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센서 설계의 간소화를 위한 디지털 출력 드라이버
양대규 기자 | 승인 2018.01.25 13:54

[EPNC=양대규 기자] 고집적 디지털 출력 드라이버는 디지털 센서의 기능을 확장하고 설계는 간소하며 견고하게 개선한다

자동차 기술의 발전은 공장을 더욱 효율적이면서 지능적으로 유연하게 관리할 수 있게 한다. 이런 발전이 현실화되려면, 다양한 작동 조건, 환경 인자, 프로세스 변수를 모든 생산 단계에서 지속적으로 모니터링 할 수 있어야 한다. 모니터링의 증가로 센서를 더 작고, 튼튼하며, 효과적인 비용으로 만들어야 할 필요가 있다. 이 글은 아날로그 보고가 필요하지 않을 때, 공장 자동화와 프로세스 자동화 애플리케이션에서 자주 쓰이는 디지털 출력 센서에 대해 알아본다.

디지털 출력 센서
디지털 출력 센서는 압력, 온도, 목표 근접거리 같은 실생활 변수들을 변환기 쓰레스홀드 레벨을 기본으로 바이너리 상태로 변환한다. 센서는 이런 바이너리 상태를 전기적으로 고전압, 저전압, 고임피던스 등으로 표현하고, PLC(Programmable Logic Controller)와 바이너리 액추에이터 중 하나로 출력을 전송해, 센서값의 변화를 바탕으로 동작을 발생시킨다. 센서는 주로 PNP(p-channel n-channel p-channel), NPN(n-channel p-channel n-channel), 푸시-풀 세 가지 타입의 출력을 사용한다. 

[그림 1] PNP(왼쪽), NPN (중앙), 푸시-풀(오른쪽) 출력 타입

개별 구현
외견상 보이는 바이너리 출력의 간결함 때문에, 많은 개발자가 개별 트랜지스터를 바탕으로 개별 구현을 선택한다. 기본 출력-스위칭 기능의 구현을 위해서는 단 하나의 트랜지스터만으로도 충분하다. 하지만 센서가 공통 시스템 요건들을 충족할 수 있게 하려면, 다양한 컴포넌트가 필요하다.

[그림 2] PNP (위), NPN (중앙), 푸시-풀 (아래) 출력의 구현 모습

▲센서를 현장에 설치할 때, 양과 음의 전력공급이 뒤바뀌거나 그 센서 출력에 연결되는 등의 배선 오류가 일어날 수 있다. 이 같은 상태에서 센서 손상을 막기 위해서는 역극성 차단 다이오드를 사용해야 한다.
▲작동 중일 때 센서 출력과 파워 레일은 전자기 방출이나 전압 써지 커플링 같은 순간적인 스트레스가 배선에 가해지는 상황이 생길 수 있다. 이를 방지하는데 TVS(Transient Voltage Suppression) 다이오드가 자주 사용된다. TVS는 고전류 써지 이벤트가 벌어질 때도 센서의 지원 전압 범위 내에 전압을 고정하기 때문에 컴포넌트를 선택할 때 주의를 기울여야 한다.
▲관리가 소홀하면 열 손상이 일어날 수 있어, 트랜지스터의 과도한 전력 소실을 방지하려면 과전류 보호가 필요하다. 이를 위해서는 트랜지스터와 직렬로 전류 감지 회로를 배치해야 하는데, 이는 센서 출력 위치에 전압 강하를 가져올 수 있다. 때에 따라, 추가 전압 강하가 연결된 디지털 입력의 입력 전압 스펙을 센서가 충족하지 못하게 방해를 하기도 한다. 또한, 과전류 상태가 계속될 때, 사용이 해제되도록 출력 트랜지스터를 제어할 수 있는 [그림 2]에 나와 있지 않은 추가 로직도 필요하다.
▲센서 출력 라인의 외부 풀-업다운 저항기들은 고임피던스 디지털 입력에 연결돼 있을 때도 출력 전압을 온전히 높게 또는 낮게 유지한다. 
▲대다수 센서는 5V나 3.3V 등의 저전압 파워 레일과 고전압 DC 필드 서플라이가 필요하다. 저전압 레일은 특정 센서 구성요소, 마이크로컨트롤러, 기타 논리 회로 등을 구동할 수 있다. 이를 위해서는 리니어 레귤레이터나 스위치드-모드 DC/DC 컨버터 같은 추가 전압 레귤레이터를 포함해야 한다.
▲저전압 레일에서 작동하도록 설계된 센서의 경우, 추가 드라이버 회로로 저전압 센서 출력을 충분히 높은 신호로 변환해야 PNP 출력 트랜지스터를 온전히 사용할 수 있다.  

개별 구현의 다른 단점은 비교적 유연성이 떨어진다는 것이다. 센서는 PNP, NPN, 푸시-풀 등의 모드들을 번갈아 재구성할 수 없다. 구현된 경우, 모든 출력 전류 한계값은 고정된다. 설계자가 여러 다양한 센서 디바이스들로 서로 다른 입력 타입들과 연결을 해봐야 할 수도 있다는 뜻이다.

통합 구현
[그림 2]처럼 반도체 벤더들은 모든 기능을 단일 집적회로에 구현시킨 고집적 솔루션을 개발함으로써 더 작고 튼튼하며 유연한 센서에 대한 시장의 필요에 부응했다. [그림 3]은 이런 디바이스의 예인 TI의 ‘TIOS101’을 보여준다.

[그림 3] TIOS101 블록 다이어그램

이 집적 방식에는 몇 가지 핵심 장점이 있다. 주요 장점 중 하나로 높은 수준의 과도 현상보호를 구현할 수 있다. TIOS101의 경우 ▲국제전기기술위원회(IEC) 61000-4-2에 따른 전자기 방출 DSD에 대해 최대 ±16kV까지 ▲IEC 61000-4-4에 따른 전기적 고속 과도전압의 경우 최대 ±4kV까지 ▲500-Ω 소스 임피던스에서 IEC 6100-4-5에 따른 써지는 최대 ±1.2kV까지 외부 컴포넌트 없이도 시스템 레벨 면역을 달성할 수 있다. 보호가 더 필요한 경우, 이 디바이스의 ±65-V 과도전압 내성이 작고 비용 효과적인 TVS 다이오드를 사용할 수 있다.
개선된 과도전압 면역과 더불어, 집적 디바이스 역시 DC 스트레스를 견뎌낼 수 있다. 집적된 역극성 차단 다이오드는 배선 오류 시에도 손상을 막아준다. 출력 과전류 보호와 초과온도 차단을 구현하면 출력 라인에서의 단락과 그로 인한 높은 전력 소실 같은 잘못된 상태에서의 센서 손상을 방지할 수 있다. TIOS101 디바이스는 단 하나의 외부 저항만을 변화시킴으로써 넓은 범위에 걸쳐 출력 과전류 쓰레스홀드를 구성할 수 있으며, 여러 쓰임새에 맞춰 같은 설계를 활용할 수도 있다. 
출력 전류가 구성된 쓰레스홀드를 특정 시간 동안 초과하면, 출력 드라이버가 자동으로 스스로를 차단한다. 단일 로직 출력 핀을 통해 고장 상태를 표시한 후 일정 시간이 지나길 기다렸다가 다시 작동한다. 이 기능은 타이머같이 고장 상태를 관리해줄 외부 로직의 필요성을 없애준다. 단기간 큰 전류를 조달하거나 동기화한 후에 과전류 보호를 작동할 수 있는 TIOS101 출력 드라이버의 능력은 유도부하의 경우 센서가 상당한 자기소거(Demagnetization)를 필요로 하거나 전기용량성 부하의 경우 방출을 해야 하는 부하들과 직접 접속할 수 있도록 해준다.  
또한, 이런 디바이스는 센서 설계자가 공통 하드웨어 구현으로 여러 가지 출력 타입들을 지원할 수 있게 해준다. 센서는 단 두 개의 로직 라인 제어를 통해 NPN, PNP, 푸시-풀로 재구성할 수 있다. 세 가지 출력 타입 모두를 위한 단일 설계는 백 엔드에서의 개발과 제품 검정, 재고 관리를 간소하게 만든다.
마지막으로 집적 디바이스를 이용하면 간단한 출력 스위칭 외에도 다른 기능들을 넣을 수 있다. TIOL101-5는 디지털 출력 드라이버와 더불어 리니어 전압 레귤레이터를 집적해, 저전압·저전류 파워 레일을 구현하는 센서에 필요한 컴포넌트들의 수는 줄어든다.
이런 장점에도, 집적 디지털 출력 드라이버는 인쇄회로기판에 작더라도 풋프린트를 여전히 남긴다. TIOS101 디바이스의 너비는 시그널 루팅 흐름과 함께 폼팩터가 극도로 작은 센서를 가능하게 한다.

결론
보다 효율적이고 지능적인 산업 생산 동향을 한층 더 발전시키려면 작고 튼튼하고 유연한 디지털 출력 센서가 필요하다. 완전 개별 출력 드라이버 구현들이 넘쳐나고 있지만, 새로운 차원의 고집적 디바이스를 이용해 성능을 높이고 기능을 확장하면서 컴포넌트 개수와 솔루션 크기를 줄일 수 있다. 

글: 맥스 로버트슨 (Bruce Trump) TI 애플리케이션 매니저

자료제공: 텍사스 인스트루먼트

#TI#센서#PLC#PNP#컴포넌트#디지털 출력 센서

양대규 기자  yangdae@epnc.co.kr

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