죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

반도체네트워크의 다양한 최신 기능을 사용하려면 이를 완전히 지원하는 최신 브라우저로 업그레이드 하셔야 합니다.
아래의 링크에서 브라우저를 업그레이드 하시기 바랍니다.

Internet Explorer 다운로드 | Chrome 다운로드

스마트 팩토리의 전원관리 ③


PDF 다운로드



글/맥심 인터그레이티드 코리아 기술사업부


과제 3: 안전성과 신뢰성 향상

사례 분석: 더 작고, 더 뛰어난 신뢰성, 더 효율적인 절연형 전원장치 설계
다양한 애플리케이션에 절연형 DC-DC 전압 레귤레이터가 사용되는 것을 볼 수 있다. 절연형 솔루션은 절연을 하지 않은 것보다 더 복잡함에도 불구하고 똑같이 작은 공간에서 높은 효율을 달성해야 한다. 다음은 저전압 전원 변환 시스템에서 절연이 필요한 이유를 설명하고, 절연형 디지털 I/O 모듈을 사례로 들어서 살펴본다.


저전압 절연형 시스템

SELV/FELV 규정에 따르면 입력 전압이 60V 이하이면 만져도 안전한 것으로 간주할 수 있으나, 이러한 동작 전압이라 하더라도 기능적 안전성과 신뢰성 측면에서 여전히 절연이 필요하다. 지극히 정교하고 비싼 마이크로컨트롤러 같은 전자 부하를 보호해야 한다. 이러한 부품이 높은 전압에 노출되면 심각한 손상이 발생될 것이다.
절연은 또 접지 루프를 방지할 수 있다. 접지 루프는 2개 혹은 그 이상의 회로들이 공통적 리턴 경로를 공유할 때 발생된다. 접지 루프는 기생 전류를 발생시키고, 그러면 출력 전압 레귤레이터를 방해하거나 전도 트레이스의 갈바니 부식을 일으킬 수 있다.
그러면 장비 신뢰성을 떨어트린다. 그러므로 산업용, 컨슈머, 텔레콤 애플리케이션에서 민감한 부하를 보호하고 장비의 장기적 신뢰성을 위해서 절연형 전원장치가 흔히 사용된다.

디지털 I/O 시스템 사례
자동화 공장에서 I/O 모듈(그림 28)은 공정 제어를 위한 핵심적 장치로서, 저전압 절연형 시스템의 대표적인 예이다. 그림 29는 전형적인 디지털 I/O 모듈과 공장 시스템 블록 다이어그램을 보여준다. 중앙의 허브가 AC 라인 전력을 받아 24V DC로 변환한 다음, 이것을 디지털 입력(DI) 및 디지털 출력(DO) 데이터와 함께 I/O 모듈로 전송한다. 공장은 전자기 간섭과 과전압이 발생되기 쉬운 혹독한 환경으로서, 민감한 전자 장치들에 대한 추가적인 보호를 필요로 한다. 각 모듈의 PLC는 절연형 스텝다운 전압 레귤레이터를 사용해서 구동된다. 디지털 입력 모듈(DIM)은 견고한 전압 레벨 변환기 인터페이스가 센서를 구동하고, 센서 정보를 받고, 이것을 디지털 아이솔레이터나 옵토커플러를 통해서 PLC로 전달한다. 디지털 출력 모듈(DOM) 도 비슷한 전력, 신호, 절연 체인을 사용해서 온보드 드라이버로 이어지며, 이 드라이버는 외부 엑추에이터로 연결된다. 첨단 시스템을 위해서는 입력 및 출력 모듈로 전력 효율이 높고 크기가 작은 절연형 스텝다운 컨버터를 필요로 한다.

TT(스마트)-28.jpg

[그림 28] 디지털 I/O 모듈

TT(스마트)-29.jpg

[그림 29] 디지털 I/O 모듈과 공장 시스템 블록 다이어그램

기존의 구현 방식
절연형 DC-DC 전원장치에는 갈바니 절연 트랜스포머에 PWM 제어를 사용하는 것이 가장 일반적인 아키텍처이다. 플라이백 컨버터는 절연형 출력을 제공하기 위한 전통적인 아키텍처이다. 그림 30은 기존 구현 방식을 보여준다. 트랜지스터 T1의 ‘온(ON)’ 시간에 일차 권선 전압이 양이 되고(VIN과 동일) 이차 권선 전압은 음이 된다. 그러므로 쇼트키 다이오드(SD)가 에너지가 출력으로 전달되는 것을 차단하고 에너지는 트랜스포머에 저장된다. T1의 ‘오프(OFF)’ 시간에는 일차 권선이 전압을 반전시켜서 에너지가 출력으로 풀려나도록 한다. 제어 루프가 꽤 복잡하고, 이차 측으로 출력 상의 전압을 레귤레이트하기 위해서 션트 레귤레이터 (TL431A)를 필요로 한다. 트랜스포머 이차 측의 옵토커플러와 오차 증폭기가 PWM 제어 루프를 일차 측과 절연시키는는 절연형 피드백 신호를 제공한다. 2개 IC와 다수의 수동 소자들을 사용하는 이 솔루션은 비용이 비싸고, 비효율적이고, 공간을 많이 차지한다.

TT(스마트)-30.jpg

[그림 30] 플라이백과 옵토커플러를 사용한 구현

옵토커플러가 필요 없는 플라이백 구현
특허기술 MAX17690은 피크 전류 모드 정주파수 스위칭 컨트롤러 제품으로서, 옵토커플러가 필요 없는(‘Bye Bye Optocoupler’) 절연형 솔루션인 Rainier 제품군에 속한다. 특히 불연속 전도 모드(DCM)로 동작하는 절연형 플라이백 토폴로지에 적합하도록 설계되었다. 트랜스포머를 자기적으로 결합하므로 이차 권선 전압이 일차 권선으로 반사된다. MAX17690은 이차 측에서의 이 절연 출력 전압을 일차 스위치가 오프일 때의 일차 측 플라이백 파형으로부터 직접적으로 검출한다. 그러므로 출력 전압 레귤레이션을 위해서 보조 권선이나 옵토커플러가 필요하지 않다. 기존 플라이백과 마찬가지로 3%~5% 레귤레이션 정확도가 가능하다. 그러면서도 옵토커플러가 필요 없으므로 솔루션 크기를 30%까지 줄일 수 있다. 그림 31은 옵토커플러가 필요 없는 플라이백 컨트롤러를 보여준다.
MAX17690은 4.5V~60V의 넓은 전원 범위로 동작한다. 스위칭 주파수를 50kHz부터 250kHz까지로 프로그램 할 수 있다. EN/UVLO 핀을 사용해서 정확하게 사용자가 원하는 입력 전압으로 전원을 턴온/턴오프할 수 있다. 또 MAX17690은 OVI 핀을 통해서 입력 과전압 보호를 제공한다. 7V 내부 LDO 출력은 로직 레벨과 플라이백 컨버터에 사용되는 표준 MOSFET 둘 모두에 적합하다. 2A/4A 소싱/싱크 전류는 RDS(ON)이 낮은 전력 MOSFET을 빠른 게이트 전이 시간으로 구동하기에 적합하다. 또한 MAX17690은 스타트업 시에 쇄도 전류를 제한하기 위한 조절가능 소프트 스타트 기능을 제공한다.
애플리케이션 노트 6394 ‘이차 측 동기 정류를 사용해서 옵토커플러가 필요 없는 플라이백 컨버터 설계’에서는 이 토폴로지에 대해서 자세히 설명하고 있다.
또한 MAX17690은 출력 다이오드 포워드 전압 강하에 대한 온도 보정 기능을 포함한다. 또한 견고한 히컵 보호와 과열 보호 기능을 포함하며, 공간 절약적인 16핀 3mm x 3mm TQFN 패키지로 제공되고 -40℃~+125℃ 온도 범위로 동작한다.
엄밀한 레귤레이션 정확도가 필요하지 않고 크기가 작은 절연형 전원 솔루션이 필요할 때는 새로운 Iso-Buck 토폴로지를 사용할 수 있다. 블로그 글 ‘어떤 점에서 Iso-Buck 컨버터가 플라이백 컨버터보다 나은가?’는 이에 관해서 설명하고 있다.

  TT(스마트)-31.jpg

[그림 31] 옵토커플러가 필요 없는 플라이백 컨트롤러

사례 분석: 스마트 부하로 안전성과 신뢰성을 높이기 위한 적합한 보호 디바이스 선택
보호 회로는 오늘날 전자 장치에서 마지막 남은 미개척지이다. 어떤 애플리케이션을 막론하고 AC 라인부터 디지털 부하에 이르기까지 긴 경로에 걸쳐서 곳곳에 다양한 크기와 형태의 퓨즈와 트랜션트 전압 억제(TVS) 소자가 사용된다. ESD 보호나 핀-대-핀 단락 회로 같은 문제들은 IC 자체적으로 다룰 수 있으나 안전성과 신뢰성을 위해서는 그 밖의 또 다른 문제들을 고려해야 한다. 전기적 경로를 따라서 축전 커패시터로 인한 쇄도 전류, 전력 중단으로 인한 역 전류, 인덕티브 부하 스위칭이나 낙뢰 등으로 인한 과전압 및 저전압 같은 전기적 스트레스 요인들이 비싼 전자 부하들을 손상시킬 수 있다. 특히 미세한 서브미크론 저전압 기술을 사용해서 제조된 마이크로프로세서와 메모리가 그렇다. 이러한 재난적인 사태를 방지하려면 다층적인 보호가 필요하다(그림 32).

TT(스마트)-32.jpg

[그림 32] 보호회로가 제대로 갖추어지지 않은 CPU가 불타고 있다.

시스템 보호
그림 33은 마이크로프로세서 같은 스마트 부하를 보호하기 위한 시스템 보호 예를 보여준다. 제어(IC2), 동기 정류 MOSFET (T3, T4), 진성 다이오드(D3, D4), 입력 및 출력 필터 커패시터 (CIN, COUT)으로 이루어진 DC-DC 컨버터가 마이크로프로세서를 구동한다. 만약에 48V 전원 버스(VBUS)로부터의 전압 서지가 VIN으로 바로 연결된다면 DC-DC 컨버터와 부하로 재난적인 결과를 초래할 것이다. 그러므로 그 앞에 전자적 보호를 필요로 한다. 이 예에서는 컨트롤러(IC1)가 2개 디스크리트 MOSFET T1과 T2를 구동해서 보호가 이루어진다. 경우에 따라서는 디스크리트 소자나 CPLD/마이크로컨트롤러를 사용할 수 있다.
보호 소자는 과전압/저전압, 과전류, 역 전류 같은 결함 조건을 전압 및 전류 정격 한계 이내로 제한할 수 있어야 한다. 만약 예상되는 전압 서지가 보호 소자의 정격보다 높다면 필터나 TVS 소자의 형태로 추가적인 보호 층을 사용할 수 있다.

TT(스마트)-33.jpg

[그림 33] 보호 기능을 포함하는 전자 시스템

과전압 보호
아크 결함 보호 소자와 TVS 다이오드는 낙뢰 서지나 과도한 고전압으로부터 보호를 할 수 있다. 그러나 산업용 애플리케이션에서 메인 입력 버스(위 예의 경우에 48V)나 정격 24V로 내려가더라도 여전히 보호가 필요하다. 동작 중 삽입(그림 34)은 전원 바운싱을 일으키고, 긴 케이블 인덕턴스로 인한 링잉(그림 35)은 전압 서지를 발생시킨다.

TT(스마트)-34.jpg

[그림 34] 동작 중 삽입은 전압 서지를 발생시킨다.

TT(스마트)-35.jpg

[그림 35] 케이블 링잉은 전압 서지를 발생시킨다.

과전류 보호
유입되는 전압을 허용 가능한 동작 범위 이내로 제한하더라도 문제가 계속될 수 있다. 높은 전압 변동과 대형 축전 커패시터는 높은 CdV/dt 쇄도 전류를 발생시킬 수 있다. 그러면 퓨즈가 끊어지거나 시스템으로 과열을 일으킴으로써(그림 36) 신뢰성을 떨어트린다. 그러므로 전류를 제한하기 위한 보호 회로(그림 37)가 필요하다. 또한 작동 시에 하드 및 소프트 단락 회로 결함이 결코 드물지 않으므로 이에 대해서도 보호가 필요하다.

TT(스마트)-36.jpg

[그림 36] 과열로 인해서 손상된 전선. 케이블 결함은 단락 회로 결함을 일으킨다.

TT(스마트)-37.jpg

[그림 37] 전류 제한 보호

역 전압/역 전류 보호
잘못된 케이블 연결이나 작업자 실수로 인해서 전원장치가 거꾸로 연결될 수 있으며, 이럴 때를 대비해서 역 극성 보호가 필요하다. 역 전류 보호 또한 중요하다. 모터 구동 애플리케이션에서는 DC 모터 전류를 PWM 방식으로 제어하기 위해서 MOSFET 브리지 드라이버를 사용한다. 그런데 PWM 제어 사이클의 오프 시간에 전류가 입력 커패시터로 거꾸로 흐를 수 있다. 공장 자동화 장비에서도 이런 애플리케이션들이 사용된다. 그러면 전류가 약해지고 장비 결함을 일으킬 수 있다.


디스크리트 보호 회로

대부분 시스템들이 부품 비용을 최소화하기 위해서 간단한 디스크리트 회로에서부터 시작한다(그림 38). 하지만 최종 시스템을 형식 시험과 현장 테스트를 되풀이해서 거치다 보면 점점 더 많은 보호 기능을 추가하게 된다. 그러면 비용과 PCB 면적을 증가시킨다. 좀더 현명한 방법은, 처음부터 지능적인 시스템 보호 IC를 선택하는 것이다. 그러면 개발 작업의 막판에 가서 문제가 발견되더라도 문제를 손쉽게 해결할 수 있다.

TT(스마트)-38.jpg

[그림 38] 대부분 시스템에 사용되고 있는 디스크리트 보호 회로

통합적인 보호 솔루션
그림 39는 e-퓨즈와 서지 스톱퍼를 적용해서 과전압, 역 극성, 전류 한계, 역 전류, 단락 회로에 대한 통합적인 보호 회로를 보여준다. 이러한 솔루션을 사용함으로써 디자이너들이 스마트 팩토리 장비의 견고한 보호를 손쉽게 구현할 수 있으며, 구성가능 핀을 사용해서 UVLO/OVLO, 전류 한계, 실시간 전압 및 전류 모니터링, 전류 열 폴드백, 과열 셧다운, 여타 기능들을 편리하게 설정하고 적합성 시험을 수월하게 통과할 수 있다.

TT(스마트)-39.jpg

[그림 39] 단일 IC로 통합적인 보호 제공

통합적 보호 제품
Olympus 보호 IC 제품군은 조절 가능한 과전압 및 과전류 보호를 특징으로 한다. 최대 ±60V에 이르는 입력 전압 결함으로부터 회로를 보호할 수 있다. 과전압 록아웃 임계값(OVLO)을 선택적 외부 저항을 사용해서 5.5V부터 60V 사이의 어떤 전압으로나 설정 가능하다. 저전압 록아웃 임계값(UVLO) 역시 선택적 외부 저항을 사용해서 4.5V부터 59V 사이의 어떤 전압으로나 설정 가능하다. 또한 Olympus 제품은 전류 한계를 최대 1A까지 프로그램 가능하다. SETI 핀으로 적절한 저항을 연결해서 전류 한계를 설정할 수 있다. 또한 특징적인 점으로서, 동일한 SETI 핀을 사용해서 작동 시에 아무 때나 전류를 리드아웃할 수 있다. MAX17608과 MAX17610은 전류가 역방향으로 흐르지 못하도록 차단하며, MAX17609는 역 전압 보호 기능과 함께 전류가 역 방향으로 흐를 수 있도록 한다. 이들 제품은 또 내부적으로 과열이 발생되었을 때 과열 셧다운 보호를 할 수 있다.
모든 제품이 소형 12핀(3mm x 3mm) TDFN-EP 패키지로 제공되며, -40℃~+125℃의 확장 온도 범위로 동작한다. 더 높은 전류에 대해 보호가 필요할 때는 Olympus 제품을 여러 개를 연결할 수 있다. 예를 들어서 2개의 MAX17525 4.5V~60V 6A 보호 IC를 연결하면 최대 12A를 지원할 수 있다. 또한 많은 제품이 혁신적인 열 폴드백 기능을 제공하므로 온도에 따라서 전류를 제한할 수 있다.
전자 부하는 전원 중단이나 변동, 인덕티브 부하 스위칭, 낙뢰 등으로 인한 영향으로부터 보호를 필요로 한다. 기능 통합 수준이 낮은 기존의 보호 솔루션은 차지하는 PCB 면적이나 BOM에 있어서 비효율을 초래한다. MAX17608-MAX17610은 통합적이고 유연성이 뛰어나고 RDS(ON)이 낮은 보호 IC 제품으로서, 최소한의 BOM과 PCB 면적으로 정방향 및 역방향 전압/전류 보호를 제공한다.


제품 요약

표 2는 스마트 팩토리 용으로 이 글에서 소개하고 있는 전원 관리 제품들을 요약해서 보여준다.

TT(스마트)-표2.jpg

[표 2] 스마트 팩토리 용의 전원 관리 제품

맺음말

제조 분야의 효율을 높이기 위해 자동화와 디지털화가 가속화하고 있다. 이것을 스마트 팩토리 또는 인더스트리 4.0이라고 한다. 이를 위해서 새로운 기술들이 도입되고, 에너지 효율, 소형화, 시스템 신뢰성 측면에서 새로운 과제들이 제기되고 있다. 각각의 과제에 대해서 전원 관리가 어떻게 스마트 팩토리를 효과적으로 실현하도록 돕는지 살펴보았다. 에너지 효율과 관련해서는 고성능 시스템 용으로 고전력 벅 컨버터 IC 제품 (히말라야 IC 제품군의 MAX17503 및 MAX17506)과 설계를 간소화하고 제품 개발 시간을 단축할 수 있는 전원 모듈 제품 (히말라야 SiP 모듈 제품군의 MAXM17504)을 소개했다. 센서용으로는 저전력 IC 제품(히말라야 IC 제품군의 MAX15062 와 MAX15462)과 공간 제약적인 애플리케이션에 적합한 전원 모듈 제품(히말라야 uSLIC 전원 모듈 제품군의 MAXM17532 와 MAXM15462)을 소개했다. 안전성과 신뢰성을 위해서는, 옵토커플러가 필요 없는 절연형 플라이백 컨버터 IC (Rainier 절연형 제품군의 MAX17690)와 통합적인 보호 IC 제품(Olympus 보호 제품군의 MAX17608과 MAX17525)을 소개했다. 이들 전원 관리 솔루션을 사용함으로써 오늘날 스마트 팩토리로 제기되는 새로운 과제들을 해결할 수 있다.


leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>


PDF 다운로드

개인정보보호법 제15조에 의한 수집/이용 동의 규정과 관련하여 아래와 같이 PDF 다운로드를 위한 개인정보 수집 및 이용에 동의하십니까? 동의를 거부할 수 있으며, 동의 거부 시 다운로드 하실 수 없습니다.

이메일을 입력하면,
(1) 신규참여자 : 성명/전화번호/회사명/분야를 입력할 수 있는 입력란이 나타납니다.
(2) 기참여자 : 이메일 입력만으로 다운로드가 가능합니다.

×

회원 정보 수정



* 가입시 이메일만 입력하신 회원은 이름란을 비워두시면 됩니다.