[논문]Charged Cable Model (CCM) 정전기 방전(ESD)에 의한 전자제어장치의 손상

하명수; 정재민

doi:10.7467/ksae.2013.21.2.159

Charged Cable Model (CCM) 정전기 방전(ESD)에 의한 전자제어장치의 손상
Charged Cable Model (CCM) ESD Damage to ECU 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.2, 2013년, pp.159 - 165

하명수 (콘티넨탈오토모티브시스템 엔진시스템 하드웨어팀) , 정재민 (콘티넨탈오토모티브시스템 엔진시스템 하드웨어팀)

Abstract ▼ AI-Helper

ESD damage by Charged Cable Model (CCM) is introduced. Due to its own impedance characteristic unlike Human Body Model (HBM) or Machine Model (MM) electric component can be destroyed even though it is located after typical protection circuit. Possible mechanism of ESD damage to automotive electric control unit (ECU) in vehicle environment by CCM discharge was investigated. Based on investigation, field-returned vehicle whose ECU is expected to be damaged by CCM discharge was tested to reproduce it and similar electric component destruction inside ECU was observed. Suggestions to reduce the possibility of ESD damage by CCM are introduced.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 CCM ESD가 기존의 ECU 입력단 회로에 손상을 유발하는 메커니즘을 기술하고 실차 및 단품 시험을 통해 이를 검증하고자 한다. 또한 CCM ESD로 인한 손상 가능성을 감소시킬 있는 방안을 제안하고자 한다.
본 논문에서는 CCM ESD가 기존의 ECU 입력단 회로에 손상을 유발하는 메커니즘을 기술하고 실차 및 단품 시험을 통해 이를 검증하고자 한다. 또한 CCM ESD로 인한 손상 가능성을 감소시킬 있는 방안을 제안하고자 한다.
연료펌프 제어기는 이 배선을 통해 진단 정보를 엔진제어 장치에 전달하며, 배선에 문제가 포착되면 해당 정보가 엔진제어장치에 저장된다. 이러한 정보가 저장된 엔진제어장치 제품이 고객사로부터 전달되었고, 이에 대한 분석이 이뤄졌다. 분석 결과, microcontroller 내부 반도체에 있는 I/O pin단 클램핑 회로가 손상된 것이 발견되었으며(Fig.

제안 방법

ECU 커넥터 단에 긴 배선이 연결되어 있는 사실, 입력단 회로의 손상 없이 내부 microcontroller만 손상을 입은 사실 등을 근거로 해당 ECU가 CCM ESD 로 인해 손상된 것으로 판단하였고, 이를 재현하기 위해 단품 실험이 진행되었다. 1.5미터 길이의 전선에 2kV 고전압을 가하여 전하를 충전시켰고, 충전된 전선을 고객사로부터 전달된 엔진제어장치와 같은 종류의 제품의 해당 핀에 스위치를 통해 연결하였다(Photo 1).
충전된 배선을 커넥터를 통해 엔진제어장치에 연결한 결과, ESD 보호용 capacitor가 파괴되었다. 2kV 전압 레벨의 HBM ESD pulse는 ESD 보호용 캐패시터의 파괴를 발생시키지 않으므로 같은 전압 레벨에서 CCM ESD가 HBM ESD보다 더 큰 에너지를 방출하는 특성을 확인하였다(Fig. 3). 실험 결과 HBM ESD 를 가하면 5.
CCM 구현을 위해 엔진제어장치와 연료펌프 제어기로부터 배선 연결을 해제한 뒤, 배선의 연료 펌프 제어기 연결단에 ESD pulse(0Ω / 300pF, 2kV)를 가하여 전하를 충전시켰다.
ECU 커넥터 단에 긴 배선이 연결되어 있는 사실, 입력단 회로의 손상 없이 내부 microcontroller만 손상을 입은 사실 등을 근거로 해당 ECU가 CCM ESD 로 인해 손상된 것으로 판단하였고, 이를 재현하기 위해 단품 실험이 진행되었다. 1.
제품 실험 결과를 바탕으로 ECU의 해당 microcontroller pin 손상이 발생한 실제 차량에서 재현시 험을 진행하였다. CCM 구현을 위해 엔진제어장치와 연료펌프 제어기로부터 배선 연결을 해제한 뒤, 배선의 연료 펌프 제어기 연결단에 ESD pulse(0Ω / 300pF, 2kV)를 가하여 전하를 충전시켰다.

대상 데이터

그러나 0603 또는 0805 패키지가 CCM ESD 전류에 대해 더 높은 임피던스 특성을 보이므로, 긴 배선이 연결된 ECU 입력단 내부 회로에 소형 패키지 chip 저항을 적용하면 내부 microcontroller가 손상될 가능성이 증가한다. 실제로 본 논문 에서 CCM ESD 손상으로 간주된 입력단 회로의 직렬저항(Fig. 5, R1)에 0402 패키지가 사용되었다. 이를 0603 또는 0805 패키지로 변경하면 내부 microcontroller의 손상가능성을 감소시킬 수 있다.

성능/효과

1의 실험 및 시뮬레이션 결과를 토대로 CCM과 HBM의 방전 특성을 비교한 그래프이다.¹⁾ HBM이 높은 임피던스와 낮은 캐패시턴스 특성을 가진 반면에, CCM은 낮은 임피던스 특성을 가지고 있다. 이러한 낮은 임피던스로 인해 CCM은 다른 ESD 모델들에 비해 빠른 방전 속도를 보인다 (Fig.
5는 고주파수에서 chip 저항의 등가회로 모델을 나타내고 있다.⁷⁾ 주파수가 증가함에 따라, 저항의 기생 캐패시턴스로 인해 임피던스는 감소하기 시작한다. 주파수가 계속 증가하면 이전까지 감소하던 임피던스는 저항의 기생 인덕턴스로 인해 다시 증가하기 시작한다.
그리하여 높은 에너지를 가진 방전 전류가 ESD 보호용 캐패시터로 흐르면서 캐패시터의 손상이 발생한 것으로 간주할 수 있다. 방전 전류의 상승 시간은 공기의 흐름, 습도, 전자기장 등과 같은 외부 환경에도 민감한 영향을 받으며,⁴⁾ 빠른 방전 특성의 CCM ESD는 재현성이 낮다.¹⁾ 더 빠른 방전 특성이 나오는 환경에서 차량시험을 진행하면 차량에서도 엔진제어장치 내부 microcontroller의 손상을 재현할 수 있을 것으로 예상된다.
이러한 정보가 저장된 엔진제어장치 제품이 고객사로부터 전달되었고, 이에 대한 분석이 이뤄졌다. 분석 결과, microcontroller 내부 반도체에 있는 I/O pin단 클램핑 회로가 손상된 것이 발견되었으며(Fig. 8), 손상된 pin과 배선 사이를 연결해 주는 ECU 입력 회로는 손상을 입지 않은 것으로 밝혀졌다.
3). 실험 결과 HBM ESD 를 가하면 5.3kV에서부터 ESD 보호용 capacitor가파괴되는 경향이 관찰되었다.
실험 결과, 내부 microcontroller가 손상된 제품이 발생하였고, 이로부터 CCM의 빠른 방전 전류(Fig. 2) 에 대해 ECU 입력단 회로의 ESD 보호 기능이 제한될 수 있는(Fig. 6) 가능성이 확인되었다(Fig. 9).
CCM 구현을 위해 엔진제어장치와 연료펌프 제어기로부터 배선 연결을 해제한 뒤, 배선의 연료 펌프 제어기 연결단에 ESD pulse(0Ω / 300pF, 2kV)를 가하여 전하를 충전시켰다. 충전된 배선을 커넥터를 통해 엔진제어장치에 연결한 결과, ESD 보호용 capacitor가 파괴되었다. 2kV 전압 레벨의 HBM ESD pulse는 ESD 보호용 캐패시터의 파괴를 발생시키지 않으므로 같은 전압 레벨에서 CCM ESD가 HBM ESD보다 더 큰 에너지를 방출하는 특성을 확인하였다(Fig.
패키지의 크기가 작을수록 기생 캐패시턴스와 기생 인덕턴스가 감소하여 공진주파수가 증가하는 경향을 보인다. 고주파에서 소형 패키지가 더 낮은 임피던스 특성을 보이므로, 이에 상응하는 방전 속도를 가진 CCM ESD 전류가 발생할 경우, 방전 전류가 소형 패키지의 chip 저항을 통과할 가능성이 중형 패키지의 chip 저항보다 높다.

후속연구

방전 전류의 상승 시간은 공기의 흐름, 습도, 전자기장 등과 같은 외부 환경에도 민감한 영향을 받으며,⁴⁾ 빠른 방전 특성의 CCM ESD는 재현성이 낮다.¹⁾ 더 빠른 방전 특성이 나오는 환경에서 차량시험을 진행하면 차량에서도 엔진제어장치 내부 microcontroller의 손상을 재현할 수 있을 것으로 예상된다.
현재까지 자동차 전장 분야에서는 CCM ESD에대한 연구가 활발하게 이뤄지지 않고 있는 실정이다. 그러나 CCM ESD는 ECU의 손상을 유발할 수 있으므로 보다 많은 사례 연구와 자동차 환경에서 발생할 수 있는 CCM ESD의 에너지 및 전압 강도에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자제어장치는 무엇을 거치는가?	일반적으로 자동차에 장착되는 전자제어장치(ECU, Electric Control Unit)는 정전기 방전(ESD, Electro-Static Discharge) 충격에 내성 있는 회로설계 과정 및 규격화된 ESD 시험 검증을 거친다. 자동차 전장품의 ESD 내구 시험 검증을 위한 규격은 ISO/ IEC 국제 표준 및 각 완성차 업체에서 구체적으로 정의하고 있으며, ECU 제품이 사람 혹은 기계와 접촉 시 발생할 수 있는 ESD 특성을 모델링한 Human Body Model (HBM), Machine Model (MM) 조건을 명시하고 있다.
	ECU에서 자동차 배선과 다른 전위를 가지는 물체 간의 전하 이동은 언제 생기는가?	또 다른 경로로 자동차 배선과 다른 전위를 가지는 물체 간의 전하 이동이 있을 수 있다. ECU 또는 작업자와 자동차 배선이 접촉했을 때, 두 객체 간의 전위차가 존재하면 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전하가 이동하면서 자동차 배선이 충전된다.
	자동차 전장품의 ESD 내구 시험 검증을 위한 규격은 어디에서 구체적으로 정의하고 있는가?	일반적으로 자동차에 장착되는 전자제어장치(ECU, Electric Control Unit)는 정전기 방전(ESD, Electro-Static Discharge) 충격에 내성 있는 회로설계 과정 및 규격화된 ESD 시험 검증을 거친다. 자동차 전장품의 ESD 내구 시험 검증을 위한 규격은 ISO/ IEC 국제 표준 및 각 완성차 업체에서 구체적으로 정의하고 있으며, ECU 제품이 사람 혹은 기계와 접촉 시 발생할 수 있는 ESD 특성을 모델링한 Human Body Model (HBM), Machine Model (MM) 조건을 명시하고 있다.

참고문헌 (7)

B. Arndt, F. zur Nieden, R. Poehmerer, J. Edenhofer and S. Frei, "Comparing Cable Discharge Events to IEC 61000-4-2 or ISO 10605 Discharges," IEEE EMC 20th Symposium, pp.157-160, 2009.
L. Chang, Cable Discharge Event, National Semiconductor Application Note 1511, 2006.
W. D. Greason, "Analysis of Cable Discharge Event," IEEE Electrostatics Joint Conference, Boston University, 2009.
Cable Discharge Event in the Local Area Network Environment, Intel, 249812-001, 2001.
R. S. Johnson, C. Wakeman and W. Cuviello, "Frequency Response of Thin Film Chip Resistors," Technical Note 60107, Vishay, 2009.
Chip Resistors - introduction, application note chip registors, Philips Components, Laguna Hills, pp.184-197, 1999.
Electromagnetics Research Group, EMC Course (EMC 407) Note Module 5 : Non-ideal Behavior of Circuit Components, pp.1-34.

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