혁신적인 제품으로 이루는 기술의 진보

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자료제공/TI 기술부

최신 가전기기로 상상력을 더하다

우리는 매일 인간-기계 인터페이스(HMI)와 상호작용한다. 이러한 상호작용은 스마트폰이나 태블릿으로 홈 화면을 터치할 때처럼 분명히 알 수 있는 것도 있지만, 실제로 HMI가 가장 많이 사용되는 곳은 산업용 애플리케이션이다.
얼마 전에 개최된 국제 가전 박람회(Appliance and Electronics World Expo)에서는 냉장고, 로봇 청소기, 전자레인지, 조리 후드 같이 점점 더 많은 가전기기들이 HMI로 터치 키와 LED 애니메이션 기능을 추가하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 그럼으로써 디자이너들이 사용자 친화적인 방식의 상호작용을 통해서 제품을 더 지능적이고 세련되게 만들 수 있다.
이러한 기술을 가능하게 하는 것이 정전용량식 센싱이다. 가전기기를 설계할 때 중요한 것은 신뢰성과 견고성을 달성하면서도 제품의 매력을 높이는 것이다. TI의 “근접 센싱과 LED 애니메이션 기능을 사용한 정전용량식 터치 기반 사용자 인터페이스 레퍼런스 디자인”은 사전에 구성된 조명 패턴, 낮은 대기 전력 소모, 내습성 같은 혁신적인 기능들을 제공한다.
그림 1에서 보듯이, 이 레퍼런스 디자인은 CapTIvate™ 터치 기술을 적용한 단일 MSP430FR2522 마이크로컨트롤러(MCU)와 최신 LED 드라이버 기술을 기반으로 한다. 6개의 정전용량식 터치 I/O 채널을 각기 특정한 용도로 사용할 수 있다. 이 레퍼런스 디자인의 경우에는 3개는 휠 제어에, 2개는 버튼 제어에, 하나는 근접 센싱에 사용하고 있다. 이 디자인은 기름이나 물을 엎지르더라도 정밀하게 제어할 수 있다.

[그림 1] 정전용량식 터치 및 LED 애니메이션 레퍼런스 디자인 블록 다이어그램

MSP430™ CapTIvate MCU의 또 다른 특징은, 저전력 모드로 전환했을 때 대기 전력 소비가 수 마이크로와트에 불과하므로 엄격한 에너지 규격 요건을 수월하게 충족하고 배터리 수명을 연장할 수 있다는 것이다. 또한 이 레퍼런스 디자인은 근접 센싱을 사용해서 MCU를 저전력 모드에서 빠르게 기동시킬 수 있으며, LED 애니메이션 기능을 사용한 LED 링은 첨단 전자기기로 제품의 매력을 높이고 혁신적인 사용자 인터페이스를 제공한다. 쿡탑 같은 경우에는 물이나 기름을 엎지르더라도 정밀하게 제어할 수 있어야 한다. CapTIvate MCU의 극히 낮은 대기 전력 소모는 엄격한 에너지 절약 요건을 수월하게 충족할 수 있도록 한다.
LP5569 LED 드라이버는 사용자 정의 시퀀스를 저장할 수 있도록 SRAM과 3개 프로그래머블 LED 엔진을 포함한다. 이들 엔진의 프로그램 메모리에 사전에 구성된 패턴을 저장할 수 있다. LED 드라이버가 깜빡임 패턴이나 컬러 패턴을 자율적으로 실행할 수 있다. 그러므로 LED 애니메이션을 실행할 때 MCU의 시스템 자원을 덜 사용할 수 있다.
이 레퍼런스 디자인은 3가지 동작 모드를 사용할 수 있다:
* 근접 센싱 모드: 손이 접근하는 것을 감지하면 슬립 모드에서 깨어나서 활성 모드가 되고 LED가 켜진다.
* 자율 패턴 모드: 브리딩(단색 혹은 혼합적인 색상의 페이드인 또는 페이드아웃), 체이싱(단색 혹은 혼합적인 색상), 2색 체이싱,
그 밖에 디자이너가 프로그램한 패턴을 비롯해서 사전에 저장된 패턴을 자율적으로 실행한다.
* 제어 모드: 사용자가 손가락으로 정전용량식 다이얼을 제어하면 애플리케이션이 LED 링을 통해서 피드백을 제공한다.
이러한 기능들을 사용함으로써 최신 냉장고나 쿡탑이 사람이 가까이 접근하는 것을 감지하고 자동으로 활성화될 수 있다. 사용자가 손가락으로 표면을 가볍게 터치해서 온도나 조명 같은 설정을 제어할 수 있다. 인터액티브 패널로 냉동실 온도나 불꽃 세기 같은 설정을 다양한 색상이나 패턴으로 표현할 수 있다. 이 레퍼런스 디자인은 가전기기뿐만 아니고 엘리베이터, 온도조절기, 로봇 청소기, 그 밖에 인터액티브 사용자 인터페이스를 채택한 다양한 제품에 사용할 수 있다.

산업용 AC/DC 전원장치로 높은 효율과 신뢰성을 달성하기 위한 3가지 고려사항
산업용 전원장치는 다양한 동작 조건으로 효율적이고, 신뢰할 수 있고, 유연해야 한다. 첫 번째로 중요한 것은 효율이다. 효율이 높으면 열 발생을 줄일 수 있고, 그러면 시스템으로 팬이 필요 없게 되고 자연적인 냉각 방법을 사용해서 만족스럽게 작동할 수 있다. 그러므로 높은 시스템 효율과 신뢰성을 달성하면서 시스템 비용을 절감할 수 있다.
신뢰성과 유연성을 달성하기 위해서 중요한 것은 정전류(CC)/정전압(CV) 모드로 동작하면서 넓은 출력 범위를 지원하고 과부하를 허용할 수 있게 하는 것이다. 이 능력에 따라서 복잡한 회로를 필요로 하거나 비용을 늘리지 않으면서 다양한 부하 유형과 동작 조건을 충족할 수 있다. 심한 과부하가 발생되더라도 전원장치가 문제없이 충분한 전력을 제공할 수 있다. 그럼으로써 전원장치 자체와 부하를 손상으로부터 보호할 수 있다.
이 글에서는 산업용 AC/DC 전원장치를 설계할 때 중요한 세 가지 고려사항에 대해서 설명한다. 그 세 가지는 높은 효율, CC/CV 루프로 넓은 출력 범위 지원, 과부하 허용 능력이다.

(1) 높은 효율
요구되는 동작 범위로 높은 효율을 달성하기 위해서는 적절한 토폴로지와 컨트롤러를 선택하는 것이 중요하다.
전이 모드 PFC(power factor correction)는 스위칭 손실을 낮출 수 있다. MOSFET과 정류기 다이오드 둘 다로 모든 동작 조건으로 제로 전류 스위칭(ZCS)을 하기 때문이다. ZCS 소프트 스위칭은 정류기 다이오드의 역 복구를 제거할 수 있다. TI의 UCC28056 PFC 컨트롤러는 골(valley) 동기화 턴온을 함으로써 스위칭 손실을 추가적으로 더 줄인다.
DC/DC 스테이지에는 인덕터-인덕터-커패시터(LLC) 토폴로지가 선호된다. 이것은 소프트 스위칭 특성 때문이다. TI의 UCC256301 LLC 컨트롤러는 고유의 제어 기법을 사용해서 우수한 효율을 달성한다.
이러한 토롤로지와 컨트롤러를 기반으로 “CC/CV를 사용한 94% 피크 효율, 150W 정격, 240W 피크 산업용 DC/DC 전원장치 레퍼런스 디자인”은 230VAC로 94% 이상의 피크 효율과 115VAC로 92.5% 이상의 피크 효율을 달성한다. 그러므로 강제 냉각을 사용하지 않고서 작동할 수 있다. 또 이 레퍼런스 디자인은 컨트롤러와 함께 UCC24624 출력 동기 정류기를 사용해서 출력 정류기 손실을 줄이고 전반적인 효율을 향상시킨다. 그림 2는 이 레퍼런스 디자인의 효율 곡선을 보여준다.

[그림 2] 산업용 AC/DC 전원장치 레퍼런스 디자인의 효율 곡선

(2) CC/CV 루프를 사용해서 넓은 출력 범위 지원
출력 전압 범위가 넓고 조절 가능하면 다양한 산업용 애플리케이션을 유연하게 충족할 수 있다. 산업용 애플리케이션은 긴 수명에 걸쳐서 유연하게 변경할 수 있어야 한다. 이 레퍼런스 디자인은 다양한 값의 저항을 사용해서 각기 다른 부하 조건에 따라서 출력 전압을 조절할 수 있다. 또 CC 루프와 CV 루프를 배터리 충전기 애플리케이션과 LED 애플리케이션에 따라서 조절할 수 있다. 충전기를 CC 모드로 작동하면, 배터리 전압에 따라서 출력 전압이 점차적으로 상승한다. 배터리 전압 범위가 넓기 때문에 배터리 충전기가 이 조건을 만족시켜야 한다. LED 애플리케이션으로도 마찬가지다. LED 수에 따라서 출력 전압이 달라진다.
넓은 출력 범위를 달성하기 위해서는 LLC의 공진 탱크 계산이 중요하다. 최대 출력이면서 최소 입력 조건일 때 회로가 커패시티브 구간으로 들어가지 않도록 해야 한다. 또한 넓은 동작 범위로 LLC로 높은 효율을 달성하기 위해서는 공진 주파수에 근접하게 적절한 주파수 범위를 선택해야 한다. 그림 3에서 보듯이 내부적 전압 레퍼런스를 포함한 통합적인 듀얼 연산 증폭기 제품으로서 TI의 TL103W 연산 증폭기를 사용해서 CV/CC 피드백을 달성할 수 있다.

[그림 3] 산업용 AC/DC 전원장치 레퍼런스 디자인 블록 다이어그램

(3) 과부하 허용 능력
산업용 전원장치 디자인으로 또 다른 중요한 요구사항은 순간적인 과부하를 견딜 수 있게 하는 것이다. 이 능력에 따라서 시스템이 과부하 조건 시에 문제없이 동작할 수 있다. 이 레퍼런스 디자인은 3초 동안 정격 부하의 1.6배를 제공할 수 있다.
과부하를 허용할 수 있게 하기 위해서는 최대 부하에 기반해서 PFC 인덕터를 계산해야 한다. 그렇지 않으면 필요한 충분한 전력을 제공할 수 없다. 또한 LLC의 공진 탱크 파라미터를 최대 출력 전력이면서 최악 상황 조건일 때 커패시티브 구간으로 들어가지 않도록 해야 한다. 커패시티브 구간으로 들어가면 일차 스위치를 심하게 손상시킬 수 있다. TI의 UCC256301은 ZCS 회피 기능이 있어서 시스템이 커패시티브 구간으로 들어가지 않도록 한다. 그림 3은 이 레퍼런스 디자인의 순간적인 과부하 허용 능력을 보여준다.

[그림 4] 산업용 AC/DC 전원장치 레퍼런스 디자인의 순간적 과부하 허용 능력

이 레퍼런스 디자인은 산업용 전원장치로 높은 효율과 신뢰성을 달성한다. TI의 컨트롤러와 토폴로지를 사용해서 다양한 산업용 애플리케이션을 유연하게 충족할 수 있다.

LED 링을 사용한 사용자 경험 향상

사용자 경험이 우수한 제품이 항상 시장에서 긍정적인 평가를 받는다. 스피커, 도어록, 연기 감지기, 웨어러블 같은 컨슈머 기기나 스마트 홈 제품으로 청각적, 시각적, 촉각적 기법을 사용해서 사용자 경험을 향상시킬 수 있다. 시각적 기법이 가장 직접적이면서 손쉬운 방법이다. 그러한 예로서 LED(light-emitting diode) 링을 들 수 있다. 우수한 품질의 LED 링은 브리딩(breathing), 체이싱(chasing), 비팅(beating) 같은 다양한 효과를 표현할 수 있다. 그림 5에서 보는 것과 같은 LED 링을 사용해서 제품의 가치를 높일 수 있다.

[그림 5] 회전식 노브 겸 버튼에 LED 링 채택

LED 링의 핵심을 이루는 것은 지능적인 LED 드라이버이다. 이 드라이버가 각각의 적색-녹색-청색(RGB) LED의 전류와 PWM 듀티 사이클을 제어해서 다양한 색상과 밝기를 구현한다. 색상과 밝기를 매끄럽게 제어하기 위해서는 LED 드라이버의 PWM 분해능이 매우 중요하다. 시중에 출시되어 있는 대부분의 LED 드라이버는 8비트 256스텝 PWM 제어인데, 이 정도로는 극히 매끄러운 효과를 달성하기에 충분하지 않다. 낮은 그레이스케일일 때 사람의 시각이 색이나 밝기가 갑작스럽게 변화되는 것을 감지할 수 있기 때문이다. TI의 TLC5955 48채널 LED 드라이버는 16비트 65,536스텝 분해능 PWM 제어와 모든 채널로 7비트 도트 교정을 사용해서 이 문제를 해결한다. 극히 높은 2%의 채널-대-채널 전류 정확도는 각기 다른 RGB LED 사이에 완벽한 색 및 밝기 일관성을 달성한다.
정교한 LED 링 효과를 달성하기 위해서는 마이크로컨트롤러(MCU)가 색과 밝기를 제어하기 위해서 LED 드라이버의 내부 레지스터를 계속해서 리프레시해야 한다. 어떤 시스템에서는 MCU가 이 일을 처리하기 위해서 성능이 충분히 강력하지 않을 수 있다. TI의 LP5569는 사용자 정의 시퀀스를 저장할 수 있도록 내부 SRAM과 3개의 프로그래머블 LED 엔진을 포함한다. 그러므로 프로세서가 개입할 필요 없이 동작할 수 있다. 이렇게 자율적으로 작동할 수 있으므로 프로세서를 슬립 모드로 전환해서 시스템 전력 소모를 줄일 수 있다(그림 6).

[그림 6] LED 제어 엔진을 포함하므로 MCU의 처리 부담을 덜 수 있다.

점점 더 많은 제품으로 LED 링 기능을 채택하고 있다. TI는 시스템 설계를 더 손쉽게 할 수 있도록 RGB LED 드라이버 포트폴리오로 계속해서 새로운 제품을 추가하고 있다.

스마트 계량기 애플리케이션 용으로 전압 감시기 요구사항

전력망이 갈수록 지능화함에 따라서 복잡한 전자 디자인이 필요하게 되었다. 장기적인 시스템 신뢰성 또한 중요한 문제이다. 스마트 전기 계량기는 부정확한 측정이나 시스템 결함이 발생되지 않도록 다양한 시스템 전압을 정확하게 모니터링해야 한다.
그림 7은 전자식 계량기 애플리케이션을 구성하는 다양한 블록들을 보여주는 것으로서, 이들 블록들이 결합적으로 작동해서 전기 소비량을 정확하게 측정할 수 있다.

[그림 7] 전자식 계량기 시스템 블록 다이어그램

이 글에서는 위의 그림에서 빨간색으로 표시된 DC/DC 전원 블록, 도량형 블록, 애플리케이션 블록에 대해서 설명하고, 전원 전압 감시기/워치도그 타이머 서브시스템의 중요성에 대해서 설명한다. 전기 소비량을 모니터링하기 위한 시스템을 정확하고, 크기가 작고, 신뢰할 수 있게 설계해야 한다.

(1) DC/DC 전원 서브시스템 요구사항: 넓은 VIN과 낮은 IQ
전자식 계량기는 메인 AC 전원으로부터 12V~24V를 받아서 3.3V 또는 5V DC 전압으로 변환한 후에 시스템의 나머지 부분으로 공급한다. 시스템이 적절히 작동하도록 하기 위해서 전압 감시기가 메인 전원과 모든 전원 레일이 적절한 수준인지 확인한다. 이 블록의 전압이 정해진 범위를 벗어나거나 중단되면 전압 모니터링 솔루션이 결함을 선언해서 시스템의 나머지 부분이 적절히 셧다운하도록 해야 한다.
메인 전원이 충분한 전력을 제공하지 못하면, 스위치가 백업 배터리나 수퍼커패시터를 시스템으로 연결해서 일시적으로 필요한 전력을 제공할 수 있다. 일반적으로 백업 전원을 사용하는 시스템에서는 이러한 중대한 상황에서 전력을 조금이라도 절약할 수 있는 것이 유리하다. 그럴수록 저장된 전력으로 더 오래 버틸 수 있기 때문이다. DC/DC 전원 블록은 높게는 24V부터 백업 전원으로 작동할 때 낮은 전력까지 모니터링하기 위해서 넓은 VIN을 지원하는 전압 감시기를 필요로 한다.

(2) 도량형 블록과 애플리케이션 블록의 요구사항: 높은 정확도와 프로그램 가능한 지연시간
도량형 블록은 센서를 통해서 외부 세상으로 연결하고, 전기 소비량을 정확하게 측정하는 임무를 맡는다. 이렇게 측정된 것을 마이크로컨트롤러(MCU)로 보내서 처리한다. 애플리케이션 블록의 또 다른 MCU는 데이터를 형식화 및 저장하고 정보를 표시한다. 이 블록은 또 전체적인 시스템을 모니터링하고 시스템과 데이터 출력 사이에 메인 인터페이스로서 역할을 한다.
신뢰하고 일관된 측정을 달성하기 위해서는 MCU로 전원을 공급하는 전압 레일과 MCU 동작을 정확하게 모니터링하는 것이 중요하다. MCU가 적절히 동작하지 않으면 전압 감시기나 워치도그 타이머가 결함을 선언해서 다른 문제들이 발생되지 않도록 한다. 전압을 모니터링할 때는, 특히 정확하고 견고하고 신뢰하게 측정을 해야 하는 시스템의 경우에, 시스템이 적절히 동작하지 않는다는 것을 빠르고 정확하게 알기 위해서 전압 모니터링 정확도가 중요하다.
또한 MCU와 다수의 주변장치를 사용하는 경우에 시퀀싱을 위해서 스타트업 지연시간을 프로그램할 수 있어야 한다. 이것은 MCU나 여타 주변장치들로 부트를 할 시간을 주어서 시스템이 정상적인 작동을 시작할 수 있도록 하기 위해서 중요하다. 또 결함 조건이 발생되었을 때 MCU나 주변장치들로 리셋 지연시간이 필요할 수 있다. 이러한 경우에 프로그램 가능한 지연시간을 사용해서 유연성을 높일 수 있다.

(3) 설계 요구사항
그림 7에서 설명한 세 블록 모두 넓은 VIN, 낮은 전력, 높은 정확도, 프로그래머블 지연시간을 지원하는 전압 감시기를 필요로 한다. 바로 그러한 제품이 TPS3840이다. TPS3840은 단일 디바이스로 열거한 요구사항을 모두 충족한다.
TPS3840은 24V 혹은 외부적 저항을 사용해서 그보다 높은 전압까지 넓은 입력 전압 범위를 지원하므로 고전압과 저전압 레일을 모두 모니터링할 수 있으며, 1% 정격 전압 모니터링 정확도를 제공하고, 350nA만을 소모하며, 지연시간을 프로그램 가능하다. 또한 TPS3840은 MCU의 내부적인 아날로그-디지털 컨버터 모니터링만으로는 달성할 수 없는 우수한 정확도와 유연성을 제공한다. MCU의 내부적 ADC 모니터링과 비교해서 TPS3840은 전압 모니터링 임계값 설정이 훨씬 유연하고, 파워 온 리셋 전압이 낮고, 스타트업 지연시간이 빠르다.
파워 온 리셋은 출력이 구축되기 앞서 최소 입력 전압으로서, 오작동이나 성급한 시스템 스타트업을 발생시킬 수 있는 글리치를 방지하기 위해서 중요하다. TPS3840의 스타트업 지연시간은 단 220ms으로서, 그러므로 시스템의 나머지 부분이 파워업하기 전에 TPS3840이 전압 모니터링을 시작할 수 있다. 전압 감시기가 계량기 내부 장치들로 전력을 공급하기 위한 전압 레일들을 지속적으로 모니터링해서 시스템이 적절히 작동하는지 확인한다.
도량형 블록과 애플리케이션 블록의 외부적 워치도그 타이머는 MCU의 범용 입력/출력 핀으로부터 전송된 펄스를 검출해서 MCU가 래치나 글리치를 일으키지 않는지 확인한다. 소프트웨어 오류가 발생되거나 펄스가 감지되지 않으면 외부적 워치도그 타이머가 MCU를 리셋한다.
TPS3430 프로그래머블 워치도그 타이머 제품은 워치도그 타임아웃과 워치도그 리셋 지연시간을 프로그램 가능하므로 어떤 MCU의 타이밍 요구이든 유연하게 충족할 수 있다. 전압 감시기와 워치도그 기능을 모두 필요로 하는 경우에도 TI는 이러한 용도로 다양한 디바이스 제품을 제공한다.

기사입력 : 2019-08-02