MDA800 시리즈 │ 텔레다인르크로이코리아
완성차업체들이 스마트카, 전기자동차 및 하이브리드자동차 개발에 주력하고 있고, 각국의 엔진 배출가스 규제 강화 등으로 이를 제어하는 센서 등에 대한 수요가 늘어나 자동차용 반도체 시장이 급속히 확대되면서 자동차 전장에 대한 관심이 높아지고 있다.

 

MDA800 시리즈, 자동차용 반도체 측정에 최적

전기자동차와 지능형 운전자보조시스템(ADAS)이 자동차 관련 분야 중 가장 빠르게 성장하는 분야이다. 지능형운전자보조시스템의 기술 요소는 크게 센싱, 측정, 제어로 나눌 수 있으며, 그중 센서기술이 그 기본이 된다.
센서 및 제어에 관련된 검증과 측정을 하려면 측정장비에서 필요한 몇 가지 조건이 구비되어 있어야 한다. 센서에서 인식한 정보와 다른 제어 신호와의 비교 및 규정을 따르고 있는지의 여부를 판단하기 위해서는 신호를 동시에 관측할 수 있도록 다채널 입력이 구비되어 있어야 한다. 센서의 데이터들이 미세한 전압으로 출력하는 경우, 노이즈가 많은 환경에서도 미세한 신호를 프로빙할 수 있도록 높은 분해능이 요구된다. 또한, 센싱 데이터를 컨트롤러에 데이터를 전달하거나 컨트롤러와 컨트롤러 사이에 서로 정보를 주고받는 인터페이스에 대한 분석이 필수로 요구된다.
텔레다인르크로이는 자동차산업에서 전기자동차와 지능형운전자보조시스템의 기술요소에 필요한 측정과 정확도 그리고 센서에서 인지한 정보를 컨트롤러와 주고 받는 인터페이스에 대한 측정과 분석의 필요성을 인지하고, MDA800 시리즈 모터드라이브 분석기를 지난 2015년에 발표하였다.

 

MDA800 시리즈의 특징

MDA800 시리즈 오실로스코프는 8개의 입력채널, 16개의 디지털 입력 및 12비트 분해능, 최대 1GHz 대역폭과 혼합신호 측정이 가능하다. HDO8000 오실로스코프는 자동차에 들어가는 센서 및 컨트롤러와 같은 시스템 반도체 측정, 모터 구동, 임베디드 제어 측정에 완벽한 솔루션이다.
지능형 자동차와 같이 센싱-측정-제어의 세 단계에서 모든 부분은 측정되고 분석되어야 하기 때문에 센서와 센서 또는 센서 신호와 아날로그 신호와의 상관관계 파악을 위해서는 필요한 채널이 많아야 할 것이다. 더구나 데이터를 시리얼로 변환하여 전송하는 경우, 디지털 신호와 아날로그 신호와의 시간적 동기 및 상관관계 파악을 위해서는 오실로스코프의 입력 채널 수에 대한 요구는 반드시 필요하다고 할 수 있다.
예를 들어, 전기자동차의 주요 부분 중의 하나인 모터 컨트롤 마이크로프로세서의 경우, 구동 모터로부터 피드백을 아날로그 또는 디지털 방식으로 입력받아 모터의 현재 상태를 판단하고 고전압 게이트 드라이버를 구동하여 모터를 제어한다. 또한, 전체 시스템에 관한 커맨드는 이더넷, USB, CAN, RS232/485 등의 인터페이스를 사용하고 있다. 전체적으로 디지털과 아날로그 신호를 동시에 다룰 수 있는 혼합신호 측정 솔루션과 다채널 입력은 반드시 갖추어야 할 필요사항이다.
센서 신호를 정확하게 보기 위해서는 오실로스코프에서 관측하는 신호의 정확도가 상당히 높아야 한다. 최근 공급되고 있는 오실로스코프는 기본적으로 아날로그신호를 입력받아 디지털로 변환하여 측정과 분석을 수행하는 디지털 오실로스코프이다. 일반적인 오실로스코프들은 8비트의 수직축분해능을 가지고 있다. 8비트의 분해능에서 발생할 수 있는 양자화 오류 때문에 발생한 노이즈가 항상 측정하고 있는 신호에 나타날 수 있다는 의미이다. 비교적 큰 신호에서는 미치는 영향이 적지만, 소신호를 관측하는 경우, 실제의 신호를 관측하지 못할 수도 있을 것이다.
MDA800 시리즈는 하드웨어 12비트의 분해능을 제공한다. 아날로그-디지털 컨버터가 8비트의 분해능을 가지고 있다면 변환 가능한 레벨은 2^8 = 256개의 스텝으로 양자화가 가능할 것이다. 반면에 12비트의 오실로스코프에서는 2^12 = 4096개의 스텝으로 신호를 변환할 수 있기 때문에 16배 더 많은 스텝으로 신호를 양자화 할 수 있다. 높은 분해능은 다이나믹 레인지가 높다는 의미이며, 큰 신호에서도 미세한 작은 신호를 관측할 수 있다는 의미를 갖는다.
사진 1은 큰 전압에 실려 있는 미세한 전압을 8비트의 분해능을 가진 스코프와 12비트 분해능을 가진 스코프에서의 화면을 비교하고 있다. 사진에서 확인할 수 있는 것과 같이 8비트에서는 분명하지 않았던 파형의 모양을 12비트에서는 확실하게 모양을 보여주고 있다는 것일 확인할 수 있다.

 

│사진 1│ MOSFET의 Drain-Source 사이의 전압을 측정했을 때, 8비트 스코프와 12비트 스코프의 성능차. 12비트 스코프의 높은 분해능에서는 파형을 더 선명하고 자세하게 신호를 관측할 수 있다.
차량 내부에는 매우 많은 ECU가 탑재되어 있고, CAN, CAN-FD, LIN, SENT, FlexRay, MOST를 비롯한 I2C, SPI 등 다양한 인터페이스들이 필요한 정보를 교환하기 위해 해당 네트워크에 필요한 방식으로 통신하고 있다.
오실로스코프를 자동차용 반도체 측정에 적용할 때는 독립적으로 통신하는 네트워크들 사이의 상관관계를 파악할 수 있는지의 여부를 판단해야 한다. 간단하게 예를 들어, CAN에 실려서 전송되는 아날로그 데이터들이 제대로 인코딩은 되어 있는지 또는 특정 아날로그 신호와 인코딩되어 있는 신호와의 시간 차이는 얼마나 되며, 이 시간이 규정하고 있는 스펙을 준수하고 있는 지 등을 판단할 수 있어야 한다.
사진 2에서는 CAN 프레임을 디코딩하고, 아날로그 파형과의 시간차를 파라미터에서 측정하며 또한 CAN에 인코딩되어 있는 정보를 아날로그 파형으로 표시하여 그 모양과 크기는 물론 아날로그 신호와 CAN 신호와의 시간 차이를 통계적으로 확인하고 있다.

 

│사진 2│ 채널 1에서 포착한 CAN 프레임을 dbc파일을 이용하여 디코딩하고, C3(오른쪽아래)의 이그니션 파형과 해당 데이터 프레임과의 시간을 히스토그램을 통하여 통계적으로 관측하고 있다.
MDA800을 포함한 텔레다인르크로이 오실로스코프의 디코딩 기능에서는 디지털 데이터로 인코딩되어 있는 신호로부터 데이터를 디코딩할 뿐만 아니라 데이터를 다시 아날로그 파형으로 생성하는 기능을 가지고 있음으로써 유용한 결과를 추출하고 재해석할 수 있는 기능을 제공한다.
또한, 4개의 동일 네트워크 또는 서로 다른 인터페이스를 동시에 디코딩할 수 있는 기능을 가지고 있어서, 네트워크간 또는 인터페이스 사이의 상관성을 동시에 파악할 수 있다. 사진 3은 SENT 신호와 CAN 프레임을 동시에 측정하고 있는 예를 보이고 있다.

 

│사진 3│ CAN FD프레임과 SENT 신호를 동시에 포착하여 한 화면에서 디코딩을 하고 있다. 서로 다른 인터페이스 4종류를 동시에 디코딩하고 측정을 수행할 수 있다.
텔레다인르크로이의 디코드 옵션들은 해당 프로토콜에 맞는 프레임의 구성을 인식하고, 데이터 프레임에서 기능별로 서로 다른 색으로 표시함으로써 사용자가 쉽게 프레임의 구성 및 데이터를 파악할 수 있도록 하고 있다. 또한, 디코딩뿐만 아니라 필요한 정보를 바로 확인할 수 있도록 인터페이스별 트리거 기능 및 검색 기능을 제공하고 있다.

모터드라이브 및 제어 측정

전기자동차와 하이브리드자동차는 모터 제어용 반도체와 삼상 전력 전자공학, 아날로그와 디지털 센서 그리고 다양한 디지털 데이터 및 임베디드 컨트롤로 구성되어 있다. 특히, 모터 컨트롤 마이크로프로세서의 경우, 모터 드라이브의 출력을 피드백으로 받아 PWM 방식으로 고전압 절연 게이트 드라이버를 통해 모터를 구동한다.
그동안 오실로스코프는 임베디드 컨트롤 시스템 또는 파워 트랜지스터의 특성과 동작을 포착하여 측정을 수행했지만, 3-상 모터 드라이브의 효율, 하모닉스를 측정하는 것은 불가능했다.
텔레다인르크로이의 MDA800 시리즈 오실로스코프는 모터드라이브 분석 기능을 기본 탑재하고 있어 3-상 입력, DC 링크, 인버터의 출력과 컨트롤러 부분의 측정과 파형이 분석이 가능하다. 측정을 원하는 부분을 쉽게 설정하고 측정할 수 있도록 모터드라이브 분석기 메뉴를 크게 AC-입력, DC 버스, 드라이브 출력, 메커닉컬 피드백 4부분으로 나누어 놓았다.
AC Input 부분과 Drive Output 부분에서는 단상을 비롯한 3-상 측정을 실수 없이 프로빙할 수 있도록 프로빙 다이어그램을 넣어 누구나 정확한 프로빙 방법으로 신호를 포착할 수 있다. 3-상 측정의 경우 결선방법을 지정하여 측정할 수 있으며, 3-상 3선식 결선으로 신호를 포착했더라도 3-상 4선식으로 변환 가능하며 2-와트메터 방법으로 모터의 효율과 전력을 계산할 수 있다.
│사진 4│ 모터드라이브 분석 메뉴, Drive Output 설정 메뉴
또한 메커니컬 부분에서는 모터에서 마이크로로 컨트롤러에 모터의 상태를 제공하는 토크, 스피드 및 각 센서의 신호를 입력받는 메뉴를 제공한다. 아날로그와 디지털 속도계(타코메터) 및 브러시리스 DC(BLDC) 홀 센서, Quadrature Encoder Interface(QEI)와 리졸버를 포함해 거의 모든 종류의 속도, 로테이션 또는 포지션 센서 신호 입력을 쉽게 분석에 적용할 수 있다. 게다가, 홀 센서와 QEI 신호는 디지털 입력, 아날로그 입력 채널을 통해 다른 신호들과 전체적으로 비교 또는 분석이 가능하다.
위에서 간단하게 기술한 설정을 이용하여 전압, 전류, 전력(유효전력, 피상 전력, 무효 전력), 위상 각/역률, 효율 등을 자동 측정하고 그 결과 값들을 측정 테이블에 표시한다. 이 파라미터 테이블의 기존의 표준 파라미터와 별도로 제공하여 일반적인 신호의 측정과 모터 드라이브 또는 모터의 특성에 관련된 파라미터를 동시에 확인할 수 있다.
자동차 또는 일반 모터 구동에서는 항상 로드의 변화에 따른 변화를 관측해야 한다. 갑작스러운 로드의 변화에 따라 출력 또는 구동 상태가 변하고, 과도한 상태변화가 발생시킬 수 있는 문제를 미리 파악해야 안전을 확보할 수 있기 때문이다. 기존에 3-상 파워에 대한 측정용으로 사용하던 전력분석기의 경우 정상 상태에서의 손실을 파악하는 용도로 주로 사용하고 있으며, 과도 응답을 확인하기 위해서는 오실로스코프를 사용하기도 했지만, 입력 채널의 제한과 정확한 분석 툴을 가지고 못했었다.
MDA800의 경우, 충분한 채널 수, 정확한 분석 툴을 가진 오실로스코프 기반의 분석기이기 때문에 이런 과도 상태에서 신호를 포착하고 정확하게 분석할 수 있다. MDA800에서는 모든 측정에서 입력 또는 드라이브 출력 신호에 동기된, 매 주기마다 파워 값을 측정하고 있어서, 과도 상태에서의 측정부분에서의 파형은 물론 해당 부분의 전력, 효율, 역률 또는 각 파형의 크기 및 모양을 자세하게 관측하고 측정하여 디버깅에 필요한 정보를 빠르게 제공한다.
│사진 5│ 로드가 커지면서 전류의 값이 증가하다가 모터 구동이 멈추어진 경우. 6개 입력 채널 사용. 하이라이트된 특정 영역만 측정한 값이 화면 아래쪽 테이블에 표시되고 있다.
사진 5에서는 6개의 입력 채널에 3-상의 전압, 전류 파형을 입력받아 포착한 전압, 전류 파형 전체에서 측정한 실효값과 실효전력, 피상전력, 무효전력, 위상 및 역률을 측정하고, 로드가 변화된 부분을 게이트 기능을 통하여 해당부분만을 측정하여 표시하고 있다. 또한 게이트된 부분에서 역률과 실효 전력을 그래프로 표시하여 그 변화를 시각적으로 바로 알아보고, 문제가 있는 위치를 바로 확인해볼 수 있는 기능을 제공한다.
문제가 있는 부분 또는 신호를 관측하려면, 신호를 충분히 포착할 수 있는 샘플링 속도와 포착한 데이터를 저장할 수 있는 메모리 공간이 충분해야만 한다. 측정기의 메모리 길이가 충분하지 않으면, 긴 시간 동안 구동 응답의 특성을 파악한다면 샘플링 속도가 떨어져 정확한 측정이 불가능하다.
텔레다인르크로이의 MDA800 또는 HDO8000 시리즈 오실로스코프의 경우, 최대 채널당 250Mpts의 긴 포착 메모리를 제공하여 모터 드라이브의 동적 응답 분석, 긴 시간 동안 변화가 일어나는 현상을 포착하여 분석하는 분야에서 탁월한 능력을 보인다.
예를 들어, 최대 메모리 250Mpts/ch를 모두 사용한다면, 25초 동안 변화하는 신호를 10MS/s의 샘플링 속도를 유지하면서 25초 동안 연속적으로 포착할 수 있다. 이것은 모터의 기동, 로드 또는 로드의 조건이 빠르게 변하는 등의 다이나믹 구동 동작을 완벽하게 이해할 수 있는 정보를 제공하며, 구동 응답 문제와 컨트롤 시스템 또는 파워 섹션의 문제점들과의 연관성을 쉽게 파악할 수 있다.
│사진 6│ 마이크로 컨트롤러의 입출력 동시에 관측 및 디지털 데이터를 아날로그 파형으로 변환하여 상관관계를 분석하고 있다.
사진 6에서는 모터드라이브 마이크로 컨트롤러의 아날로그 및 디지털 신호들을 종합적으로 포착하고 분석하고 있는 화면이다. 인버터의 3상 출력신호를 포착하고, 모터의 정보를 모니터하기 위한 토크, 회전 속도 신호를 디지털 프로브를 이용하여 동시에 포착하고 있다. 화면의 오른쪽 아래에서는 디지털로 입력되는 신호의 정보를 이용하여 토크와 회전 속도정보를 아날로그 파형으로 보여주고 있다. 또한, 아날로그로 표시된 파형을 이용하여, 모터의 전력손실과 회전 속도와의 상관성, 전력 손실과 토크와의 상관성을 동시에 파악하고 있는 것을 확인할 수 있다.

결론

일반 자동차, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에는 센서, 측정, 제어를 위한 시스템 반도체들이 많이 탑재되어 있으며, 각종 인터페이스와 제어 상태를 확인하기 위해서는 기본적으로 여러 종류의 신호를 동시에 관측해야 할 필요성이 요구된다. 또한, 디지털 기반으로 통신하는 인터페이스에 실려 있는 정보와 센서 신호 또는 주변의 아날로그 파형을 동시에 관측하고, 인터페이스를 통해 주고 받는 정보를 이해할 수 있도록 계측기에서는 자동차용 IC 인터페이스를 디코딩하는 기능이 필요하다. 또한, 모터의 구동과 제어에 관련한 분석이 요구되며, 모터를 비롯한 제어기의 입출력에 관련한 신호 측정이 필요하다.
텔레다인르크로이의 MDA800 시리즈는 8개의 입력채널, 16개의 디지털 입력과 12비트 분해능, 250Mpts의 긴메모리를 탑재하여, 아날로그와 디지털 신호가 혼합되어 있는 자동차용 시스템 반도체의 혼합신호 측정이 가능한 완벽한 솔루션이다.

 

<더세미콘매거진 편집부> the_semicon@thesemicon.co.kr

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