게롤드 다나발란, TI 제품 마케팅 엔지니어
유로 자동차안전도평가(NCAP, New Car Assessment Program)가 자동 긴급 제동(AEB)과 전방 충돌 방지 기능을 기본 사항으로 요구하게 되면서 전방 카메라 장치는 이제 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)의 필수요소가 되었다. 전방 카메라는 어댑티브 크루즈 컨트롤, 보행자 감지, 차선 이탈 방지 및 교통 표지 인식과 같은 기타 ADAS 기능에 도움이 된다.
그림 1은 사물 감지에 카메라를 활용하여 ADAS 기능을 구현하는 예시를 보여준다.
그림1. 카메라를 활용한 실시간 처리 예시
ADAS 기능을 지원하는 비전 전처리, 깊이 및 모션 가속 또는 AI 네트워크 처리와 같은 처리 작업을 수행하려면 시스템의 SoC(System-on-a-Chip)에 효율적인 전원 공급이 필요하다. ADAS 전방 카메라를 설계할 때 마주하는 전원 공급 과제는 크게 네 가지로 나눌 수 있다.
첫번째 과제: 작은 솔루션 크기
전방 카메라는 보통 차량 전면 유리에 위치하기 때문에 크기에 대한 제한사항이 매우 엄격하다. 카메라 모듈에는 한 대 또는 두 대의 카메라가 포함될 수 있는데, 여기서 한 대는 더 넓은 시야 또는 더 높은 해상도를 위한 것이고 다른 한 대는 더 긴 범위를 위해 사용된다.
시중에서는 대부분 단일 카메라 모듈을 사용하지만, 더 나은 차량 주변 시야를 확보하고 자율성을 높이기 위해 듀얼 카메라 모듈이 점점 더 인기를 끌고 있다. 고해상도 및 더 높은 프레임율을 지원하는 카메라 모듈도 역시 인기다. 카메라의 성능은 향상되고 있지만, 카메라 모듈 자체는 18mm x 18mm의 일반적인 크기로 축소되고 있다.
원격 카메라 모듈은 시리얼라이저-디시리얼라이저(SerDes) 링크를 사용하여 카메라 모듈에서 ECU로 데이터를 전송한다. 전방 카메라 ECU와 함께 위치한 전방 카메라 모듈은 CSI(카메라 직렬 인터페이스)-2를 사용하여 데이터를 ECU 보드로 전송한다. 전방 카메라의 카메라 모듈 입력 공급은 낮게는 5V, POC(Power-over-coxial) 케이블 원격 카메라 모듈은 일반적으로 9V다. 전방 카메라 모듈 부속 보드의 다채널 전원 관리 IC(PMIC)는 이미저에 전원을 공급할 수 있는 저전압 입력이며, 카메라 모듈에서 발생하는 추가 프로세싱이 가능하다. 프로세싱은 CSI-2를 사용하여 ECU로 데이터를 스트리밍하기 전에 온보드 MCU(마이크로컨트롤러)를 사용하여 수행된다. 카메라 모듈의 MCU는 픽셀 수준에서 이미지 신호 처리를 수행하거나 독립형 칩으로 처리할 수 있다. 또, SerDes 칩셋에 전원을 공급하기 위해 원격 카메라 모듈에서 흔히 찾아볼 수 있는 레일 또한 불필요하다. 카메라 모듈의 이미지 센서 및 기타 주변 장치에 전원을 공급하는 적절한 수의 레일을 갖춘 저전압 PMIC는 이러한 시스템에 필요한 작은 공간을 달성하는 데 도움을 준다.
그림 2 는 전방 카메라 시스템의 개략적인 블록 다이어그램을 보여준다. 일반적으로 백미러 근처에 있는 전면 유리 뒤편에 위치하여 처리를 수행하는 전방 카메라 전자 제어 장치(ECU)와 이미지 센서가 내장된 카메라 모듈로 구성되어 있다.
그림 2. 전방 카메라 시스템 블록 다이어그램
전면 카메라 애플리케이션에 사용되는 비전 프로세서에는 비전 프로세싱 가속기라고 하는 전용 하드웨어 가속기와 엣지의 물체를 감지하는 깊이 및 동작 인식 가속기가 있다. 또한 이러한 프로세서에는 딥 러닝에 도움이 되는 전용 매트릭스 멀티플라잉 가속기(matrix multiplying accelerator)와 함께 인공지능(AI) 기능이 있을 수 있다. 이러한 처리량을 감안할 때 PMIC는 솔루션 크기를 늘리지 않고도 프로세서의 요구사항을 충족할 수 있어야 한다.
PMIC는 솔루션 크기를 작게 유지하기 위해 최소한의 출력 정전 용량으로 AI 프로세서의 부하 과도 요구 사항을 충족하기 위해 우수한 과도 응답을 가져야 한다. 벅 레귤레이터, 낮은 드롭아웃 레귤레이터, 부하 스위치, 전압 모니터, 시퀀서, 감시 타이머, 오류 신호 모듈 및 추가 범용 입력/출력을 통합하면 전체 솔루션 크기와 비용을 증가시키는 여러 구성 요소를 사용하는 개별 접근 방식에 비해 작은 크기를 달성하는 데 도움이 된다.
이 애플리케이션에서 널리 사용되는 파워 트리 아키텍처는 2단계 전력 변환을 생성하여 총 효율성을 유지하고 부품 온도를 허용 범위 내로 유지하는 데 도움을 준다. 이 파워 트리 아키텍처에서 프런트 스테이지 DC/DC는 12V 배터리 전압을 조정된 중간 전압(예: 5V 또는 9V)으로 멀티 채널 PMIC로 강압한다. 프런트 단계 DC/DC는 광범위 VIN 벅 컨버터가 되어야 하며, 12V 배터리 전압 강하가 3V까지, 최대 36V의 서지를 지원한다.
두번째 과제: 기능 안전
자동 긴급 제동과 어댑티브 크루즈 컨트롤 기능에는 전방 카메라가 필요하기 때문에 기능 안전이 매우 중요하다. 전방 카메라 시스템은 종종 ASIL(Automotive Safety Integrity Level) B를 요구하는데, 이는 곧 프로세서에 대한 PMIC 공급 장치가 ASIL B 요구사항을 충족할 수 있어야 전반적인 시스템 수준의 기능 안전 요구 사항을 달성할 수 있다는 것을 의미한다.
아래는 ASIL B PMIC에서 기대할 수 있는 기능들의 예시다.
- PMIC 레일의 전압 모니터
- 시스템의 다른 레일을 감지하는 추가 모니터
- 밴드갭 중복성
- 소프트웨어 오류 감지를 위한 워치독 타이머
- 하드웨어 고장 감지를 위한 오류 신호 모니터.
세번째 과제: 저렴한 비용
저비용 시스템에 대한 요구사항은 승용차와 경상용 차량에서 전방 카메라를 대량으로 채택하게 되면서 대두되었다. 전방 카메라 시스템은 2028년까지 7000만 대 이상이 생산될 것으로 예상되면서 이제 차량에서 가장 일반적인 ADAS 애플리케이션 중 하나가 되었다.
높은 생산 볼륨은 티어 1 공급업체에 대한 비용 압박으로 이어지고, 이는 반도체 공급업체에게도 마찬가지다. BOM 수를 줄이고, 통합된 부품을 선택하고, 올바른 기술 노드를 선택하고, 실리콘 비용을 낮게 유지하면 전체 시스템 비용을 낮출 수 있다. PMIC는 작은 크기를 제공하고 여러 전원 부품을 통합하여 이러한 이점을 달성하고 비용을 최적화한다.
네번째 과제: 열 성능
전방 카메라가 차량 전면 유리에 위치한 것은 곧 정상적인 작동조건에서 카메라가 열에 노출된다는 것을 의미한다. 이러한 열은 열 잡음에 기여하며, 특히 저조도 조건에서 이미지 품질을 저하시킨다. 전방 카메라를 위한 소형 PCB 공간 확보 필요성과 카메라의 발열은 해당 애플리케이션에 더욱 많은 과제를 부여한다. 시스템이 다양한 조건에서 작동하기 위해서는 열 성능을 최적화하는 것이 매우 중요하다. PMIC의 열 성능은 회로 보드를 저온으로 유지하는 데 도움이 될 수 있다.
결론
ADAS 전방 카메라에 PMIC를 추가하면 위에서 설명한 네가지 문제를 완화하고 전방 카메라 시스템의 전력 및 열 효율을 개선할 수 있다. AM62A-Q1 또는 TDA4AL-Q1 프로세서 제품군은 시스템 요구 사항에 따라 전방 카메라 설계 프로세스를 간소화하는 데 적합한 선택이 될 수 있다.
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