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PoC는 수많은 카메라가 장착된 차세대 자동차의 배선을 단순화합니다.

 

최근에는 여러 대의 자동차 카메라가 장착된 자동차가 시장에 출시되는 것이 일상화되었습니다. (그림 1). 자율주행 자동차에는 외부 환경 인식을 위한 수많은 자동차 카메라가 장착되어 있습니다.

 

차량에 탑재되는 차량용 카메라의 증가에 대비하여 해결해야 할 몇 가지 기술적인 문제가 남아 있습니다. 이러한 문제 중 하나는 카메라에 연결된 케이블 수를 줄이는 것입니다. 자동차 카메라는 전자기기이기 때문에 전원 라인에 연결해야 합니다. 또한 캡처한 비디오 데이터를 제어 컴퓨터(ECU) *1 로 보내기 위한 신호 라인도 필요합니다. 이 두 종류의 케이블을 각각의 카메라에 연결하면 장착된 카메라가 늘어 차 내부가 케이블 덩어리가 됩니다. 케이블의 증가는 자동차의 경량화를 저해하고 연비 저하로 이어지게 됩니다.

 

*1 ECU(Electronic Control Unit)는 자동차 장치를 제어하는 ​​컴퓨터를 말합니다. 차량당 100개 이상의 ECU가 탑재된 자동차 모델이 이미 등장했으며, 자동차 장치 제어가 고도화됨에 따라 그 수는 증가하고 있습니다.

 

이제 한 대의 자동차에 많은 카메라가 장착되어 있습니다.

 

자동차 카메라에 연결되는 케이블 수를 줄이기 위해 많은 OEM *2 및 Tier 1 *3 제조업체가 신호선과 전원 공급선(그림 2). 현재 SerDes(Serializer/Deserializer)라는 디지털 인터페이스는 이미징 센서에서 출력되는 병렬 신호를 직렬 신호로 변환하여 고주파 신호로 전송하기 위해 자동차 카메라에서 비디오 데이터를 전송할 때 자주 사용됩니다. 적시에 적절한 제품 개발을 통해 차량 탑재 네트워크의 발전을 지원하기 위한 Murata의 차량 탑재 인덕터 제품, PoC를 사용하면 SerDes와 호환되는 이미지 신호 및 제어 신호에 DC 전원을 적용하고 하나의 동축 케이블을 통해 전송할 수 있습니다.

 

*2 OEM(Original Equipment Manufacturer 또는 Original Equipment Manufacturing)이란 아웃소싱 회사의 브랜드 또는 그러한 제조 관행으로 제품을 생산하는 제조업체를 의미합니다.

 

*3 Tier 1은 완성차 제조사에 직접 제조 및 개발한 부품을 공급하는 자동차 산업 기업을 의미합니다. 또한 Tier 1 회사에 부품을 공급하는 회사를 Tier 2 회사라고 합니다.

 

 PoC는 자동차 카메라에 연결된 케이블 수를 줄입니다.

 

 

 

Bias-T 회로는 전원 공급 장치에서 신호를 정확하게 분리합니다.

 

PoC를 도입할 때 신호를 주고받는 양쪽 측면과 전원 공급 장치에 "Bias-T 회로"라는 회로를 내장해야 합니다(그림 3). Bias-T 회로는 고주파 대역에서 전송되는 SerDes 신호를 DC 전원(저주파 측)에서 분리하기 위한 것입니다. 회로는 고주파 영상 신호를 차단하는 인덕터와 DC 전원을 차단하는 커패시터로 구성되어 있습니다.

Bias-T 회로는 전원 공급 라인에서 신호 라인을 분리합니다.

 

Bias-T 회로를 설계할 때 신호와 전원을 정확하게 분리할 수 있는 특성을 가진 인덕터를 선택해야 합니다. 인덕터가 둘을 충분히 분리할 수 없으면 고주파 신호가 전원 회로에 흘러 전원 변동을 유발하여 장치가 오작동할 수 있습니다. 인덕터를 채택할 때는 광대역(수 MHz ~ 수 GHz)에서 고임피던스 필터 기능을 하는 인덕터를 선택해야 합니다. 그러나 하나의 인덕터로 광대역을 커버하기는 어렵고, 일반적으로 여러 개의 인덕터와 페라이트 비드를 결합하여 요구되는 특성을 충족합니다.

여러 부품을 결합하여 광대역, 저손실 필터 구성

 

애플리케이션에 따라 Bias-T 회로를 구성하는 부품을 쉽게 선정할 수 있습니다. 

 

다양한 인덕터 제품 중에서 최적의 조합을 선택하는 작업은 예상외로 많은 노력과 많은 시간을 필요로 합니다. 먼저, 전송되는 신호의 주파수, 공급되는 전력의 암페어, 사용 환경의 주변 온도 및 기타 조건에 따라 부품을 선택해야 합니다. 그 때, 단순히 각 개별 부품의 특성을 합산하여 결정할 수 없습니다. 회로가 실장된 기판에서 발생하는 기생 캐패시턴스*4, 기생 인덕턴스*5, 회로 기판에 연결되는 동축 케이블의 길이와 특성도 고주파 대역에서의 동작에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 채택할 부품을 선택할 때 설계할 차량용 카메라 시스템의 사양과 회로가 실장 될 회로기판의 특성을 고려하고 다양한 부품의 조합을 시도하면서 시뮬레이션을 통해 동작을 검증해 최적의 솔루션을 찾아낼 필요가 있습니다.

 

*4 기생 캐패시턴스란 회로 기판의 배선이 콘덴서처럼 동작할 때 발생하는 설계자가 의도하지 않은 전기 용량을 말합니다. "부유 정전 용량"이라고도 합니다. 크기는 배선 패턴의 위치 관계와 모양, 회로 기판 재료 등에 의해 결정됩니다. 일반적으로 저주파 회로의 동작에는 큰 영향을 미치지 않지만 고주파 회로에서는 작동 불량을 일으키는 원인이 될 수 있습니다. 따라서 프로토타이핑 후 회로가 오작동하는 경우 기생 캐패시턴스의 영향을 주의 깊게 조사하고 분석해야 합니다.

 

*5 기생 인덕턴스는 회로 기판의 배선이 인덕터(코일)처럼 동작할 때 발생하는 설계자가 의도하지 않은 인덕턴스를 말합니다. "스트레이 인덕턴스"라고도 합니다. 배선 패턴의 위치 관계와 모양, 회로 기판 재료 등에 의해 결정된다는 점과 고주파 회로에 오작동을 일으킬 수 있다는 점에서 기생 캐패시턴스와 유사합니다.

 

Murata의 BIST 설계 툴을 소개합니다.

 

부품 선택 작업량을 줄이기 위해 Murata Manufacturing(이하 "Murata")은 Bias-T 에 내장할 최적의 인덕터 선택을 지원하는 "Bias-T Inductor Selection Tool" *6(이하 "BIST")을 개발하고 2020년 5월부터 웹사이트에서 무료 공개하고 있습니다.  최소한의 조건 설정에서 무라타의 인덕터와 페라이트 비드 중에서 최적의 부품 조합을 찾아 제시합니다. BIST를 사용하면 부품 선택에 필요한 노력과 시간이 크게 감소되고 전문적인 지식이 없어도 적절한 부품 선택이 가능합니다.

 

* 6 Bias-T Inductor Selection Tool 은 Murata의  설계 툴 SimSurfing 로 이용하실 수 있습니다.

 

자동차 카메라 설계자의 관점에서 복잡한 바이어스 T 회로 용 부품 선정 단순화

하나의 동축 케이블로 자동차 카메라를 연결할 수 PoC를 도입할 때, 신호와 전원을 적절하게 분리 할 수 있는 바이어스 T 회로를 설계해야 합니다. 그러나 이러한 회로에 사용되는 인덕터는 간단하게 선정 할 수 없습니다. Murata에서 개발한 BIST를 이용하면 누구나 쉽게 적절한 부품을 선정 할 수 있습니다.

 

BIST의 개발에 참여한 담당자에게 BIST를 출시한 목적과 거기에 담긴 기능에 대해 들어보았습니다.

 

바이어스 T 회로를 구성하는 부품의 선정할 때 고려해야 할 문제는 많습니다

Q. 자동차 카메라에서 PoC의 활용이 주목받고 있습니다. 이 기술의 상황에 대해 말씀해주십시오.

A.이미 많은 OEM 및 Tier1가 PoC를 채용하고 있으며, 몇 년 전부터 PoC를 채용 한 자동차 카메라 시스템을 도입 한 자동차가 출시되어 있습니다.

 

Q. PoC에서 빠질 수 없는 바이어스 T 회로에서는 어떤 기준을 준수해야하는 것입니까?

A. PoC 호환 SerDes 인터페이스 칩을 개발 및 제공하는 IC 제조업체는 자체 제조 칩인 S21/S11 및 기타 표준의 안정적인 작동을 위해 신호선 투과 특성(S21) 및 반사 특성(S11) 을 정의하고 있습니다. 또한 일부 OEM은 IC 제조업체가 정의한 것보다 더 엄격한 자체 표준을 설정하여 Tier 1 제조업체가 충족해야 합니다. Bias-T 회로를 구성하는 부품을 선택할 때 이러한 고유한 표준을 염두에 두고 부품을 선택해야 합니다.

 

Q. 부품 선정에서는 어떤 점에 유의할 필요가 있을까요?

 A. Bias-T 회로로 안정적으로 동작할 부품을 선택하려면 회로 내에서 발생하는 많은 현상을 고려해야 합니다. 첫째, 반공진 *7다중 인덕터가 직렬로 연결되어 광대역 필터를 생성할 때 발생합니다. 반공진을 억제하려면 인덕터와 병렬로 저항을 추가해야 하지만 반공진점 이외의 특성은 열화됩니다. 따라서 목표 필터 특성을 얻으려면 적절한 저항 값을 가진 부품을 선택해야 합니다. 또한, 인덕터와 회로기판 내부 패키징 사이에서 발생하는 기생 캐패시턴스의 영향으로 반공진도 나타납니다. 어떤 기판에 어떤 위치에서 구현하는 방법에 따라 바이어스 T 회로의 특성이 달라집니다. 정밀 부품 선정은 개별 부품이 가진 기생 용량을 고려하여 반공진을 억제하면서 부품 수를 최소화 할 수 있는 부품을 선정 할 필요가 있습니다.

 

* 7 인덕터 자체의 인덕턴스와 인덕터와 회로기판 사이에 발생하는 기생 커패시턴스와 인덕터의 인덕턴스에 의해 임피던스(교류에 대한 저항)가 극도로 높아지는 현상 주파수를 "반공진"이라고 합니다. PoC에서 이러한 현상이 발생하면 안정적인 전원을 공급할 수 없게 될 위험이 있습니다.

 

바이어스 T 회로를 설계하는 고객의 관점에서 편의성을 추구

Q. 바이어스 T 회로를 구성하는 부품의 선정을 지원하는 BIST는 어떤 계기로 개발 한 것입니까?

A. PoC 애플리케이션의 성장을 예상하여 Murata는 고객이 개발 중인 다양한 자동차 카메라 시스템에 적합한 인덕터를 제안했습니다. 그러나 엔지니어들은 제안 요청을 받은 후 부품 선택이 완료될 때까지 3~5일의 시간이 소요되었습니다. 초기에는 적은 수의 제안을 처리할 수 있었지만, 요청이 많아지면서 자연스럽게 처리할 수 없게 되었습니다. 이에 대한 대응으로 사내 엔지니어들이 보유하고 있는 부품 선택 노하우를 도구화하여 누구나 적절한 부품을 선택할 수 있는 툴을 만들자는 아이디어가 떠올랐습니다.

 

Q. 처음에는 내사용을 상정하고 있었군요. 그 도구를 왜 공개하기로 결정한 이유는 무엇입니까?

 A. 우리 고객들도 Murata의 내부 직원처럼 부품 선택에 어려움을 겪을 것이라고 생각했습니다. 우리는 BIST를 공개한다는 가정 하에 전문 지식이 없는 사람도 쉽게 사용할 수 있는 도구를 목표로 개발했습니다.

 

Q. 사용 편의성을 높이기 위해 어떤 부분에 중점을 두었나요?

A. 최소한의 입력 항목에 최적의 인덕터의 조합을 찾아 낼 것을 중시했습니다. 개발 한 BIST는 영상 데이터 신호의 주파수를 지정 직류 전원의 전류 값과 사용 환경의 온도를 지정하면 한 번의 클릭으로 최적의 인덕터의 조합을 제시 할 수 있습니다.

 

BIST에서 조건 설정을 위한 인터페이스

 

또한 정보를 입력한 후 즉시 최적의 솔루션을 찾아 제시하는 데에도 각별한 주의를 기울였습니다. Murata가 보유한 인덕터 제품의 조합을 무차별적으로 조사할 때 100억 개 이상의 Bias-T 회로를 계산해야 하며 현실적인 시간 내에 최적의 솔루션을 얻을 수 없습니다. 이에 무라타 엔지니어들이 보유하고 있는 부품 선정 노하우를 접목한 알고리즘을 개발하고, 방대한 양의 제품 데이터를 고속으로 처리해 약 1초 안에 답을 도출하는 방식을 확립했습니다.

 

고객별 회로 기판 정보도 업로드하여 고정밀 부품 선택이 가능합니다.

Q. 고객 측에서 부품을 선택할 때 실제로 사용되는 회로 기판에 대한 정보를 고려할 수 있습니까?

A. 예, 그러한 정보를 사용할 수 있습니다. 먼저 특수 규격(S21, S11 등)에 대한 파일을 업로드하여 해당 규격에 맞는 부품을 선택할 수 있도록 합니다. 또한 회로 기판 정보에 관해서는 Murata 평가 회로 기판의 특성이 초기에 입력됩니다. 단, 고객의 회로기판에 대한 정보를 입력하여 회로기판의 부유 용량 등을 고려하여 최적의 부품을 선정합니다. 이러한 기능을 사용하면 훨씬 더 높은 정확도로 부품을 선택할 수 있습니다. 반대로, BIST에서 계산한 특성과 실제 회로기판의 특성 사이의 차이의 이면에 있는 요인을 회로기판 정보를 변경하여 검토하는 데 적용할 수 있습니다.  부수적으로 부품 선택 중에 실행되는 시뮬레이션에는 (1) 케이블이 있는 Bias-T 회로, (2) 케이블이 없는 Bias-T 회로, (3) 인덕터만 있는 회로의 세 가지 유형이 포함될 수 있습니다. 

 

 시뮬레이션 대상이 될 수 있는 세가지 유형의 회로

 

 

Q. BIST의 출력으로 어떤 정보를 얻을 수 있을까요?

A. 광대역에 걸쳐 최상의 특성을 얻을 수 있는 인덕터와 페라이트 비드의 조합을 제시합니다. 최근 자동차용 카메라의 소형화가 진행됨에 따라 최고의 특성을 가진 조합 뿐만 아니라, 카메라의 실장면적을 최소화하고 ECU측의 마진을 가장 많이 차지하는 조합도 발견할 수 있다.

 

BIST 부품 설정 및 선정된 부품 번호 표시

 

또한 필요한 특성(S21/S11)과 선택한 부품의 주파수 특성, 부품 수, 선택한 부품의 실장 면적, 총 저항값 및 기타 정보를 비교할 수도 있습니다. 또한 사용자가 자신의 시뮬레이션에서 사용할 수 있는 데이터로 출력 데이터의 S 파라미터 및 SPICE 회로 파일 등을 다운로드할 수 있도록 했습니다.

 

선택한 부품을 사용한 Bias-T 회로의 특성과 부품의 크기를 보여주는 디스플레이

 

 

Q. BIST는 앞으로 얼마나 발전하고 발전해야 할까요?

A. 더 높은 전압으로 전력을 처리하는 산업용 전기 관련 애플리케이션에서 활용되는 PoC를 포함하도록 적용 범위를 확장하고자 합니다. SerDes 기반 PoE*8은 공장 생산 라인의 품질 검사 등에 사용되는 머신 비전에도 사용됩니다. 이와 같은 분야의 카메라 시스템 설계에서 부품 선택 문제는 자동차 분야와 유사하며 BIST가 효과적인 솔루션입니다.

 

*8 PoE는 PoE(Power over Ethernet)의 약자로 PoE는 하나의 이더넷 케이블(LAN 케이블)로 전자 장치에 데이터를 동시에 전송하고 전원을 공급할 수 있는 기술입니다. 감시 카메라, 라우터, IP 전화기 등에 널리 적용되고 있습니다. 규격 "IEEE802.3af"로 규격화되어 ​​최대 15.4W의 전원을 공급하고, "IEEE802.3at"(PoE+라고도 함)에 전원을 공급합니다. 30W 및 "IEEE802.3bt"(PoE++라고도 함)는 90W를 공급합니다.

 

또한 현재로서는 최상의 특성을 가진 조합이나 부품 수를 줄이는 조합에 따라 최적화가 가능하지만 최적화 접근 방식을 다양화할 수 있기를 희망하고 있습니다. 가장 저렴한 부품의 조합을 알고 싶다는 고객들의 문의가 벌써부터 접수되고 있습니다.

 

PoC 용 부품의 선정에 필수적인 BIST

 

앞으로 첨단 카메라 시스템의 활용은 자동차는 물론이고 DX(Digital Transformation)가 주도하는 산업 기기 및 기타 여러 분야에서 더욱 활성화될 것입니다.  PoC 응용 분야는 점점 더 확대될 것이며 Bias-T 회로를 구성하는 부품을 선택할 때 부하를 줄일 수 있는 도구로서 BIST의 중요성은 계속해서 증가할 것입니다. 부품 선택 사례의 증가로 인해 Bias-T 회로에서 발생하는 현상을 신중하게 고려할 지식과 기술이 부족한 시스템 개발자의 수가 증가할 가능성이 있습니다. 또한, 응용시스템의 사양이 다양해지고 선정할 때 관점이 다각화됨에 따라 보다 정교한 판단이 요구될 수 있습니다.

그러나 적절한 부품을 선택하는 것은 고신뢰성 Bias-T 회로를 설계하는 데 필수적인 작업이지만 그 자체로 고부가가치 작업이라고 할 수는 없습니다. BIST는 Murata 내에서 매우 필수적인 도구가 되어 일부 엔지니어는 "BIST를 사용하지 않고 PoC 구성 요소를 선택하는 아이디어는 더 이상 생각할 수 없습니다."라고 말했습니다.  PoC를 활용한 시스템을 개발하는 많은 고객들이 사용하기를 바라는 툴입니다.

* 출처

- 한국무라타전자 매거진, https://koreamuratablog.tistory.com

- 무라타, https://murata.com

      

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