2021년 자동차 전자 제품 동향 및 미래 전망

CES 2021에서는 차량용 미래 지향적인 가젯과 흥미로운 개념 차량들이 대거 등장했으며, 다가오는 CES 2022 전시회 역시 실망시키지 않을 것으로 보입니다. 이러한 차량들의 전자 장치는 자동차 제조업체, OEM, 애프터마켓 전자 설계자 및 소비자들이 무시할 수 없는 더 넓은 자동차 전자 제품 트렌드를 반영하고 있습니다. PCB는 자동차 전자 제품의 근간이며, 현재 전자 제품 비용은 새 차 비용의 약 40%를 차지합니다. 이 비율은 2030년까지 50%에 이를 것으로 예상되며, 바로 그 시점에 새로운 소비자용 자동차가 부분적으로 또는 완전히 자율 주행할 것으로 전망됩니다. 1950년대 쉐비의 후드 아래를 들여다보면 자동차 산업이 이렇게까지 발전했다는 것을 상상하기 어려울 것입니다.

전자 부품의 수가 계속 증가할 것으로 예상되는 것뿐만 아니라, 이러한 시스템의 복잡성도 하드웨어와 내장 소프트웨어 측면에서 계속 증가할 것입니다. 이러한 통계 아래에는 OEM 및 애프터마켓 설계자들의 부품 요구를 촉진할 여러 자동차 전자 제품 트렌드가 있습니다. 새롭고 미래의 자동차를 위한 전자 시스템 분야에서 이러한 트렌드가 어떻게 영향을 미치고 있는지 살펴보겠습니다.

주요 자동차 전자 제품 트렌드

모두가 잘 알고 있는 가장 두드러진 트렌드는 현재의 자동차 칩 부족 사태로, 불행히도 전자 산업의 거의 모든 다른 영역으로 확산되었습니다. 자동차 전자 제품은 전력에서 감지 및 무선 통신에 이르기까지 다양한 응용 분야를 아우릅니다.

전기 자동차를 위한 전력 관리

경제적으로 선진국의 인프라가 변화하고 새로운 배터리 시스템이 개발됨에 따라, 우리는 더 긴 주행 거리와 더 빠른 충전 시간을 가진 전기 자동차를 계속 기대할 수 있습니다. 이 모든 것은 더 진보된 전력 관리 시스템에 의존하며, 이 시스템은 다양한 기본 구성 요소에 의존합니다. 이러한 구성 요소들은 많은 전력을 처리해야 하기 때문에 반드시 SoC처럼 고도로 통합될 필요는 없지만, 고전력 시스템은 여전히 전용 모듈에서 개별 구성 요소로 작동할 수 있어야 합니다.

전기 자동차에 등장하는 주요 전력 시스템에는 다음이 포함됩니다:

• 무선 BMS는 EV 배터리 팩의 충전 분배를 관리하고 배터리를 모니터링하며 데이터를 제어 장치로 전송하는 데 사용됩니다.

• 충전소에서 전기 자동차의 V2G 기술과 양방향 충전의 등장.

• 파워 MOSFET용으로 고온 작동 및 높은 열 전도성을 가진 더 진보된 반도체의 사용.

이러한 전력 관리 시스템에 사용되어야 할 일반적인 구성 요소에는 전류 감지 증폭기와 같은 감지 및 제어 루프용 다양한 구성 요소가 포함됩니다. 전기차는 고전압 배터리 팩으로 작동하기 때문에 회로를 보호하기 위한 ESD 보호용 구성 요소도 필수적입니다. 여러 레귤레이터가 통합된 전력 관리 IC(아래의 NXP의 MC33PF8200A0ES 참조)는 이러한 시스템을 제어하는 데 사용되며, 자동차용 프로세서와 ASIC 스위트도 사용됩니다.

NXP의 MC33PF8200A0ES 애플리케이션 프로세서는 자동차용 통합 전력 관리 솔루션을 제공합니다.

충전/방전 관리를 위해 고전력에서 작동해야 하는 전력 FET와 관련하여, SiC 및 GaN-SiC은 이러한 스위칭 구성 요소에 이상적인 재료 플랫폼입니다. 특히 SiC는 넓은 간접 밴드갭 반도체(3.3 eV 밴드갭)로, 상대적으로 낮은 스위칭 주파수에서 전력 변환 중 손실이 적습니다. 또한 Si에 비해 높은 열전도율을 가지고 있어 전기차의 고전력 변환 작업에 이상적인 재료입니다. 이러한 구성 요소는 원래 새로운 모바일 인프라와 같은 RF 전력 애플리케이션을 목표로 개발되었지만, 전기차의 전력 애플리케이션에서도 마찬가지로 유용합니다. 실제로, 통합 드라이버가 있는 첫 번째 자동차용 GaN FET이 지난해 발표되었으며, 다른 회사들도 자체 구성 요소로 따라왔습니다.

차량 내 및 스마트 인프라 네트워킹

새로운 자동차는 그 어느 때보다 많은 데이터를 처리하고 있으며, 사용하는 데이터의 양은 계속 증가할 것입니다. 소비자 자동차의 차량 내 네트워킹은 현재 이더넷을 통해 1 Gbps 미만이지만, 기가비트 차량 내 이더넷과 차량 내 무선 연결 장치는 데이터 수집 및 처리 방식과 운전자 경험을 변화시킬 것입니다. 차량 내 네트워킹과 스마트 인프라 네트워킹은 새로운 자동차에 대한 거대한 기회이며, 자동차 산업에 의해 새로운 성장 시장으로 간주됩니다. 차량 내 네트워킹만으로도 2026년까지 15억 달러 시장이 될 것으로 예상되며, 이는 다양한 통합 프로세서와 SoC에 의해 촉진될 것입니다.

텍사스 인스트루먼트의 CC2541-Q1은 자동차용으로 인증되었으며 IoT 제품용 SimpliLink 플랫폼의 일부입니다.

무선 구현은 블루투스를 통한 드라이버 및 인포테인먼트 연결을 넘어섭니다. 위에서 언급한 무선 BMS 디자인 외에도 차량의 다른 영역에서 무선 연결을 구현하려는 동기가 있습니다. ECU는 종종 상호 작용할 센서 및 액추에이터에 매우 가깝게 배치되어야 합니다. 결과적으로 새 차량에 ECU를 추가할 때마다 추가 배선이 필요하게 됩니다. 결과적으로 현대 자동차의 네트워크 하네스는 수천 개의 연결을 포함하고 수천 미터에 걸쳐 있을 수 있습니다. 유선 인터페이스를 무선 연결로 대체하면 무게와 시스템 복잡성이 줄어들며, 이는 연결된 차량에서 발견되는 현재 패러다임을 따릅니다.

보다 고급 ADAS, 자율 주행 차량 및 차량 내부 및 외부에서 시작되는 다양한 새로운 서비스를 가능하게 하기 위해, 새로운 차량은 서로, 스마트 인프라 시스템, 심지어 자전거 및 오토바이와도 연결해야 할 것입니다. 현재 WLAN 기반 차량 간 모든 것(V2X) 무선 표준은 IEEE 802.11p를 기반으로 하며, 다른 기능은 기존 4G 또는 다가오는 5G 셀룰러 서비스에 의존할 것입니다. 이 시스템에 필요한 구성 요소는 다음과 같습니다:

• 4G/4G LTE 및 5G 송수신기, 모뎀 및 안테나 모듈

• 송신 채널용 RF 전력 증폭기 IC

• RF 송수신기 IC는 다양한 주파수(와이파이, DSRC, 이중 대역 파이프 최대 5.9GHz 등)에서 작동합니다.

최근까지 802.11p 표준(전용 단거리 통신, 또는 DSRC로 알려짐)이나 셀룰러가 차량 간 네트워킹의 주요 프로토콜이 될지에 대한 일부 논쟁이 있었습니다. 2020년 10월 현재, FCC는 5.85GHz에서 5.895GHz 스펙트럼을 라이선스가 필요 없는 대역으로 재할당했습니다. 원래 DSRC 스펙트럼의 나머지 부분은 새로운 C-V2X에 할당되었으며, 이는 3GPP 릴리스 14에서 표준화되었습니다. 이는 효과적으로 DSRC를 종료시켰으며, C-V2X 및 5G 지원 서비스를 연결된 차량 및 스마트 인프라를 위한 다가오는 기술로 남겼습니다.

3G와 작별하기

현재 내 차는 와이파이 핫스팟으로 작동하고 4G LTE/5G(Connected Car 서비스로 마케팅됨)를 통해 내 셀룰러 서비스에 연결할 수 있으며, 차량은 블루투스를 통해 내 기기에 연결할 수 있습니다. 5G가 계속해서 출시됨에 따라, 셀룰러 서비스의 기능은 새로운 자동차에서 계속해서 반영될 것입니다. 새로운 자동차에서 사용할 수 없을 가능성이 높은 한 가지 서비스는 3G 기반의 내비게이션 및 안전 서비스입니다.

통신사는 많은 차량이 내비게이션, 충돌 감지, 교통 시각화 및 BMW Assist 및 OnStar과 같은 특수 서비스에 사용하는 3G 서비스를 중단할 예정입니다. 어떤 면에서 이것은 10년 전의 2G 중단 논란을 반복하는 것입니다. 일부 운영자는 다른 운영자보다 새로운 기술로의 전환을 더 잘 처리할 수 있지만, 자동차 회사는 연결된 차량 서비스가 중단될 때 운전자에게 정보를 제공하는 데 소홀했습니다. 새로운 차량의 경우, 최첨단 사용자 경험을 가능하게 하는 새로운 무선 기술로의 지속적인 전환을 기대할 수 있습니다.

OnStar 시스템은 곧 서비스가 종료될 3G 지원 서비스 중 하나입니다.

스마트 ADAS를 위한 센서

일부 전문가들은 소비자들이 자율 주행 차량을 구매할 수 있게 되기까지 대략 10년이 걸릴 것이라고 말합니다. 이에는 제어 및 의사 결정을 위한 고급 알고리즘 모음의 개발을 둘러싼 여러 이유가 있습니다. 그러나 하드웨어 수준에서 해결해야 할 다른 문제들도 있습니다. 그리고 자율 주행 차량을 지원하기 위한 규제 문제와 인프라가 있습니다. 이러한 도전 과제는 차량 내부, 외부 및 인간이 운전하는 다른 차량과의 관계에서 존재합니다.

현재 ADAS를 위한 센서 환경은 초음파, 레이더, 카메라의 조합을 포함하며, 모두 ECU에 연결해야 합니다. 깊이 매핑을 가능하게 하는 리다(Lidar)도 ADAS 센서 네트워크에서 흔해질 수 있습니다. 리다는 자동차에서만 사용되는 것이 아니라, 일반적으로 스마트 도시에서의 감지 및 이미징에 유용한 기술입니다. 리다가 과거에 대화의 주요 초점이 아니었음에도 불구하고, 회사들은 여전히 새로운 차량에서 레이더 및 비전 시스템을 지원하기 위한 고해상도 이미징 및 매핑을 제공함으로써 스마트 ADAS 시스템을 위한 고급 솔루션의 일부로 리다를 밀고 있습니다.

ADAS 센서에 필요한 구성 요소는 센서 자체를 넘어서며 다음을 포함합니다:

• 레이더 트랜시버 및 SoC (24 GHz 및 77 GHz)

• 리다 시스템 구성 요소, 펄스 레이저 다이오드 포함

• 센서 융합을 위한 멀티채널 ADC 및 임베디드 프로세서

• 맞춤형 카메라용 구성 요소, CCD/CMOS 센서 모듈 포함

일부 센서와 그 지원 구성 요소는 표준 디지털 인터페이스(I2C, SPI, CANBus 등)를 통해 서로 통신해야 할 수도 있으며, 아날로그 센서는 표준 0/5 V/4-20 mA 인터페이스(예: 환경 센서)를 사용할 수 있습니다.

처리 능력

현재 자동차에는 100개 이상의 ECU가 포함되어 있으며, 이 숫자는 계속 증가할 것으로 예상됩니다. 자동차에서 수집 및 처리되는 데이터의 양이 증가함에 따라, ECU 및 시스템의 다른 모듈은 MCU 및 자동차용 FPGA 형태로 더 많은 처리 능력을 요구하게 될 것입니다. 이러한 구성 요소의 정확한 크기, 속도 및 위치는 여전히 미정입니다. 전문 IC 시장에서 볼 수 있는 통합 추세를 고려할 때, 많은 제조업체들이 MCU를 통합한 자동차 전용 SoC를 제공하고/또는 마케팅하기 시작할 것으로 기대합니다.

새로운 차량에 필요한 무선 서비스, 전력 관리 시스템, 그리고 처리 능력의 범위는 새 차량의 복잡한 전자 장치 환경을 드러내야 합니다. 모든 자동차 전자 기술 동향을 따라잡는 것은 불가능하지만, 이러한 시스템에 대한 구성 요소를 선택해야 하는 설계자는 강력한 전자 부품 검색 엔진을 통해 공급망의 전체적인 모습을 파악할 수 있습니다. 칩 제조업체는 IoT 및 모바일 제품용과 유사한 특수 SoC에 대응할 가능성이 높으며, 올바른 검색 엔진을 사용하면 새 차량을 위한 이러한 전문 구성 요소를 찾을 수 있습니다.

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