자동차 전자 시스템의 인쇄 회로 기판 요구 사항 (2) 차량 제어 시스템

Meta Description: VCU, ECU, TCU, ABS/ESC, 스티어링 모듈을 포함한 EV 차량 제어 시스템의 PCB 요구 사항에 대해 알아보세요. 안전 필수 PCB 설계, ISO 26262 준수, 다층 보드 및 EMI/EMC 설계 전략을 살펴보세요.

서론

차량 제어 시스템은 전기 자동차(EV)의 “두뇌와 신경” 역할을 하며, 주행 기능과 안전 메커니즘의 조정을 조율합니다. VCU(Vehicle Control Unit), ECU(하이브리드 모델용 Engine Control Unit), TCU(Transmission Control Unit), EPB(Electronic Parking Brake), EPS(Electric Power Steering), ABS/ESC(Brake Control Modules)와 같은 중요한 모듈은 원활한 작동, 반응성 있는 핸들링, 승객 보호를 위해 함께 작동합니다. 이러한 시스템의 안전 필수적인 특성을 고려할 때, 이러한 시스템의 고장은 차량 안전을 직접적으로 저해할 수 있으므로, 제어 시스템용 PCB 설계 및 제조는 EV 신뢰성의 초석입니다. 이 기사에서는 EV 차량 제어 시스템의 특정 PCB 요구 사항, 제조 문제 및 새로운 트렌드를 간략하게 설명합니다.

차량 제어 시스템 개요

EV 제어 시스템은 차량 작동에서 고유한 역할을 하는 여러 전문 모듈로 구성됩니다.

• VCU(Vehicle Control Unit): 토크 분배, 에너지 관리, 주행 모드 간의 모드 전환을 포함한 전반적인 차량 작동을 관리하는 중앙 조정자 역할을 합니다.

• ECU(Engine Control Unit, 하이브리드용): 하이브리드 EV에서 내연 기관과 전기 모터 간의 시너지를 조절하여 연료 효율성과 전력 출력을 최적화합니다.

• TCU(Transmission Control Unit): 하이브리드 또는 다단 변속 EV 변속에서 기어 변속을 미세 조정하여 부드러운 동력 전달과 에너지 효율성을 보장합니다.

• EPS(Electric Power Steering) 모듈: 정밀하고 속도에 민감한 스티어링 지원을 제공하여 기동성과 운전자 편의성을 향상시킵니다.

• ABS/ESC(Anti-lock Braking System/Electronic Stability Control): 제동 시 휠 잠김을 방지하고 갑작스러운 기동 시 차량 안정성을 유지하여 사고 예방에 중요합니다.

• EPB(Electronic Parking Brake) 컨트롤러: 주차 브레이크 활성화 및 해제를 관리하고 차량 보안 시스템과 통합하여 안전성을 높입니다.

PCB 설계 요구 사항

안전 필수 작동의 엄격한 요구 사항을 충족하기 위해 차량 제어 시스템 PCB는 다음과 같은 전문 설계 기준을 준수해야 합니다.

1. 기능 안전(ISO 26262 ASIL-D)

기능 안전은 최우선 사항이며, 자동차 기능 안전에 대한 글로벌 표준인 ISO 26262를 준수합니다. 주요 전략은 다음과 같습니다.

• 중복 회로: 한 회로가 고장나도 작동이 계속되도록 중요한 경로를 복제합니다.

• 듀얼 MCU 설계: 병렬 마이크로컨트롤러 유닛은 고장 안전 장치를 제공하며, 이상을 감지하기 위한 상호 검사 메커니즘을 갖추고 있습니다.

• 고장 허용 레이아웃: PCB 트레이스와 구성 요소는 단일 지점 고장 위험을 최소화하도록 배열되며, 중요 회로와 중요하지 않은 회로 간에 격리됩니다.

2. 전자기 호환성(EMC/EMI)

제어 시스템은 모터, 배터리 및 기타 전자 장치에서 발생하는 노이즈로 가득 찬 전자기 환경에서 작동합니다. EMC/EMI 완화에는 다음이 포함됩니다.

• 전용 접지면: 디지털, 아날로그 및 전원 신호에 대한 별도의 접지 레이어는 간섭을 줄입니다.

• 차폐 레이어: 민감한 신호 트레이스 주변의 금속 차폐는 전자기 방사선이 작동을 방해하는 것을 방지합니다.

• 엄격한 신호 무결성: 제어된 임피던스 라우팅 및 최소화된 트레이스 길이는 고속 통신 경로에서 신호 품질을 유지합니다.

3. 가혹한 환경 저항

차량 제어 모듈은 극한 조건을 견뎌야 하며, 다음이 필요합니다.

• 넓은 온도 허용 오차: 엔진 베이 및 하부 환경을 견딜 수 있도록 -40°C ~ +150°C에서 작동합니다.

• 높은 습도 저항: 다양한 기후에서 신뢰성에 중요한 결로 및 수분 침투에 대한 보호.

• 충격 및 진동 저항: 도로로 인한 진동 및 충격 하중을 견딜 수 있는 구조적 보강.

4. 다층 신뢰성

복잡한 제어 기능은 정교한 PCB 구조가 필요합니다.

• 4–8 레이어 스택업: 최적화된 레이어 구성은 전원, 접지 및 신호 경로를 분리하여 크로스토크를 줄입니다.

• 전략적 접지: 스타 접지 및 접지면 분할은 민감한 구성 요소 간의 노이즈 전파를 최소화합니다.

표 1: 제어 장치의 일반적인 작동 조건

제조 문제

차량 제어 시스템용 PCB를 생산하는 것은 고유한 기술적 과제를 수반합니다.

• 신호 무결성 vs. 전력 처리: 단일 PCB에 디지털(제어 신호), 아날로그(센서 입력) 및 전원 회로를 통합하려면 고전력 및 저전압 구성 요소 간의 간섭을 방지하기 위해 신중한 분할이 필요합니다.

• 진동 저항: 지속적인 진동을 견디기 위해서는 높은 유리 섬유 함량을 가진 두꺼운 보드(1.6–2.4mm)가 필요하지만, 이는 드릴링 및 라미네이션의 제조 복잡성을 증가시킵니다.

• 중복 설계 구현: 이중 레이어 안전 회로 및 병렬 구성 요소 배치는 제작 시 정밀한 정렬이 필요하며, 두 중복 경로가 동일하게 작동하도록 엄격한 공차가 필요합니다.

표 2: 차량 제어 모듈용 PCB 레이어 구조

미래 동향

EV 기술의 발전은 제어 시스템 PCB의 진화를 주도하고 있습니다.

• AI 기반 제어 장치: 실시간 데이터 분석 및 적응형 제어 알고리즘을 위해 고성능 프로세서를 지원하는 PCB를 통해 컴퓨팅 성능 통합 증가.

• 도메인 컨트롤러 통합: 여러 ECU/VCU를 더 적은 수의 고성능 보드로 통합하면 배선 복잡성이 줄어들고, 더 높은 레이어 수(10–12 레이어)와 고급 신호 라우팅이 필요한 PCB가 필요합니다.

• 첨단 소재: 높은 Tg 라미네이트(≥180°C) 채택은 열적 안정성을 향상시키고, 컨포멀 코팅은 가혹한 환경에서 습기 및 화학적 저항성을 향상시킵니다.

표 3: ISO 26262 안전 요구 사항 vs PCB 전략

결론

차량 제어 시스템은 PCB 설계에서 타협하지 않는 안전성과 신뢰성을 요구하며, ISO 26262 준수는 기본적인 요구 사항으로 작용합니다. 이러한 PCB는 정밀한 신호 무결성을 유지하면서 극한의 온도, 진동 및 전자기 간섭을 견뎌야 합니다. EV 기술이 발전함에 따라 미래의 제어 시스템 PCB는 더 높은 통합, 더 스마트한 도메인 컨트롤러 및 첨단 소재를 특징으로 하여 안전하고 효율적인 전기 이동성의 중요한 중추 역할을 유지할 것입니다.