 위해, 다이의 온도가 105℃까지 오르는 경우, 내부 열 피드백 루프가 프로그램돼 있는 충전 전류를 낮춘다. 온도 조절을 통해 LTC4091은 높은 동력 조작 또는 높은 주변 열 상태로 인한 과도한 온도로부터 보호되며 사용자는 LTC4091이나 외부 부품의 손상 가능성 없이 주어진 회로 보드 설계를 통해 전원처리 기능의 한계까지 최대한 시도할 수 있다. 온도 조절 루프의 장점은 충전 전류를 실제 조건에 따라 설정할 수 있다는 점으로, 최악의 상황 시 배터리 충전기가 전류를 자동 차단을 보장해야 한다.
자동 콜드 크랭크 작동 유지 기능
자동차용 애플리케이션에서는 콜드 크랭크 발생 사례처럼 급격한 공급 전압 감소가 나타날 수 있는데 이로 인해 고전압 스위치 레귤레이터가 조절력을 잃으면서 과도한 VC 전압과 이로 인한 VIN 회복 시 과도한 출력 오버슈트 등이 발생할 수 있다. 콜드 크랭크 현상으로부터 회복하는 과정에서 오버슈트를 예방하려면 RUN/SS 핀을 통해 LTC4091 소프트스타트 회로를 재설정해야 한다. [그림 2]에서는 절전 시기(Brown-out) 상태를 자동 감지하고 RUN/SS 핀을 재설정해 소프트스타트 기능을 다시 활성화하는 동시에 손상을 줄 수 있는 출력 오브슈트 현상을 예방하는 간단한 회로를 보여주고 있다.
▲ 그림 2.콜드 크랭크 작동 유지(Ride-through) 회로
결론
자동차와 차량 추적 시스템 도입의 증가로 최근의 추적기 폼팩터는 소형화됐으며, 기능은 실시간 추적을 위한 능동적인 데이터 전송까지 포함하도록 늘어났다. 더불어 백업 기능과 시스템 GPRS 칩셋에 대한 저전압 전력 공급도 요구된다. 아나로그디바이스 LTC4091은 고전압, 고전류 벅 배터리 충전기 겸 파워패스(PowerPath) 백업 매니저로 온도 조절과 다양한 보호 기능을 갖추고 있으며, 차량 추적에 활용될 수 있도록 단일칩의 강력하고 유연한 소형 솔루션으로 구성돼 설계자의 작업을 더욱 간단하고 편리하게 해준다.
글 : 스티브 노스(Steve Knoth) 아나로그 디바이스 파워바이리니어 그룹 제품 마케팅 선임 엔지니어
