오늘날 전자장치 설계자는 보다 더 빠른 데이터 속도, 더 우수한 분해능, 더 효율적인 시스템, 빠른 제품 출시를 달성해야 하는 공통적인 일련의 목표에 직면해 있다. 산업 자동화, 의료용 전자기기, 통신 시스템과 같은 애플리케이션 분야에서는 종종 노이즈나 높은 전압이 시스템 무결성과 안전을 저해하지 않으면서 서브시스템이 데이터나 제어 신호를 공유할 수 있도록 여러 신호를 전기적으로 절연할 필요가 있다.
그러나 신호 절연만으로 노이즈와 높은 전압으로부터 완전한 절연을 제공하기에는 충분하지 않으며 전원 공급장치도 함께 절연해야 한다. 절연된 전원 공급장치를 설계하는 데에는 종종 전문적인 기술과 경험이 필요하다. 정확한 전문지식과 부품, 도구가 없는 경우 소중한 시간을 들여 반복적인 작업을 거쳐야 올바른 설계를 얻을 수 있다. 다행히 뛰어난 신호 절연과 전원 절연 기능을 단일 IC에 결합한 플러그-앤-플레이 절연 솔루션이 출시돼 고전압 전원 공급장치의 설계 과정을 간소화할 수 있다.
<글 : 아쉬시 고칼레(Ashish Gokhale) 실리콘랩스 절연 제품 총괄 매니저>
<자료제공 : 실리콘랩스(www.silabs.com)>
신호 절연 기본원리
다음과 같은 설계에 핵심적인 기능을 제공하기 위해서는 신호 절연이 필수적이다.
고전압으로부터 보호 = 절연은 보다 높은 전력 레벨이 요구되는 시스템에서 고전압에 대해 절연체 역할을 하는 유전체 장벽을 제공한다.
레벨 변환 = 서로 다른 전압 레일로 동작하는 회로 간에 노이즈 없는 데이터 전달을 구현하는 것은 전자장치 설계자가 직면하는 공통적인 과제이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 비절연 레벨 시프터가 나와 있지만 아이솔레이터를 사용할 경우 여러 확실한 장점을 얻을 수 있다. 아이솔레이터는 가장 노이즈가 없는 견고한 솔루션이며 디바이스의 의도하지 않은 온·오프 전환을 일으킬 수 있는 기생 경로를 방지한다.
노이즈 제거 = 절연된 제품은 전기 회로의 접지 전류(리턴 경로)를 장벽의 한쪽 면으로만 제한하므로 다른 한쪽에 민감한 측정을 위한 노이즈 없는 환경을 제공할 수 있다.
시스템 고려사항
효과적인 절연이 달성되도록 보장하려면 설계자는 하나의 회로[그림1]의 회로 A에서부터 절연이 필요한 다른 회로[그림1] 회로 B까지 모든 가능한 결합 경로를 제거해야 한다. 따라서 신호를 절연하는 경우 전원 절연이 똑같이 중요하다.
회로 설계자에게 있어 신호를 절연하는 문제는 두 배로 어렵다. 안전하고 신뢰할 수 있으며 정확한 신호 절연뿐 아니라 전원 절연까지 제공해야 하기 때문이다. 설계자의 요구에 맞춰 신호 절연을 위해 사용할 수 있도록 데이터 속도, 지터 제한, 노이즈 내성 문제, 고전압 성능, 다양한 절연 부품 안전 표준 준수에 기반한 여러 솔루션이 나와 있다. 그러나 단지 1와트 정도의 절연 전력이 필요한 많은 애플리케이션을 위해 간편하게 구현할 수 있는 전원 절연 솔루션은 매우 드물다.
애플리케이션 예
공장 자동화 시스템은 복잡한 제조 공정을 모니터링하고 제어하기 위해 효율적이고 신뢰할 수 있는 실시간 분산 네트워크에 의존한다. [그림2]는 이러한 시스템에 사용되는 전형적인 간략한 계층적 구조를 보여준다.
공장 조정실의 휴먼 머신 인터페이스(HMI)는 중간 컨트롤러 레벨에 연결되며 동시에 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)에 의해 제어되는 모터 드라이브 유닛 또는 기계의 일부로 센서와 액추에이터가 배치되는 물리적 계층까지 내려간다.
물리적 계층은 프로세스 모듈에 탑재되거나 공장 플로어 또는 플랜트 전체에 배치된 센서와 액추에이터를 연결한다. [그림2]에서 보듯이 CAN 기반 버스가 다양한 모터 제어 유닛과 통신을 하고 RS-485 기반 버스(PROFIBUS)는 공장 플로어의 다양한 기계와 통신한다.
이러한 물리적 계층은 노이즈가 많은 환경에서도 매우 견고할 뿐 아니라 수백 평방 미터에 달하는 공장 플로어에 요구되는 긴 거리와 멀티 포인트 통신을 지원하므로 주로 산업 자동화에 사용된다. 이들 버스는 CAN 또는 RS-485 트랜시버를 통해 버스에 연결되는 다중 노드를 갖는다. 네트워크 내의 높은 전압과 높은 전자기(EM) 노이즈, 높은 접지 전위차로부터 보호하려면 이러한 인터페이스에 대한 절연이 필수적이다.
[그림3]은 프로세서로부터 절연된 RS-485 트랜시버 노드의 상세한 다이어그램을 보여준다. 설계자는 아이솔레이터의 2차측 및 절연된 측의 RS-485 트랜시버에 절연된 전원을 제공하기 위해 여러 개의 디스크리트 부품을 사용하여 처음부터 솔루션을 직접 설계해야 하는 경우가 많다.
[그림 3]의 트랜시버는 하프 듀플렉스 디바이스이며 수신 라인과 송신 라인이 함께 연결돼 있다. 트랜시버는 [그림3]에서 A와 B로 표시된 차동 I/O를 통해 RS-485 버스와 통신한다. 또 트랜시버는 Rx(수신기)와 Tx(송신기)로 표시된 단일 종단 디지털 I/O 및 송신기를 제어하는 EN(인에이블 핀) 신호를 통해 프로세서에 인터페이스를 제공한다.
트랜시버는 일반적으로 0.5W~1W 전력과 함께 빠르고 정확한 디지털 절연을 필요로 하는 2개에서 4개의 디지털 신호를 갖는다. 이 전력은 다음과 같은 특성을 갖는 전용 절연 소스에 의해 공급돼야 한다.
초소형 솔루션 = 특정 애플리케이션에 따라 공간이 가장 중요한 요건일 수 있다. 일반적으로 더 작은 BOM(bill of materials)이 항상 제조 가능성, 신뢰성, 비용에서 더 우수하다.
높은 효율 = 발열을 최소화하고 친환경 에너지 표준을 만족하려면 높은 효율과 함께 초소형 솔루션을 갖는 것이 중요하다.
낮은 EMI = 민감한 측정의 경우 전체 시스템 노이즈를 최소화하도록 유지하는 것이 핵심적이다. 특정 용도로 방사 스펙트럼을 세밀하게 조정하려면 개발자가 dc-dc 컨버터의 스위칭 주파수를 선택할 수 있는 프로그래머블 주파수 옵션을 갖는 것이 바람직하다.
안전 기능 = 안전이 최우선 과제인 산업 환경에서 디바이스는 돌입 전류를 방지하는 소프트 스타트 옵션, 전류 제한 기능, 열 검출과 과열 시 자동 셧다운 등을 갖추는 것이 좋다.
다중 절연 채널 = 절연된 전원 솔루션은 안전 표준을 만족할 수 있도록 최소 2.5kVrms 정격 절연을 갖는 다중 절연 채널을 지원해야 한다. 아이솔레이터는 노이즈가 존재하는 환경에서도 뛰어난 신호 무결성을 가져야 한다.
전원 및 신호 절연을 위한 솔루션
현재 나와 있는 제품 중 방사를 최소화하고 효율을 극대화하면서 초소형 요건과 전력 공급 능력 간에 최적의 균형을 달성하는 절연 제품은 몇 개에 지나지 않는다.
[그림3]은 FET(field-effect transistor) 전원 스위치, 펄스 폭 변조(PWM) 컨트롤러, 오차 증폭기, 피드백을 위한 옵토커플러 및 기타 전원 절연을 지원하는 BOM을 사용하는 디스크리트 솔루션을 보여준다. 이와 같은 솔루션은 매우 흔히 볼 수 있다. 그러나 이러한 솔루션은 맨 처음부터 설계를 해야 하고 전문적인 기술과 경험을 필요로 할 뿐 아니라 적절한 결과를 얻기까지 여러 번의 반복적인 작업을 거쳐야 한다.
일부 솔루션은 디지털 절연과 전원 트랜스포머를 단일 IC 패키지에 통합했다. 이러한 공심형(air core) 트랜스포머는 결합 계수가 상당히 떨어져 등가 전력을 제공하려면 훨씬 높은 주파수에서 구동해야 한다. 이 방법은 전자기 간섭(EMI)에 훨씬 높은 방사 프로파일을 요구하므로 많은 설계자에게 어려움을 안겨준다.
뿐만 아니라 이러한 솔루션의 전력 컨버터 효율은 통상 낮아 10-35% 이하이다. 이와 같은 솔루션은 공간이 가장 중요한 요건이고 효율과 높은 방사가 문제되지 않는 애플리케이션에 사용할 수 있겠지만 더욱 많은 경우 이러한 솔루션은 실용적이지 않다.
현재 신호 아이솔레이터와 DC-DC 컨버터를 통합하고 디스크리트 트랜스포머와 함께 사용하도록 설계된 다른 솔루션들이 나와 있다. 최고 효율과 통합을 제공하도록 최적화된 이들 초소형 단일 칩 솔루션은 약 78% 효율로 최대 2W 전력을 제공할 수 있다.
예를 들어 실리콘랩스의 Si88xx 절연 제품은 쿼드 디지털 아이솔레이터와 수정된 플라이백 토폴로지 dc-dc 컨버터를 결합하고 2차 감지 피드백 제어를 내장한다. Si88xx 디바이스는 디더링 기법을 채택해 방사를 크게 낮추도록 설계됐다.
그 밖의 기능으로는 시동시 돌입 전류를 방지하는 소프트 스타트 기능, 주기별 전류 제한, 열 검출, 과열시 셧다운, 스위칭 손실을 줄여주는 사이클 스키핑 그리고 낮은 부하에서 증대된 효율 등이 있다.
Si88xx 아이솔레이터의 옵션은 5V에서부터 24V까지 다양한 전압 레벨, 그리고 디지털 절연 채널과 방향성에 대한 다양한 조합을 제공한다. 이 솔루션은 실리콘랩스의 독자적인 신호 절연 기술을 이용하고 획기적으로 낮은 EMI 프로파일로 높은 통합과 고효율, 매우 낮은 EMI를 제공한다.
[그림4]는 Si88xx 아이솔레이터의 간소화된 블록 다이어그램을 보여준다. Si88xx 디바이스는 4개의 고속 디지털 절연 채널 외에도 DC-DC 컨트롤러와 함께 외부 트랜스포머로 전력을 변조하는 내부 FET 스위치를 통합하고 있다.
출력측은 외부 저항 분배기를 통해 피드백을 통합해 뛰어난 라인 및 부하 레귤레이션을 제공한다. DC-DC 컨버터는 디더링 기법을 사용해 EMI 피크를 최소화하고 영전압 스위칭(ZVS) 방식을 이용해 전력을 트랜스포머로 변조할 때 전력 손실을 최소화한다.
디바이스는 낮은 부하에서 사이클 스키핑을 사용해 스위칭 손실을 최소화하고 효율을 높인다. 다양한 안전 기능으로 주기별 전류 제한, 돌입 전류를 방지하는 소프트 스타트, 열 셧다운이 제공된다. 디바이스는 또한 소프트 스타트 시간 제어, DC-DC 컨버터를 위한 셧다운 옵션, EMI 프로파일 미세 조정을 위한 스위칭 주파수 제어와 같은 여러 가지 사용자 프로그래밍 가능한 기능을 통합하고 있다.
Si88xx 아이솔레이터는 [그림5]에 보이는 애플리케이션 예제에 이상적이다. 2.5kVrms 정격의 절연된 트랜스포머는 Si88xx IC와 매끄럽게 동작하도록 설계됐다. 저항, 다이오드, 커패시터와 같은 몇 개의 다른 저렴한 부품들을 추가하면 개발자는 완벽한 전원 및 신호 절연 솔루션을 구현할 수 있다.
요약
현재 뛰어난 디지털 절연 특성과 높은 전력 변환 효율 그리고 낮은 EMI 방사를 결합한 단순하고 우아한 IC 솔루션이 출시돼 절연 전원 공급장치의 개발을 간소화한다. 이 플러그-앤-플레이 솔루션은 많은 비용이 드는 설계 시간과 반복되는 작업을 없애주고 전원 설계로부터 추론을 수행함으로써 1차 시도에서 성공을 보장하고 제품 출시 시간을 단축시킨다.
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