혹독한 전기 및 열 환경에 이용하기에 적합



리니어 테크놀로지의 새로운 1.5W μModule 절연형 컨버터 제품은 컴팩트한 표면실장 솔루션으로 입력 전압 범위, 출력 전압 범위, 동작 온도를 향상시킨 솔루션을 제공함으로써 적용 가능한 애플리케이션 범위를 확대할 수 있도록 한다. 또한 리니어 테크놀로지의 모든 μModule 전력 제품은 포괄적인 신뢰성 테스트를 거쳐서 제공되며 이러한 테스트 결과는 온라인으로 이용할 수 있다. 리니어 테크놀로지의 LTM8048을 이용함으로써 이제 725VDC 절연형 DC/DC 전력 솔루션을 원하는 설계 엔지니어들이 좀더 유연하고 크기가 작아진 컨버터 제품을 이용할 수 있게 되었다.

글: 윌리 챈(Willie Chan) / Sr. Product Marketing Engineer
리니어 테크놀로지 / www.linear.com

 

개요

갈바니 절연은, 적절히 구현하였을 때, 변동적인 전기 전위의 결과로서 발생하는 접지 루프(ground loop)라고 하는 접지 플레인 문제를 방지할 수 있는 효과적인 방법을 제공한다. 물리적인 제약 때문에 PCB 상의 전기 소자 부품들을 각기 다른 물리적 위치에서 접지 플레인으로 접속해야 한다. 이에 따라서 각기 부품의 접지 플레인 접속이 회로 보드 기생전류와 결합적으로 작용함으로써 변동적인 전기 전위가 발생한다. 접지 루프 문제를 발생시키는 또 다른 중요한 요인이 되는 것은 고전류 모터, 펌프, 스위칭 레귤레이터, 디지털 프로세서가 발생시키는 전도 EMI로서, 이러한 장치들의 특성은 수십 암페어에 이르는 전류를 요구하면서 또한 전력 요구량이 빠르게 변화한다는 것이다(그림 1).



이와 같은 접지 플레인 문제가 측정 정확도에 심각하게 영향을 미칠 수 있다. 측정 센서가 배치되어 있는 위치의 접지 전위가 ADC가 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 위치의 접지 전위와 다를 수 있다. 그러므로 이러한 결과적인 디지털 신호는 두 접지 전위 사이의 전압 차이만큼 스큐를 일으킬 것이다. 이론적으로는 신호 프로세서로 이와 같은 차이를 보정하기 위한 기능을 추가할 수 있으나 인접 부하들이 지속적으로 전류 소모가 변화함에 따라서 시간이 지남에 따라 접지 전위 차이의 크기가 변화한다.

이러한 상황에서 보정은 달성하기가 매우 까다로운 작업이다. 그런데 절연은 손상을 일으킬 수 있는 전원 레일 트랜션트나 단락 회로 이벤트로부터 하위 디바이스들을 보호할 수 있다.

갈바니 절연 애플리케이션

대규모 제어 시스템 회로 디자인을 보다 작은 갈바니 절연 부분들로 분할하는 것은 회로 부품들을 전기적 스트레스로 인한 손상 위험으로부터 보호할 수 있는 현명한 전략이 될 수 있다. 절연 장벽이 전기 전하 입자의 이동을 방지하고 부분들 간의 통신은 광, 무선, 커패시티브, 자기적 기법 등의 다른 기법을 이용해서 할 수 있다. 어떠한 전원 레일 또는 접지 문제는 ADC, 증폭기, 전압 레퍼런스, 트랜스듀서 등으로 이루어진 저전력 5V 미만 센서 유닛을 쉽게 손상시킬 수 있다.



그림 1. 민감한 데이터 컨버터, 증폭기, 레퍼런스를 다른 고전류 전원 경로로부터
보호하기 위해서 전력 및 접지 레일을 절연함으로써 신호 분해능 및 신뢰성 향상


이러한 문제에 대비해서 500VAC(~710 VDC) 갈바니 절연을 삽입함으로써 단락 회로가 발생해서 입력 전원 전압이 해당 부품들의 절대 최대 전압 정격을 초과하였을 경우에 그러한 디바이스들을 보호할 수 있다. 그러므로 그와 같은 문제가 발생했을 때 그에 따른 손상을 전체적인 제어 시스템의 일부분으로 제한할 수 있다. 또한 뒤에서 설명하는 접지 문제들 역시 최소화할 수 있다. 그런 다음 이러한 문제들로 인해서 손상된 부분은 재고로 가지고 있거나 새로 구매한 표준적 "규격형" 유닛으로 교체함으로써 더 빠른 시간 안에 더 적은 노력으로 전체적인 시스템을 복구할 수 있다.

절연을 이용한 정확도 향상

절연형 전력 컨버터는 잡음이 심한 고전류 부분과 좀더 깨끗하고 안정적인 접지를 이용할 수 있는 저전류 부분 사이에 전기적 장벽을 구축함으로써 신호 정확도를 유지할 수 있도록 한다. 특히 2W 미만을 공급하는 절연형 DC/DC 컨버터는 증폭기, ADC 컨버터, 트랜스듀서, 전압 레퍼런스로 이루어진 하나 이상의 센서 유닛으로 충분한 전력을 공급할 수 있다(그림 2).



그림 2. 증폭기, ADC, 트랜스듀서, 레퍼런스로 이루어진 센서 유닛의 각 부분의 전력 소비.
총 전력 소비는 1W 미만이다.


한편 2W 이상을 소비하는 절연 부분 역시 시간이 지나면서 동일한 접지 루프 문제를 일으킬 수 있으므로 애초에 갈바니 절연을 필요로 할 수 있다. 또한 절연 부분들이 복잡성이 높아짐에 따라서 추가적인 와이어와 PCB 트레이스가 인접 장치들로부터의 방사 EMI 같은 전기 잡음 유발 소스에 더욱 더 취약하게 된다. 절연 장벽으로 보호된 안정적인 접지 플레인을 구축함으로써 센서 유닛이 더욱 더 정확한 리딩을 달성할 수 있으며 그럼으로써 시스템 제어를 향상시킬 수 있다. 정확도를 향상시킴으로써 더욱 더 우수한 분해능의 ADC를 달성할 수 있으므로 시스템 성능 또한 향상시킬 수 있다.

기존 절연형 컨버터의 한계점

500VAC(~710VDC) 절연 용으로 설계된 기존의 전력 컨버터들은 산업용 및 상용 애플리케이션을 지원하기에 성능이 제한적이다. 이들 많은 컨버터 제품들이 내부 동작 온도 한계가 +85℃이다. 내부 전력 손실과 패키지 열 저항으로 인한 영향을 고려하였을 때 이러한 기존 컨버터 제품은 +50℃부터 +65℃ 사이의 주변 온도일 때 출력 전력의 디레이팅이 시작됨으로써 충분한 성능 마진을 제공하지 못한다. 냉각 시스템이 어느 정도 도움이 될 수 있으나 이는 다시 비용과 크기에 있어서 또 다른 문제들을 야기하고 팬이 결함을 일으켰을 때는 신뢰성 문제를 일으킬 수 있다.

다른 절연형 솔루션들은 ±10퍼센트 정확도의 12V 또는 24V 입력을 필요로 하는데 이러한 입력은 레귤레이트되지 않은 전원이나 가용 전압 범위가 ±12퍼센트에서 ±14퍼센트까지 변동적인 산업용 리튬이온 배터리를 사용할 수 없다. 또한 기존 절연형 컨버터는 3.3V나 5V의 공통적인 고정 출력 전압을 제공하지만 외부 3.3V 또는 5V 레퍼런스나 유사한 출력 전압 LDO 포스트 레귤레이터의 0.1V 이상의 드롭아웃 전압을 수용할 수 있는 유연성을 제공하지 못한다. 출력 전압 LDO 포스트 레귤레이터는 A/D 컨버터의 입력 전력 리플을 감소시키기 위해서 이용할 수 있다. 제어 시스템이 갈수록 더 복잡해짐에 따라서 더 많은 수의 신호 채널로 시스템 성능에 대한 추가적인 정보를 제공하기 위해서 추가적인 절연 센서 부분들이 필요하게 된다. 이와 동시에 보드 공간이 제한적이므로 더 적은 공간으로 더 많은 기능을 집어넣기 위해서는 솔루션 크기를 더욱 더 줄여야만 한다. 향상된 성능의 새로운 절연형 DC/DC 전력 컨버터 제품이 등장함으로써 이와 같은 요구를 충족할 수 있게 되었다.

기존 절연형 컨버터의 한계점:
● 최대 내부 동작 온도가 +85℃로서 고온 산업용 환경에서 출력 전력이 제한적이다.
● ±10% 입력 전원을 요구하므로 레귤레이트되지 않은 전원이나 동작 수명에 걸쳐서 ±14%까지 변동적인 배터리를 사용할 수 없다.
● 내부적으로 고정적인 출력 전압을 이용하므로 3.3V/5V 출력 전압 레퍼런스나 LDO 포스트 레귤레이터의 드롭아웃 전압을 수용하지 못한다.

새로운 500VAC(~710VDC)   절연형 컨버터 제품

이러한 한계점들을 해결할 수 있는 새로운 솔루션으로서 Linear Technology는 LTM8048이라고 하는 725VDC 절연형 μModule 전력 컨버터 제품을 내놓았다. 공간 절약적인 1.5W 출력 솔루션으로서 LTM8048은 9mm×11.25mm×4.92mm BGA 패키지로 전력 스위치, 컨트롤러, 트랜스포머, 보정 기능을 통합함으로써 소수의 외부 부품만을 필요로 한다(그림 3). 이 컨버터 제품은 기존 절연형 전력 솔루션 제품들과 비교해서 동작 온도, 입력 및 출력 전압 범위를 향상시켰다. 최대 +125℃의 내부 온도로 동작할 수 있는 이 1.5W 정격의 LTM8048은 천연 자원 공급 인프라, 터빈, 배터리 관리, 보안 장비 같은 산업용 및 상용 애플리케이션에 사용하기에 더욱 더 적합하게 되었다.


그림 3. LTM8048을 이용한 애플리케이션 예



또한 LTM8048은 3.1V~32V의 넓은 입력 전원 전압 범위로 동작하므로 가격이 좀더 저렴한 스위칭 전원이나 다양한 유형의 배터리 스택으로 직접 동작할 수 있다. 또한 컨버터의 일차 입력 전압이 이차 측의 원하는 출력 전압보다 높거나, 동일하거나, 낮을 수 있다. 내부 LDO는 1.2V~12V의 출력 전압을 제공하며 이 전압은 LTM8048의 피드백 핀과 이차 측 접지 사이에 적절한 저항을 배치하는 것만으로 편리하게 설정할 수 있다. 이 출력 전압은 또한 리플이 1mV 미만이므로 ADC와 아날로그 센서로 안정적인 전원 레일을 공급하므로 더욱 더 정확하고 반복정밀도가 뛰어난 측정을 가능하게 한다. 내부 725VDC 갈바니 절연 장벽은 500VAC(~710VDC) 요구에 적합하며 100퍼센트 철저한 생산 테스트를 거침으로써 회로 보호를 보장한다.

결론

절연은 ADC 컨버터, 레퍼런스, 증폭기, 트랜스듀서로 이루어진 저전력 센서 유닛을 보호하고 정확도를 떨어트리지 않기 위한 효과적인 기법을 제공한다. 시스템 동작을 제어할 수 있기 위해서는 센서 유닛이 올바르고 신뢰할 수 있는 데이터를 수집해야 한다. 대부분의 경우에 전체적인 센서 유닛이 최신 디바이스 부품들을 이용해서 1W 미만을 소비한다. 기존의 저전력 갈바니 절연 DC/DC 컨버터 제품들이 신뢰할 수 있으며 효과적인 절연 장벽을 제공해 왔으나 이러한 컨버터 제품들은 입력 전압 범위, 출력 전압 범위, 최대 동작 온도, 크기 측면에서 한계점을 드러내고 있다.

리니어 테크놀로지의 새로운 1.5W μModule 절연형 컨버터 제품은 컴팩트한 표면실장 솔루션으로 입력 전압 범위, 출력 전압 범위, 동작 온도를 향상시킨 솔루션을 제공함으로써 적용 가능한 애플리케이션 범위를 확대할 수 있도록 한다. 또한 리니어 테크놀로지의 모든 μModule 전력 제품은 포괄적인 신뢰성 테스트를 거쳐서 제공되며 이러한 테스트 결과는 온라인으로 이용할 수 있다. 리니어 테크놀로지의 LTM8048을 이용함으로써 이제 725VDC 절연형 DC/DC 전력 솔루션을 원하는 설계 엔지니어들이 좀더 유연하고 크기가 작아진 컨버터 제품을 이용할 수 있게 되었다.

 

 
이 기사를 공유합니다
저작권자 © 테크월드뉴스 무단전재 및 재배포 금지