[기고] 강력한 GMR 각도 센서, 자동차 및 산업용 애플리케이션 기능안전 달성하다

2020-10-12
글/ Jurgen Mann, 프로덕트 마케팅 매니저 센서, 인피니언 테크놀로지스

ISO 26262 에 맞게 개발된 싱글 다이 및 듀얼 다이 제품

다양한 애플리케이션의 요구를 충족하기 위해서 인피니언은 다양한 기술을 적용한 각도 센서 제품을 제공하며, 모든 수준의 기능안전에 적합한 제품을 제공하고 있다. 특히 최고 수준의 기능안전을 요구하는 애플리케이션에 적합한 듀얼 칩 각도 센서 제품을 소개한다.




산업용과 자동차 애플리케이션에서 다양한 작업들은 정확한 위치 계산을 위한 빠르고 정밀한 각도 측정을 필요로 한다. 또한 프로세스 제어, 로봇, 자동차 등의 애플리케이션은 높은 수준의 기능안전을 달성해야 한다. 중복성 구현을 통해 애플리케이션의 높은 가용성을 달성할 수 있으며, 즉, 어느 한 장치에 고장이 발생하더라도 시스템이 계속해서 작동할 수 있도록 하는 것이다.

이러한 다양한 애플리케이션의 요구를 충족하기 위해서 인피니언은 다양한 기술을 적용한 각도 센서 제품을 제공하며, 모든 수준의 기능안전에 적합한 제품을 제공하고 있다. 특히 최고 수준의 기능안전을 요구하는 애플리케이션에 적합한 듀얼 칩 각도 센서 제품을 제공한다. 이들 제품은 ISO 26262에 맞게 개발되었으며 모든 필요한 도큐멘테이션을 제공한다. 최근에 산업용 및 자동차용으로 TLE5014 시리즈가 XENSIV™ GMR 각도 센서 제품군에 추가되었다(그림 1).



AMR(Anisotropic Magnetoresistive), GMR(Giant Magnetoresitive), TMR(Tunnel Magnetoresitive) 같은 자기저항 센서 기술에 기반 한 각도 센서는 홀 센서를 대체할 수 있는 강력한 대안을 제공한다. 앞서 언급한 자기저항 센서 기술은 특정 애플리케이션에서 각각의 기술적인 장점을 보인다. 이론적으로 이들 센서는 모노리딕으로 통합된 다수의 자기저항 소자들(MR) 의 저항변화에 의한 사인 및 코사인 각도 신호를 기반으로 자기장의 방향을 감지한다.

이러한 소자들의 저항변화는 외부 자기장 변화에 의해 발생하게 된다.
일반적으로 GMR 센서는 2개의 미세한 연자성층과 그 사이에 비자성 층으로 이루어진다. 맨 위층의 연자성체의 자기장은 외부 자기장과 동일한 방향을 가지게 되며, 맨 아래의 연자성층은 내부의 반강자성 층에 의해서 고정된 방향을 가진다. 두 연자성층의 자기장 방향의 차이에 따라 약 25%부터 45%까지의 저항 변화를 보이게 된다.

기능안전과 사용 편리성

검증된 GMR 기술에 기반 한 인피니언의 TLE5014 시리즈는, 정밀하고 빠르게 각도 측정을 할 수 있고 ISO 26262에 맞게 개발된 디지털 자기 각도 센서 제품들을 제공한다. 뿐만 아니라 이들 센서 제품은 사용하기가 편리하다. 적용 가능한 애플리케이션 범위를 넓히기 위해서 TLE5014 시리즈로 새로운 제품들을 추가하고 있으며, 제품들 간에 핀 호환이 가능하여 제품들 간에 적은 비용으로 손쉬운 변경이 가능하다.

TLE5014 센서 시리즈는 단일 칩 센서로 ISO 26262 ASIL C를 만족하며, 듀얼 칩 센서를 사용 하는 경우, 시스템에서 최고 수준인 ASIL D를 달성할 수 있다. 그러므로 TLE5014 센서는 최고수준의 기능안전을 요구하는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다(그림 2). 이들 센서 제품은 전 사용 온도 범위와 제품의 보증수명 내에서 각도 오차가 1.0° 미만으로서 극히 정밀하다.



이 점은 스티어링 각도 검출이나 서비스 로봇과 협동 로봇, 크레인, 에스컬레이터, 지게차 같이 안전성을 중요하게 요구하는 애플리케이션에서 모터 정류와 같이 극히 정밀한 위치 감지를 필요로 하는 경우에 특히 유용하다. 또한 전동 파워 스티어링(EPS)과 페달 위치 감지와 같은 애플리케이션에서도 사용이 가능하다.

모든 TLE5014 센서들은 출하시 인터페이스 설정 및 캘리브레이션이 되어 있으므로 플러그-앤-플레이 센서로서 곧바로 사용할 수 있다. 그로므로 고객들은 SENT, PWM, SPC, 그리고 이제 SPI까지 포함한 인터페이스 중에서 프로토콜 형태를 선택할 수 있으며, 이들 프로토콜 외에도 프로그래머블 EEPROM을 통해서 센서를 원하는 애플리케이션 환경으로 알맞게 구성할 수 있다.

프로그래머블 EEPROM과 32포인트 룩업 테이블을 통해서 손쉽게 고객이 직접 각도 보정이 가능하며, 112비트 고객 ID 또한 프로그램 가능하다. 다양한 사용 환경을 위해 단일 다이와 듀얼 다이 제품을 제공하고 디지털 12비트 인터페이스와 다양한 프로토콜을 지원하므로 높은 유연성을 보장한다(표 1). 이들 센서는 26V에 이르는 높은 입력 전압으로 동작할 수 있고 4kV(HBM)에 이르는 ESD 보호를 제공한다.

크기를 줄이면서 중복성 달성

앞에서도 언급했듯이 기능안전을 달성하기 위해서는 중복성 구현이 필요하다. 2개 센서 칩을 단일 패키지로 통합한 각도 센서 제품은 공간을 절약하고 신뢰할 수 있는 중복성 구현을 달성할 수 있다. TLE5014 시리즈는 TDSO-16 패키지로 다양한 출력 형태의 듀얼 칩 제품을 제공한다(TLE5014C16D, TLE5014P15D, TLE5014S16D, TLE5014SP16D로서, 이들 각각이 각기 다른 인터페이스 지원). 이들 듀얼 칩 제품은 두 칩이 별도의 전원을 사용하고 별도의 신호 출력을 제공한다.

갈바닉 아이솔레이션으로 두 칩이 전기적으로 분리되고 서로 독립적으로 동작하므로 시스템 신뢰성을 높인다. 패키지 높이가 대략 1밀리미터에 불과하며, 단일 센서 제품과 풋프린트가 동일하다. 듀얼 센서 패키지로는 플립 칩 형태로 두 센서 소자를 아래위로 정확하게 포갠다. 그러므로 두 센서가 동일한 자기장을 감지하며, 연결된 마이크로컨트롤러가 센서 값을 곧바로 비교할 수 있다. 이에 비해서 기존에 듀얼 센서 패키지는 칩들을 옆으로 나란히 탑재하는 형태이며 두 센서는 약간 다른 자기장을 감지하게 된다. 그러므로 패키지가 크기가 커질 뿐만 아니라, 더 크고 더 비싼 마그넷을 필요로 하고 옆으로 나란히 탑재된 센서 소자들 사이에 자기장 차이가 발생된다.



아키텍처


그림 3은 TLE5014(단일 다이)의 블록 다이어그램을 보여준다. PMU(Power Management Unit)가 내부 전원을 제공한다. GMR 전압 레귤레71이터(VRS), 아날로그 전압 레귤레이터(VRA), 디지털 전압 레귤레이터(VRD) 같이 각기 다른 전압 레귤레이터를 사용해서 내부 기능 블록들로 전원을 제공한다. 모든 레귤레이터는 곧바로 전원 전압 VDD로 연결된다. 디지털 클록은 위상 동기 루프(PLL)를 사용해서 구현되며, PLL은 내부적 오실레이터로부터 제공된다. 시그마-델타 ADC는 아날로그 GMR 전압과 온도 전압을 디지털 도메인으로 변환한다.

디지털 ISM(Intelligent State Machine) 신호 프로세싱 유닛은 GMR 측정 브리지로부터 원신호의 오프셋 및 온도 드리프트, 진폭 동기성, 직교성에 대해서 오차 보정을 한다. 2개의 별도의 ISM을 사용한다. 각도 계산을 위한 것(ISM_ALG)과 내부 안전성 검사를 위한 것(ISM_SAF)이다. 단일 칩에서 각도 계산이 중복적으로 이루어진다.




CORDIC(COordinate Rotation DIgital Computer)은 각도 계산을 위한 삼각 함수를 포함한다. 인터페이스 블록을 사용해서 최대 8MHz로 SSC(Synchronous Serial Channel) 신호를 생성한다. 인터페이스 설정과 캘리브레이션 파라미터를 EEPROM으로 저장한다. EEPROM의 일부를 사용자가 액세스하고 애플리케이션에 따라서 구성할 수 있다. SSC 인터페이스를 통해서 EEPROM 프로그래밍을 할 수 있다.

애플리케이션 예: 전동 파워 스티어링

인피니언은 TLE5014를 어떻게 손쉽게 통합할 수 있는지 보여주기 위한 데모로서 전동 파워 스티어링 시스템을 개발했다. 이 애플리케이션 예는 높은 가용성을 요구하는 파워 스티어링 시스템으로 페일 세이프/페일 오퍼레이셔널 아키텍처를 보여준다. 이 데모 아키텍처는 요구되는 중복성을 달성하기 위해서 2개의 독립적인 절연형 3위상 서브시스템으로 이루어졌다. 데모 보드가 6위상 전기 모터를 제어한다. 그림 4a와 4b는 데모 아키텍처와 모든 부품들을 탑재한 데모 보드를 보여준다.





이들 부품들로는 전원 칩(OPTIREG PMIC, TLF35584), 3위상 하프 브리지 드라이버(TLE9183QK), 32비트 마이크로컨트롤러(TC23x, 200MHz 및 2MB 플래시), 토크 센서(TLE4998C8D), 모터 위치 센서(TLE5309D)와 각도 센서(TLE5014D), MOSFET(SS08 패키지), CAN-FD 트랜시버(TLE9251VLE, TLE9252VLC)를 포함한다.

모든 부품들을 중복 구성하였으며, 높은 기능안전, 에너지 효율, 밀도를 염두에 두고 설계했다. 안전 전원장치는 EPS 시스템에 필수적이며, ASIL D를 달성하기 위한 모니터링과 보호 기능을 제공한다. 이 기능은 브리지 드라이버로부터도 지원된다. 모든 센서 제품이 ISO 26262에 맞게 설계되었으며 높은 측정 정확도를 제공한다. 강력한 성능의 마이크로컨트롤러는 AURIX 제품군에 속하는 것으로서, 이 제품군은 성능, 플래시 용량, 타이머 아키텍처, 주변장치 구성이 다양한 제품들을 제공한다.

이 MCU는 ISO 26262를 위한 기능안전/보안 기능을 포함하며, 높은 데이터 보안을 위한 하드웨어 중복성 및 하드웨어 보안 기능(HSM 모듈)을 가지고 있다. MOSFET은 온 상태 저항이 매우 낮고(RDS(ON)이 40V로 0.9mΩ) 작은 크기의 견고한 패키지로 높은 효율과 뛰어난 스위칭 성능을 달성한다.

개발 지원

TLE5014 센서 평가 키트를 사용해서 쉽고 빠르게 개발 작업을 할 수 있다. 이 평가 키트는 TLE5014 프로그래머 키트와 TLE5014를 탑재한 위성 보드(그림 5)로 이루어진다. 평가 키트는 다음과 같이 두 종류를 제공한다. TLE5014CPS 키트는 TLE5014C16D, TLE5014P16D, TLE5014S16D(SENT/SPC/PWM 인터페이스)를 위한 것이고, TLE5014SP 키트는 TLE5014SP16D(SPI 인터페이스)를 위한 것이다. TLE5014 프로그래머 키트는 다시 2개 보드로 이루어지며, XMC1100 부트 키트(32비트 ARM Cortex M0 마이크로컨트롤러)와 TLE5014 프로그래머 쉴드 보드이다.

이들 평가 키트에 관한 추가 정보는 https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/tle5014cps-eval-kit/에서 볼 수 있다.



또한 인피니언 웹사이트에서 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 소프트웨어를 다운로드할 수 있다. 이 소프트웨어를 사용해서 사용자가 측정 값을 빠르게 얻을 수 있고 TLE5014의 기능을 살펴볼 수 있다. 또한 이 소프트웨어를 사용해서 센서 EEPROM을 리딩하고 프로그래밍할 수 있다.

맺음말

검증된 GMR 기술을 기반으로 하고 AEC-Q100 인증을 취득한 TLE5014 각도 센서 제품은 단일 및 듀얼 칩 제품을 제공하고 디지털 12비트 인터페이스로 다양한 프로토콜(SPC, PWM, SENT, SPI)을 지원하므로 유연성을 높일 뿐만 아니라, 인터페이스 설정 및 캘리브레이션되어 있으므로 손쉽게 통합할 수 있다.

인피니언은 기존의 각도 센서 제품들에 다수의 새로운 TLE5014 시리즈 제품 포트폴리오를 더욱 다양화하였으며, 고객들이 다양한 애플리케이션에 적합한 센서 제품을 편리하게 선택할 수 있다. 또한 기능안전 기능은 포함하지 않고 품질 높은 QM 제품(TLE5009, TLE5012 등)에서부터 ASIL C 용의 단일 칩 제품과 ASIL D 용의 듀얼 칩 제품에 이르기까지 핀 호환이 가능한 포괄적 유형의 센서 제품들을 사용할 수 있다. 제품에 관한 추가 정보는 www.infineon.com/angle-sensors에서 볼 수 있다.
 

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