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마이크로프로세서 감시기의 종류와 사용 목적·방법·시기

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글/Maxim Integrated

개요

마이크로프로세서 감시 회로는 적은 비용으로 효과적인 예방책을 제공한다. 소프트웨어 기반 오류 발생 시 시스템 운영을 모니터링하고 유지하기 위한 수단이자 오늘날 복잡한 전자 시스템의 핵심 요소다. 지난 몇 년간 개발된 기술을 적용한 최신 감시기는 낮은 전력 소비, 적은 비용, 광범위한 통합 기능, 초소형 패키지가 특징이다. 본 기고를 통해 이런 감시 회로에 대해 살펴보고, 시스템 개발자들이 발생 가능한 모든 설계 문제를 빠르고 효율적으로 해결함으로써 주요 시스템 설계를 어려움 없이 지속할 수 있도록 알아본다.
감시 회로가 중요한 이유
마이크로프로세서 시스템 설계자들은 다양한 문제를 안고 있다. 전원 공급 장치의 순서가 잘못됐거나, 램프업(ramp up) 또는 안정화가 지나치게 느리거나, 공급 전압에 외부 부품 부하로 인한 글리치(glitch)가 있거나, 주변 부품과 보드에 전원이 공급되지 않고, 프로세서 요구 사항과 동기화된 상태로 통신하지 못하는 문제 등이 발생할 수 있다. 시스템 설계자들은 한정된 예산 내에서 문제를 최소화하기 위해 최선을 다한다. 가장 성공적인 엔지니어들은 문제가 발생해도 안전하게 작동하는 시스템을 개발한다. 시스템 설계자들은 마이크로프로세서 기반의 시스템이 항상 제대로 시작하고, 시스템 오류가 발생했거나 발생하려 할 때 이를 감지해 오류의 영향을 최소화한다. 또한 사용자 개입이 거의 또는 전혀 없는 상태에서 오류로부터 안전하게 복구되기를 원한다.
최신 마이크로프로세서 감시 회로는 이 같은 시스템 활동을 적은 비용으로 모니터링하고 유지할 수 있는 효과적 수단이다. 지난 몇 년간 개발된 기술을 적용한 최신 감시기는 마이크로프로세서 시스템이 필요로 하는 예방책을 제공한다. 낮은 전력 소비, 적은 비용, 광범위한 통합 기능, 초소형 패키지가 특징이다.
마이크로프로세서 시스템과 관련해 실제 발생 가능한 문제, 해결 방법 및 목적을 보다 잘 이해하기 위해 몇몇 표준 감시 장치를 자세히 살펴보자.

시스템 설계를 위한 감시기의 역할

전압 감지
시스템이 전압 모니터나 리셋 IC를 필요로 하는 이유는 무엇일까? 만약 공급 전원이 허용 오차에서 벗어나면 회로는 불규칙하게 작동하거나 작동을 멈추고 심지어 불이 붙을 수도 있다(널리 알려진 제품 리콜 사태는 이런 문제로 인한 피해와 비용을 보여준다). 전압 모니터는 전원을 감시해 이 같은 상황을 방지한다. 전압감시기와 파워 온 리셋 회로는 모두 시스템 보호를 위해 공급 전압 일탈의 조기 징후를 보여준다. 전압감시기는 단순히 전압이 특정 값보다 높거나 낮다는 것을 보여줄 뿐 시간 지연은 알려주지 않으며 일반적으로 잡음 여유도가 매우 제한적이다.
전압감시기의 예로 과전압이나 저전압을 모니터링하기 위해 구성될 수 있는 단일전압감시기 MAX16012를 들 수 있다. 오픈 드레인 출력은 설정된 임계치를 초과(높거나 낮은)하는 전압을 모니터링 했을 때 로우(low)로 된다. 또 해당 전압이 정상 작동 범위로 복구될 때 출력은 하이(high)로 된다.
뒤에서 다루게 될 파워 온 리셋 IC는 공급 전압을 모니터링하고 공급 전압이 낮으면 마이크로프로세서와 같은 다른 장치를 리셋하거나 전원을 끈다. 이런 장치는 보통 프로그래머블(programmable) 출력 지연을 통해 시스템이 공급 전압이 안정되기 전에는 리셋된 상태에서 돌아오지 못하게 막는다. 전압감시기와 리셋 IC는 기능과 파라미터(parameter)가 달라 개별 애플리케이션에 맞는 것을 선택하기 어렵다. 그러나 전력 소비, 패키지 크기, 최대 임계치 정확성, 모니터링되는 최저 전압, 높은 공급 전압, IC 온도 범위 등 가장 보편적인 기능을 기반으로 사전에 분류한 맞춤형 감시기 결정표(decision table)를 사용하면 선택 과정이 간소화된다. 검전기 선택의 핵심은 필요한 기능을 파악하고 그에 따라 선정하는 것이다.

멀티 공급 모니터링
최신 프로세서와 기타 많은 시스템은 멀티 공급 전압을 필요로 한다. 멀티 공급 장치로 전환해가는 추세는 특히 3.3V의 표준 시스템 I/O 전압과 통신하면서도 2.5V 이하의 코어 로직(core logic)으로 작동할 수 있는 고속의 소형 기하학 디지털 신호 프로세서에서 분명하게 나타난다. 이런 시스템은 간혹 I/O 전압이 다른 센서와 통신해야 하며, 파워 온 리셋(POR)이 해제되기 전에 두 I/O 전압 모두 프로세서의 허용 오차 내에 있어야 한다. 마찬가지로 복잡한 시스템은 다양한 아날로그 및 디지털 부품을 지원하는 4~5개의 공급 전압(예를 들면 12V, 5V, ~5V, 3.3V, 2.5V) 을 유지할 수 있다.
이런 전압에 대한 저전압 조건은 시스템 고장으로 이어질 수 있다. 이때 간단한 해결책은 RC 회로다. 그러나 단순한 RC 네트워크는 비용은 적으나 멀티 공급을 동시에 모니터링할 수 없고 시스템 리셋에 대한 하나의 유효 로직 수준(single valid logic level)을 제공한다.
멀티 전압 모니터링 IC는 여러 전압 레일의 전압을 모니터링한다. 공장 출하 시 설정된 역치 전압을 사용하는 버전과 외부 핀을 이용해 임계(threshold) 전압을 선택하는 버전이 있다. 유연성을 극대화하기 위해 일부 모니터링 장치는 SMBus나 JTAG 인터페이스로 임계(threshold) 전압을 프로그래밍 할 수 있다.
단순한 2-전압 감시기부터 다중 임계치와 ADCs, 온도 센서, 전류 감지 증폭기와 같은 통합 기능을 갖춘 12-전압 장치에 이르기까지 다양한 멀티 전압 모니터링 장치를 이용할 수 있다. 몇몇 모니터링 장치는 내장 감시 타이머, 가변 커패시터 리셋 타임아웃(capacitoradjustable reset timeout), 개별 비교기(comparator) 출력 등 추가 옵션 기능을 지닌다.
MAX6351-MAX6360 제품군과 같이 멀티 리셋 전압용 감시기는 이중 및 삼중 공급 애플리케이션용으로 설계되고, 공장에서 조율된 표준 리셋 임계치(예를 들면 3.3V 및 2.5V 공급 전압과 연계된 임계치)에 대한 여러 옵션을 제공한다. 사용자는 가변 전압감시기를 이용해 세 번째 공급 전압(a third supply voltage)(즉 5V 아날로그 주변 장치)을 모니터링 할 수 있고 모든 전압이 허용 오차 내에 있을 때까지 프로세서 가동을 지연할 수 있다. 최신 패키지와 프로세스는 멀티 전압 SOT23 리셋 감시기에서 가동 시간(start period)이 연장된 감시 타이머와 수동 리셋 입력 등 추가 기능을 지원한다...(중략)