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고속 신호 전송 애플리케이션을 위한 갈바닉 절연형 LVDS 인터페이스


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글/토마스 브랜드(Thomas Brand), 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)


자동화, 디지털화, 인더스트리 4.0의 가속화 추세로 인해 신호와 데이터 전송 이슈가 점점 더 중요해지고 있다. 이러한 애플리케이션에 기계 장비, 시스템, 개별 센서들까지 연결하기 위해서는 안정적인 인프라가 필요할 뿐 아니라 보안성이 뛰어나고 빠르고 정확하며 방해를 받지 않고 대역폭이 높은 전송 경로 역시 필요하다. 애플리케이션에 따라서는 혹독한 환경 조건까지 견딜 수 있어야 한다. 데이터 전송을 위해서는 유선, 무선, 직렬, 병렬과 같은 다양한 접근법을 취할 수 있다. 각 방식마다 장단점이 있으므로 애플리케이션에 따라 어떤 방식이 적합할지 잘 따져보아야 한다.
유선 시스템과 달리, 무선 기술은 일련의 주요 파라미터, 서로 다른 부품, 환경 조건에 따라서 영향을 받을 수 있다. 무선 통신에서 중요한 것이 무선 도달 범위인데, 이것은 송신 및 수신 안테나 위치, 송신 전력, 주변 환경 조건, 주파수대 같은 요인에 좌우된다. 그러므로 무선 전송 애플리케이션을 설계할 때는 도달 범위나 수신 신호 품질과 관련한 다양한 요소들을 고려해야 한다.
과거에는 인터페이스 컨버터나 산업용 백플레인 같은 애플리케이션의 경우, 수 Mbps의 대역폭이면 충분했다. SPI나 RS-485 같은 인터페이스에서 부분적으로 요구되는 절연 성능은 지금도 표준 솔루션을 가지고 충분히 구현할 수 있다. 하지만 오늘날의 인더스트리 4.0이나 사물인터넷(IoT)용으로는 다양한 측정과 지극히 복잡한 제어 시스템이 필요하고, 인터페이스에 더 높은 데이터 속도와 대역폭이 지원돼야 한다. 여기에 더 뛰어난 절연 성능과 향상된 안전성, 더 높은 신뢰성, 공간 절약 같은 요구 사항들까지 추가되자 기존 솔루션들로는 더 이상 적절히 대응할 수 없게 되었다. 이제 적합한 솔루션으로 떠오른 것이 바로 디지털 아이솔레이터이다. 디지털 아이솔레이터는 안전성, 성능, 신뢰성에 대한 높은 요건들을 충족할 뿐만 아니라 절연 기능은 물론 여러 개의 입력 및 출력들도 통합할 수 있다.
신호 전송 애플리케이션에 주로 사용되는 기법은 LVDS(low voltage differential signaling)이다. LVDS는 직렬 데이터 전송에 관한 인터페이스 표준(TIA/EIA-644)을 기반으로 하며, 에너지 저감 특성이 뛰어나고 수 Gbps까지 높은 데이터 속도를 지원할 수 있을 뿐 아니라 잡음 내성도 우수하다. 이럴 수 있는 이유는 드라이버 모듈이 내부적으로 사용되는 전류를 최대 3mA로 제한하기 때문이다. 신호의 차동 전압은 20mV에 불과하다. 하지만 리시버 측에서 다시 300mV의 로직 레벨(차동)로 증폭한다. 이런 식으로 해서 극히 낮은 EMI와 빠른 스위칭 속도를 달성한다.
LVDS 인터페이스는 짧은 케이블 길이로 전자 회로들 사이에 대량의 데이터를 전송해야 하는 제어 시스템에 흔히 사용된다. 전체 애플리케이션에서 서로 다른 구성요소들을 동기화하기 위한 용도로도 사용된다. 클럭 신호들을 각각의 구성요소들에 매우 빠르게 분배할 수 있기 때문이다. 산업용 측정 애플리케이션과 제어 시스템의 아날로그 프런트 엔드(AFE)에도 LVDS가 많이 사용된다. 여러 데이터 노드 간에 디지털 인터페이스를 구현하기 위해서나 HDMI를 통해 비디오 신호를 전송하는 데에도 LVDS가 주로 사용된다. 또 한 가지 중요한 점은, LVDS 회로가 갈바닉 절연을 제공할 수 있다는 것이다. 그 결과, LVDS는 전자 회로나 백플레인 같이 통신 인터페이스 절연을 필요로 하는 어느 곳에나 사용할 수 있다.
백플레인은 다양한 애드온 보드 모듈을 수용할 수 있도록 여러 개의 커넥터를 갖춘 회로 보드이다. 백플레인을 통해서 베이스 시스템에 어셈블리를 추가해서 ‘플러그 앤 플레이’ 방식으로 손쉽게 기능을 확장할 수 있다. 하지만 애드온 모듈들은 전력 분배망에 연결된 구성요소들과 직접 접촉하는 경우가 많기 때문에, 높은 전압 트랜션트에 노출되기 쉽다. 그에 따라, 애드온 모듈이 낙뢰 같은 외부 이벤트에 취약해질 수 있는 것이다. 사람이 접촉할 때 발생하는 정전기 방전(ESD)에 의해 높은 트랜션트가 발생할 수 있으며, 또는 애드온 모듈을 삽입하거나 제거할 때 내부 커패시터가 갑자기 충전되거나, 역 극성으로 충전되거나, 방전되는 경우에도 높은 트랜션트가 발생할 수 있다.
따라서 안전하게 절연되는 인터페이스가 필요하다. 그렇지 않으면 전압 트랜션트가 발생했을 때 연결된 어셈블리를 손상시키거나 사용자를 위험하게 할 수 있다. 산업용 측정 장비에도 기능적으로 절연된 통신 인터페이스를 사용하는 것이 바람직하다. 절연된 인터페이스가 예컨대 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 마이크로컨트롤러(MCU) 사이에 플로팅 접지를 제공하기 때문이다. 그러면 측정된 신호가 애플리케이션의 나머지 부분에 영향이나 간섭을 미치거나 또는 영향이나 간섭을 받지 않도록 차단할 수 있다.
절연형 LVDS 인터페이스를 구현하기 위한 용도로 이미 많은 제품들이 출시되어 있다. 아나로그디바이스(Analog Devices)는 절연형 LVDS 제품군을 통해서 효율적이며 신뢰할 수 있는 솔루션들을 제공한다. 이 제품군은 ADN4650, ADN4651, ADN4652를 포함하며, 최대 600Mbps에 이르는 데이터 속도를 지원한다. 이에 비해 보통의 디지털 아이솔레이터는 150Mbps밖에 지원하지 못한다. 절연을 하면서도 매우 높은 데이터 속도가 가능한 것은 iCoupler® 기술을 사용하기 때문이다. 이 기술은 MEMS 트랜스포머를 사용함으로써 간편하면서도 공간 절약적으로 디지털 신호 절연을 할 수 있다.
이들 LVDS 제품은 시간적으로 매우 정밀하고 지터가 지극히 낮다. 이것을 타이밍 지터라고 한다. 지터는 디지털 신호의 상승 및 하강 에지에서의 이상적인 시간 기준에 대한 변동성을 말한다. 빠른 데이터 전송 속도에서는 지터를 낮추는 게 매우 중요하다. 예컨대 600Mbps면 1bit를 전송하는 데 1.6ns밖에 걸리지 않기 때문이다. 신호의 상승 또는 하강 에지에서는 지터에도 불구하고 샘플링이 적절히 이루어지도록 해야 한다. ADN465x 제품군의 경우, 지터가 정격으로 70ps이다. 이 LVDS 모듈들은 2개의 절연형 LVDS 채널을 제공한다. ADN4651은 송신 채널과 수신 채널을 제공한다. ADN4652는 ADN4651과 채널을 반대로 구성하고 있으며, ADN4650은 배선에 따라서 송신 채널이나 수신 채널만 제공한다.
또한 ADN465x 제품은 내부적으로 2.5V 전원 전압을 사용해서 동작하는데, 대개의 산업용 시스템은 3.3V만을 제공한다. 이 때문에 ADN465x 제품은 입력으로 3.3V의 외부적 전원 전압을 사용할 수 있도록 LDO 레귤레이터를 포함한다. 전원 공급을 위해서는 ADuM5000 같은 절연형 DC-DC 컨버터를 사용할 수 있다. 이 컨버터를 사용해서 최대 500mW의 출력 전력으로 5V나 3.3V의 절연형 출력 전압을 제공할 수 있다. 그림 1은 이러한 회로 구성을 보여준다.
이 디바이스 제품군을 ADuM5000과 함께 사용하면 오늘날의 산업용 애플리케이션에서 절연형 LVDS 인터페이스에 대한 다양한 요구들을 충족할 수 있다. 또한 이 고도의 통합 솔루션은 표준화된 버스 통신에 대한 모든 요건들도 충족할 수 있다. LVDS 인터페이스는 절전형 애플리케이션에서 자주 사용된다. 이러한 애플리케이션의 경우, ADN4651과 ADuM5000 조합을 통해 기존의 옵토커플러 솔루션에 비해 전력 소모를 극적으로 줄일 수 있다. 이 외에도 여러 채널을 동시에 절연할 수 있다는 이점도 제공한다.

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[그림 1] ADN4651과 ADuM5000을 사용한 절연형 LVDS 인터페이스

LVDS 애플리케이션에서는 쓰루풋과 보 레이트(baud rate)를 극대화하기 위해 채널들을 병렬로 사용한다. 앞서 ADI 모듈 제품들을 사용한 회로는 하나의 4채널 아이솔레이터를 제공하는데, 각각 2개씩의 송신 채널과 수신 채널이다. 하나의 전자 어셈블리 상에서 각각 2개씩의 송신 및 수신 채널로 신호 전송을 할 수 있으므로 동시적으로 매우 빠른 전송이 가능하다.
최대 펄스 폭 왜곡 요건만 충족한다면 ADN465x 제품을 사용해서 DC ~ 600Mbps까지의 데이터 속도를 달성할 수 있다. 고속으로 차동 신호를 전송하기 위해서는 레이아웃과 관련해서 몇 가지 점에 유의해야 한다. 입력과 출력 트레이스를 매칭시켜야 하며, 접지에 대한 임피던스가 50Ω, 또는 신호 라인들 사이의 임피던스가 100Ω이 되도록 해야 한다. 또한 그림 2에서 보듯이, LVDS 입력에 대해 100? 터미네이터를 사용하는 것이 바람직하다.

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[그림 2] ADN4651을 사용한 절연형 LVDS 배선용 회로

케이블 길이와 커넥터 유형 역시 최대 데이터 속도에 영향을 미칠 수 있다. 고속 데이터 전송용 커넥터와 차폐 연선을 이용해 200Mbps의 낮은 속도로 데이터를 전송한다면 케이블 길이를 수 미터까지 늘릴 수도 있다.
ADN4650/ADN4651/ADN4652는 신호 절연형 LVDS 버퍼 제품들로서, 최대 600Mbps로 동작하며 지터가 매우 낮다. 이들 디바이스와 ADuM5000를 결합하면 고속 신호 전송을 위한 이상적인 솔루션을 구현할 수 있다. 짧은 거리에서는 600Mbps의 고속 데이터 전송이 가능하며, 200Mbps의 낮은 속도로 전송한다면 케이블 길이를 수 미터까지 늘릴 수도 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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