한동안 운전대를 잡았다고 해도 차량마다 스티어링 휠이나 제동 시스템에서 큰 차이를 느끼지 못했을 것입니다. 이는 설계에 따른 것입니다. 향상된 기능을 사용하면 운전자가 더 쉽게 처리할 수 있지만, 일반적으로 이러한 시스템의 느낌은 연식에 관계없이 동일한 사용자 환경을 유지하기 위해 비교적 동일하게 유지되고 있습니다.

그러나 이러한 시스템에 사용되는 기술은 시간이 지남에 따라 발전해 왔으며, 위치 센서는 이러한 발전의 큰 부분을 차지했습니다.

현재 초음파, 광학, 자기, 정전식 및 유도성을 비롯한 여러 유형의 위치 센서가 제공됩니다. 위치 감지 집적 회로(IC)는 물체의 움직임을 감지하고 입력 신호를 마이크로컨트롤러(MCU) 처리 및 제어에 적합한 전기 신호로 변환합니다. 이 문서의 맥락에서 위치 센서를 언급할 때 IC 센서가 홀 효과, 이방성 자기 저항(AMR) 또는 인덕티브 기술을 사용한다고 가정할 수 있습니다. 그림 1은 이러한 세 가지 센서 유형의 기본 기능을 보여줍니다.

홀 효과 기술에서는 전류가 강자성 물질로 유도됩니다. 자기장을 적용하면(B 필드로 레이블 지정, 그림 1 참조) 전류 흐름에 수직인 홀 전압이 생성됩니다.

AMR 센서의 저항은 자기장이 적용되면 감소합니다. 또한 이방성 측면은 AMR 센서가 적용되는 자기장의 방향에 따라 달라진다는 것을 의미합니다.

인덕티브 센서는 센서 코일(인덕터)을 사용하여 자기장을 생성합니다. 이 자기장은 금속 대상에 대해 개발된 와상 전류에 의해 생성되는 자기장과 결합되어 있습니다.

이 백서에서는 시스템의 전기화, 신뢰성 및 안전에 대한 요구, 전반적인 완제품 폼 팩터의 소형화, 희토류 물질에서 철로 전환 등 위치 감지 분야의 4가지 현재 추세에 대해 설명합니다. 설계자는 훨씬 더 정확하고 민감하며, 더 높은 해상도와 더 많은 기능을 제공하고, 이전보다 더 작은 패키지로 제공되면서도 전력을 덜 소비하는 최신 IC 센서의 개선 사항을 이해함으로써 이점을 얻을 수 있습니다.

자율 주행, 더 나은 사용자 경험에 대한 요구, 온실가스 배출량 감축에 대한 노력으로 인해 차량의 전기화가 증가하면서 위치 센서를 비롯한 더 많은 반도체 디바이스가 자동차에 탑재되고 있습니다. 이것이 우리의 첫 번째 추세입니다.

열 효율성은 전기 자동차(EV)에서 가장 중요합니다. 전기 펌프는 오일 및 물 글리콜과 같은 냉각제를 차량 전체에 순환시켜 다양한 시스템 수준 온도를 지속적으로 점검합니다. 여러 ECU(전자 제어 장치)가 이러한 시스템을 제어합니다. EV가 켜지면 MCU는 온도를 모니터링하여 충분한 냉각수가 특정 시스템으로 공급되었는지 확인할 수 있습니다. 전기 펌프 증분 회전식 인코더에 사용되는 고해상도 홀 효과 센서를 통해 마이크로프로세서가 열 이벤트에 훨씬 더 효율적으로 응답할 수 있습니다. 고대역폭 TMAG5110-Q1과 같은 디바이스는 낮은 지연 시간의 출력을 제공하는 동시에 고감도 기능을 제공하여 설계자가 센서 배치를 더욱 유연하게 할 수 있습니다.

스티어링 컬럼 설계는 한 OEM(Original Equipment Manufacturer)부터 다른 장치까지 다양하지만 가장 인기 있는 구현은 여러 제어 모듈을 연결하고 방향등, 헤드라이트, 와이퍼, 크루즈 컨트롤 및 스크롤 휠과 같은 여러 스위치 및 버튼 제어 기능을 관리합니다. 이전에는 자율 주행이나 편의성을 위해 기계적으로 구현된 이러한 기능이 이제는 자기 기능을 통합한 전기 솔루션이 되었습니다. 대부분의 애플리케이션에서 TMAG5170D-Q1 및 TMAG5173-Q1은 높은 정확도로 복잡한 각도를 측정할 수 있는 기능이 있어 차량용 안전 무결성 수준(ASIL) B 또는 ASIL D 시스템 수준 호환을 가능하게 합니다. 그림 2에서는 기계적 접촉부를 3D 홀 효과 센서 개발 보드로 대체하기 위해 리트로피팅된 OEM 스티어링 칼럼 컨트롤 모듈을 보여줍니다.

모터 위치 센서는 전기 모터 설계의 기본 측면으로, 최적의 효율로 실행되도록 보장하는 것입니다. 전력 효율성 요구 사항이 증가함에 따라 모터 샤프트의 정확한 회전 위치를 정확하게 모니터링하는 위치 센서의 성능 기대도 증가합니다. 모터의 위치를 알면 트랙션 인버터 내의 마이크로프로세서와 전력계가 모터 코일에 정확한 양의 전류를 제공하여 토크를 더 효율적으로 관리할 수 있습니다. 모터가 최고 속도(100,000rpm 이상)로 작동하는 동안 최대 정격 온도 범위에서 가능한 가장 높은 정확도(약 0.5°)로 각도를 측정해야 합니다. LDC5072-Q1 유도성 센서(유도성 리졸버라고도 함)는 스트레이 자기장에 대한 고유의 내성을 가진 이 작업에 적합합니다. 이 기술의 또 다른 이점은 자석이 필요하지 않는다는 것입니다. 그림 3은 상단에 트랙션 인버터가 장착된 전기 모터를 보여줍니다.

차량 전기화는 전자 파워 스티어링(EPS)을 사용하여 위치 센서에 대한 많은 사용 사례를 만들었습니다. EPS가 계속 발전함에 따라 모터 위치 센서와 휠 위치 센서의 정확도와 해상도 요구 사항이 높아졌습니다. EPS 시스템에서 TMAG6181-Q1은 모터 로터 위치를 최소 각도 오차 0.4°와 2µs 미만의 지연 시간으로 최대 100,000rpm을 지원할 수 있으며, TMAG5170D-Q1은 스티어링 휠의 3D 위치를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 스티어링 휠 각도 센서는 최적의 차량 작동 및 제어를 위해 데이터를 ECU로 전송합니다.

전기화에는 자동차뿐 아니라 전기 자전거, 페달 전기 주기 및 전기 스쿠터와 같은 수송 시스템도 포함됩니다. 이러한 제품은 수년 동안 사용되어 왔지만 위치 센서가 필요한 모터 정류, 케이던스 및 휠 속도 감지에 대한 새로운 발전이 있었습니다. 전기 자전거의 새로운 추세는 몇 가지 주목할 만한 가치가 있습니다.

• 이전에 3래치 브러시리스 DC 모터 구현에서 발생했지만 대부분의 전기 자전거 모터 공급자는 고속, 고정밀 각도 센서로 모터를 모니터링합니다. TMAG6180-Q1 AMR 센서는 고정밀 각도 측정(실온에서 0.1°) 때문에 이 애플리케이션에 매우 적합합니다.
• 휠 속도 및 케이던스 모니터링에 TMAG5115와 같은 홀 효과 래치를 사용하여 낮은 지터와 빠른 응답 시간을 제공하여 더 정밀한 속도 및 방향 측정을 가능하게 합니다. 과거에는 홀 효과 스위치가 주로 휠 속도 감지에 사용되었습니다.

산업용, 개인용 전자 제품 및 차량용 시스템을 개발하는 동시에, 설계자는 제품 수명 범위를 늘리기 위해 설계를 더 안정적으로 만드는 방법을 생각할 수 있습니다. 위치 센서의 최근 추세에는 기계 시스템에서 자기 센서로 이동하고 기능 안전 규정 준수의 가속화라는 목표를 달성하기 위한 몇 가지 다른 방법이 포함됩니다.

자기 센서는 마찰로 인한 지속적인 기계적 마모를 방지합니다. 예를 들어 무선 전동 공구에서는 기계식 트리거 설계가 가장 널리 사용되는 고장 모드이며, 제조업체는 일반적으로 제품 수명 기간 동안 200,000회 이상의 사이클을 목표로 삼고 있습니다. 수명 주기 목표는 최종 제품에 따라 다르지만 자기 기반 솔루션이 제품 수명을 연장할 수 있는 잠재력이 있다는 것을 예상합니다. 표 1에 이러한 예 몇 가지만 요약되어 있습니다.

차량 전기화의 도입과 거의 모든 전기 동력화에 더 많은 전자 장치를 추가함에 따라 기능 안전의 필요성이 가속화되었습니다. 자동차 산업은 자동차 제품에 대한 국제 표준화 기구(International Organization for Standardization) 26262를 따르고 있으며, 산업 부문은 국제 전기 표준 회의(International Electrotechnical Commission) 61508을 따릅니다. 기능 안전은 전자 시스템의 오작동으로 인한 불합리한 위험을 제거하여 사용자를 보호하는 것을 목표로 합니다. 시스템에 장애가 발생하면 기본적으로 예측 가능하고 알려진 상태로 설정됩니다.

자동차 및 산업 기능 안전 표준에는 심각성 또는 결과(부상 발생 가능성), 노출 또는 가능성(발생 가능성), 제어 가능성(사용자가 얼마나 제어할 수 있는지)에 따라 여러 범주로 나뉩니다. 최고의 기능 안전 등급이 필요한 차량용 시스템의 몇 가지 예로는 EPS 또는 시프터 시스템(E-시프터)이 있습니다. 두 시스템 모두 고장과 관련된 위험을 고려할 때 가장 높은 차량용 등급(ASIL D)을 필요로 하는 경우가 많습니다.

ASIL D 요구 사항을 준수하기 위해 시스템 개발자는 일반적으로 서로 내부적으로 격리된 두 개의 동일하지만 독립적인 센서를 가진 중복 센서 또는 솔루션을 사용합니다. 두 센서가 모두 실패할 확률은 매우 낮습니다. 이러한 유형의 고성능 시스템에는 고정밀 각도 감지도 필요합니다. TMAG5170-Q1 3D 센서와 이중 다이 등가 TMAG5170D-Q1에는 장치와 시스템 수준 모두에 대한 진단 기능이 내장되어 있습니다.