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‘Sensor2Go’ 이용해 빠르고 손쉽게 센서 설계하는 방법
이나리 기자 | 승인 2018.02.12 09:54

[EPNC=이나리 기자] 자기 센서는 속도, 위치, 각도, 전류 같은 파라미터들을 측정 할 수 있게 한다. 시중에는 자기 센서를 기반으로 한 제품 설계를 돕는 다양한 개발 키트가 나와 있어 편리하나, 필요한 마그넷, 센서를 포함하지도 않고서 500유로에 이를 만큼 꽤 비싼 가격이 부담된다. 이에 인피니언은 ‘프로덕트투시스템(Product2System)’이란 전략의 일환으로 자사 센서 제품에 대한 평가 작업을 편리하게 할 수 있도록 약 20유로 가격대의 다양한 설계 키트를 제공하게 됐다. 

개발자는 센서를 설계하는 조기 단계에서 자신이 선택한 센서가 특정한 성능 요구를 충족할지를 판단할 수 있어야 한다. 그러기 위해서는 성능을 쉽고 빠르게 평가할 수 있어야 하고, 그 다음 단계에서는 다양한 파라미터 조합으로 동작 범위를 결정해야 하며, 마그넷이 손쉽게 입수 가능한 것이어야 한다. 최종적으로 개발자는 그 센서를 사용해서 제조가 용이할지 검토가 필요하다. 

3D 센서가 탑재된 게이밍 조이스틱

인피니언은 3D 자기 센서 Sensor2G, 전류 센서 Sensor2G, 속도 센서 Sensor2G 등 다양한 평가 키트를 제공해 개발자가 설계 작업의 조기 단계에서 해당 애플리케이션으로 센서가 어떻게 동작할지를 살펴볼 수게 한다. 현재 평가 키트를 지원하는 제품은 3차원 위치 검출 용의 TLV493D 자기 센서, TLI4970 전류 센서, TLE4922 속도 센서 등이다.

정확한 3차원 센싱

TLV493D 3D 자기 센서[그림 1]는 x, y, z의 세 방향으로 자기장을 측정하고 3차원 직선 또는 회전 움직임을 검출할 수 있어 자동차, 산업용, 컨슈머 분야의 다양한 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 대표적인 애플리케이션으로는 조이스틱, 가전기기 제어, 다기능 버튼, 계량기 조작 방지를 비롯해 정밀한 위치 측정과 낮은 전류 소모를 필요로 하는 애플리케이션을 예로 들 수 있다. 관련 제품 중 하나인 TLV493D-A1B6는 2.9mm x 1.6mm 크기의 TSOP-6 패키지로 제공된다.

[그림 1] 인피니언의 TLV493D 3D 센서는 고정밀 3차원 센싱을 제공한다.

이 센서 칩은 수직과 수평 홀 플레이트(Hall plate)를 채택하고 있다. 수직 홀 플레이트는 평면 x, y 자기장 성분을 검출할 수 있고, 수평 홀 플레이트는 수직 z 자기장 성분을 검출할 수 있다. 또한 이 센서 제품은 절전형 오실레이터 같은 기술들을 적용함으로써 전류 소모를 단 수 마이크로암페어(μA)로 줄이고 있다. 또한 빠른 two wire I2C 기반 인터페이스를 통해서 디지털 출력을 제공하므로 버스 모드를 사용할 수 있고, 센서와 마이크로컨트롤러 사이에 양방향 통신을 할 수 있다. 

3D 자기 센서 Sensor2Go 설계 키트[그림 2]는 3D 자기 센서와 Arm 코어텍스(Cortex)-M0 프로세서를 채택한 XMC1000 마이크로컨트롤러를 기반으로 한 평가 보드를 제공한다. 이 키트는 디버거를 비롯한 모든 필요한 구성요소와 기능을 포함하므로 효율적인 설계를 할 수 있다. 디버깅과 USB 통신을 위해서는 XMC4200 마이크로컨트롤러를 사용할 수도 있으며, 마이크로 USB 커넥터를 통해서 전원 공급과 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 통한 통신을 할 수 있다. 또한 이 보드는 전원과 디버깅 상태를 표시하는 LED와 사용자 구성 가능 LED, 전압 컨트롤러, 역 전류 다이오드, ESD 보호 다이오드를 포함한다. 또한 핀 헤더를 통해서 오실로스코프나 외부 마이크로컨트롤러를 연결할 수 있다.

또한 이 패키지는 마그넷과 마그넷 홀더를 제공하므로 평가 보드 상에 원하는 대로 탑재할 수 있다. 예로 [그림 2]는 조이스틱 또는 회전식 노브 용으로 마그넷 홀더(어댑터)를 포함하는 3D 자기 센서 Sensor2Go를 보여준다. 

[그림 2] 조이스틱 또는 회전식 노브 용으로 마그넷 홀더(어댑터)를 포함하는 3D 센서 Sensor2Go

더불어 전문적인 온라인 설계 툴을 제공한다[그림 3]. 이 설계 툴은 각도, 직선 측정과 조이스틱 같은 센서 애플리케이션을 지원하고, 각각의 애플리케이션에 대해서 사전에 정의된 마그넷이나 사용자 맞춤화 마그넷을 사용할 수 있다. 이 온라인 시뮬레이션 툴을 사용해서 마그넷, 마그넷의 움직임, 센서 위치를 정의할 수 있다. 센서가 이 움직임을 검출하고 출력으로 그에 해당되는 신호를 제공한다. 사용자가 각도 측정을 할 움직임을 선택할 수 있다.

이것은 마그넷의 회전이나, 직선 움직임, 조이스틱 애플리케이션의 경우에 3D 마그넷 움직임이 될 수 있다. 또 이 툴은 각각의 센서 위치에 대해서 3개 자기장 위치를 자동으로 계산한다. 이 계산은 사용자가 정의한 센서 구성과 센서와 마그넷의 조립 허용오차를 반영해서 이뤄진다.

또한 이 키트의 소프트웨어 패키지는 PC 용의 그래픽 사용자 인터페이스와 펌웨어를 포함한다. 펌웨어는 마이크로컨트롤러의 플래시 메모리에 저장돼 있으며 이를 사용해서 3D 센서와 통신할 수 있다. 또한 Segger J-Link USB 드라이버는 PC와 평가 보드를 연결할 수 있다. 또한 3D 자기 센서 Sensor2Go는 x, y, z 방향으로 측정 업데이트 속도 같은 다양한 동작 모드를 조절할 수 있으며, 전류 소모를 최적화하도록 조절할 수 있다. 

[그림 3] 온라인 시뮬레이션 툴을 사용해서 마그넷, 마그넷의 움직임, 3D 센서 위치를 정의할 수 있다.


손쉬운 전류 측정

TLI4970은 인피니언의 홀 효과(Hall effect) 기술을 기반으로 한 고정밀 전류 센서다. TLI4970은 일차 측으로서 버스바(Busbar), 그리고 이차 측으로서 마이크로컨트롤러로의 인터페이스 사이에 갈바니 절연을 한다[그림 4]. 

개방 루프 구성에서는 같은 자기 선속 집속기(Magnet flux concentrator)가 없는 ‘코어리스(Coreless)’ 구조이므로 소자 크기를 현저히 줄일 수 있다. 또한 이 구조는 히스터리시스 효과를 방지하고, 디지털 센서 솔루션으로써 외부적인 캘리브레이션을 필요로 하지 않으며 AD 컨버터, 연산 증폭기, 전압 레퍼런스 같은 추가적인 부품을 필요로 하지 않는다. 이런 이유로 설계를 간소화하고 PCB 공간과 비용을 줄일 수 있어 장점이다. 

[그림 4] 인피니언의 홀 기반 TLI4970 전류 센서의 구조


QFN과 유사한 소형 SMD 패키지(7.0mm x 7.0mm)를 적용한 이 칩 제품은 온도와 수명에 걸쳐서 1.6%의 높은 정확도와 75mA의 최대 오프셋 오차를 제공한다. 또한 TLI4970은 구성 가능한 임계값을 적용한 과전류 검출 기능과 프로그래머블 필터를 포함한다. 정격 전류 소모는 12mA이다.

또한 TLI4970은 차동 측정 원리를 적용함으로써 외부 자기장으로부터 간섭에 대해서 내성이 뛰어나며, 온도와 기계적 스트레스를 측정하기 위해서 각기 별도의 구조를 사용한다. 작동 시에 두 파라미터를 각기 별개로 측정하므로 영구적이면서 효과적으로 오프셋을 할 수 있다. 이에 따라 장기적으로 안정적인 측정을 할 수 있으며, 효율적이고 신뢰할 수 있고 비용적으로 최적화된 컨버터나 드라이브를 구현할 수 있다.

TLI4970은 태양광 컨버터, PFC를 적용한 전원장치, 충전기, 전기 드라이브 같은 애플리케이션으로 최대 50A에 이르는 교류와 직류를 측정할 수 있다. 비접촉 측정이라서 어떤 추가적인 손실을 일으키지 않으므로 저전력 디자인에 이상적이다(RP < 0.6m). 또한 부유 자기장 (Stray field)억제 기능을 통합함으로써 외부 자기장에 대해서 내성이 뛰어나다.

이 센서 제품은 정확한 전류 측정을 할 수 있을 뿐만 아니라, 또한 전력 증폭기 같은 경우에 효율적인 보호를 할 수 있다. 예를 들어서 외부적 단락 회로는 심각한 과전류를 일으킬 수 있다. 지연시간을 극히 짧게 하도록 TLI4970은 병렬 신호 경로를 제공한다. 그러므로 오류를 검출하기 위해서 1.8s밖에 필요하지 않다. 또한 애플리케이션의 필요에 따라서 과전류 임계값을 적절하게 조절할 수 있다. 이를 위해서 시스템 개발자는 전류 값과 하위 필터링을 프로그램 할 수 있다. 또한 이 센서는 SMD 패키징으로 버스바를 통합함으로써 센서가 완전히 캘리브레이션된 상태에서 출하 된다. 

또한 TLI4970은 측정된 값을 16비트 디지털 SPI 인터페이스를 통해서 전송할 수 있는 최초의 전류 센서 제품이다. 또한 이 센서 제품은 차동 증폭기, 필터, 신호 프로세싱을 통합하고 갈바닉 절연을 구현함으로 최대 600V에 이르는 동작 전압과 최대 3600V에 이르는 테스트 전압을 견딜 수 있다. 

전류 센서 Sensor2Go는 TLI4970 전류 센서 용으로 제공되는 편리한 설계 키트다[그림 5]. 이 키트는 3D Sensor2Go 키트와 유사하며 다음과 같은 요소를 포함한다:

- TLI4970-D050T4(디지털 인터페이스를 제공하는 전류 센서)
- XMC1100(Arm 코어텍스-M0 채택)
- 온보드 J-Link Lite 디버거(XMC4200 마이크로컨트롤러 기반)
- Power over USB(마이크로 USB), ESD 역 전류 보호
- GUI(무료로 다운로드 가능)

[그림 5] TLI4970을 기반으로 한 전류 센서 Sensor2Go


빠른 속도 측정

홀 센서 TLE4922는 자기장의 변화를 측정함으로써 강자성 물체의 움직임과 위치를 검출할 수 있다. 이런 물체는 자기 인코더 휠이나 강자성 기어 휠 같은 것이다. TLE4922를 저렴한 가격대의 단순한 마그넷과 함께 역 바이어스 구성으로 사용해서 높은 에어 갭 성능과 스위칭 정확도를 달성할 수 있다. 이 센서 제품은 진동과 에어 갭 점프에 대해서 내성이 뛰어나고, 최대 8kHz에 이르는 주파수 범위로 정밀한 속도 검출을 할 수 있다.

TLE4922는 특히 TIM(Twist Independent Mounting) 구성에 적합하다. 그러므로 자동차나 이륜차 애플리케이션에서 수동 VR(Variable Reluctance) 센서를 대체할 수 있으며, 지터 동작이 매우 우수하다. 또한 이 센서 제품은 단락 회로, 과열, 역 전압을 비롯한 포괄적인 보호 기능들을 포함한다. 이 외에도 전자기 호환성(EMC)과 ESD 견고성이 뛰어나므로 혹독한 환경에 사용하기에 적합하다. 이 센서 제품은 4핀 SSO-4-1 패키지로 제공된다.

TLE4922를 기반으로 하는 애플리케이션은 속도 센서 Sensor2Go 키트를 사용할 수 있다[그림 6]. 이 키트는 센서(TLE4922-XAN)와 역 바이어스 마그넷(Bomatec의 페라이트 마그넷)으로 이뤄졌고, USB 커넥터를 사용해서 PC로 편리하게 연결할 수 있다. GUI 기반 평가 툴은 에어 갭, 온도, 주파수 같은 파라미터에 따라 디지털, 에뮬레이트된 아날로그 데이터를 포착하고 화면에 보여준다.

TLE4922를 기반으로 한 이 키트를 제공된 모듈로 연결하거나 또는 개발자가 조립한 다른 모듈로 연결할 수 있다. 또한 이 키트를 자기장 프로세싱을 위한 맵핑 툴로 사용할 수도 있다. 내부 아키텍처가 선형 홀 센서에 해당된다. TLE4922를 사용함으로써 기어 휠에 대해서 모듈 포지셔닝을 평가할 수 있다.

[그림 6] TLE4922-XAN을 기반으로 한 속도 센서 Sensor2Go


설계 키트, 아두이노 쉴드 보드, 시뮬레이션 툴

인피니언은 Sensor2Go 설계 키트 외에도 각도 센서 용으로도 비슷한 평가 솔루션을 제공할 예정이다. 또한 포괄적인 도큐멘테이션과 아두이노 쉴드 보드를 제공하고, 온라인 시뮬레이션 툴을 제공하므로 특정 애플리케이션에 따라 적합한 제품을 선택할 수 있다.

사용자가 애플리케이션을 선택한 다음에 다양한 마그넷, 센서 파라미터를 사용해서 계산하고 자기장을 시뮬레이트할 수 있다. 이 툴을 사용해서 마그넷, 잔류 자기에 따라 최적의 에어 갭을 결정할 수 있다. 각도 센서의 경우에는 온라인 툴을 사용해서 어셈블리 허용오차에 따른 최대 각도 오차를 계산할 수 있다.

글: 지그문트 자루바(Sigmund Zaruba) 인피니언 테크놀로지스 3D 자기 센서, 홀 스위치 애플리케이션 엔지니어

자료 : 인피니언

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이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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