고전압 모듈로 초소형 산업용 자동화 제어장치의 전원 설계 시에 신뢰성을 보장하는 방법

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글/악세이 메타(Akshay Mehta), TI 시스템 애플리케이션 엔지니어

근접성, 압력, 공급, 온도 등의 필드 센서와 같은 산업용 자동화 제어 장치들이 점점 눈에 띄지 않을 만큼 작은 패키지에 내장되어 있는 것을 드물지 않게 볼 수 있다. 그림 1은 8mm 이하의 초소형 나사에 들어 있는 근접 센서를 보여주고 있다. 하우징에 들어가는 전자 장치는 매우 작아야 하며, 장기적으로 장치의 신뢰성을 보장하기 위해 매개변수에 대한 적절한 정격을 갖춰야 한다.

[그림 1] 일반적인 근접 센서

조정되지 않은 입력 전압 문제 해결

스마트 센서의 전자 장치로는 저전력 마이크로프로세서, 아날로그-디지털 신호 처리 회로 및 전압 레귤레이터 등이 포함된다. 설계자가 설계 과정에서 전원을 제대로 고려하지 않는 경우, 실제로 전원에 사용할 수 있는 공간이 제한적일 수 있다.
공장 자동화 장치에서 전력 변환 회로를 위한 일반적인 애플리케이션은 24V 입력 전압을 강압하여 필요한 전압에 맞게 조절한다. 24V의 입력 전압은 표준 산업용 버스로 사용될 수 있으며, 최저 8V에서 최고 36V까지 입력 전압을 가질 수 있다.
공장 자동화에 사용되는 센서는 과전압 과도상태를 견딜 수 있어야 한다. 전압 과도상태의 심각성 여부는 24V 입력 전압이 어디에서 얻어졌는 지에 따라 다르다. 어떤 경우에는 현장에서 전기 리드선의 길이가 장거리일 경우, 일부 산업용 24V 버스는 과도 전압 상태에 놓일 수 있다. 또한, 필드 애플리케이션은 과도 전압 상태를 안전한 초저전압 수준으로 제한하는 클램프 회로를 가질 수 있다. 이는 전기가 합선되는 상황이 발생해도, 산업용 버스의 출력이 60VDC로 유지될 수 있다는 것을 의미한다.
또 다른 예로 24VAC 입력 소스의 최대 평균 제곱근 전압은 종종 28V로 스윙되어 40V에 가까운 피크 전압을 공급할 수 있다. 입력 전원의 과도 전압 보호 설정을 피크 전압의 약 120%로 설정하면, 입력 전압이 48V에 가깝게 된다.
이러한 예시에서 볼 수 있듯이, 필드 센서와 같은 장치를 문제없이 작동시키려면 입력 전원의 최대 DC 전압에 대한 정격 전압 레귤레이터를 사용하는 것이 중요하다.

장기적 신뢰성을 위한 적절한 핀 간격 확보

TPSM265R1은 65V 정격의 고전압 임베디드 전력 모듈로, 전압 레귤레이터와 인덕터를 통합했다. TPSM265R1은 과전압 상태를 미연에 방지할 수 있도록 충분한 여유 공간을 디바이스에 제공한다. 하지만 전력 모듈에 고전압 레귤레이터가 통합되어 있다고 해서 고전압에 대한 안전한 정격 디바이스라는 것을 의미하는 것은 아니다. 높은 입력 전압에 대한 적절한 정격 디바이스를 위해선 모듈의 패드와 핀 간격의 적절한 설계가 필요하다. 국제 전자 산업 표준 협회는 이를 자세히 규정한 IPC 2221-B라는 표준을 제시했다.
IPC-2221B 표준은 최악의 전압 조건에서 정상적인 작동을 보장하기 위한 전도체 가장자리 간 최소한의 간격을 제시한다. 레귤레이터가 실제로 65V의 피크 전압을 유지하려면 전도체 가장자리 간 간격은 최소 0.5mm이어야 한다.
그림 2는 TPSM265R1의 핀 피치가 0.8mm임을 보여준다. 패드의 폭은 일반적으로 0.3mm이다. 패드의 가장자리 간 간격은 0.5mm이며, 이는 IPC-2221B의 요구 사항을 충족한다.

[그림 2] TPSM265R1 패키지 그림

소형 솔루션에 대한 요구 사항 충족

IPC 표준을 준수하기 위한 간격에 대한 설계 요구 사항과 솔루션의 크기를 줄이기 위한 설계 요구 사항은 서로 상충한다. 이 글의 앞부분에서는 전자 장치의 크기가 8mm 나사만큼 작아야 하는 필요성에 대해 언급했다. 간격과 솔루션 소형화 이 두 요소에 대한 요구 사항을 모두 해결하기 위해선 설계자는 전력 모듈 설계에 대해 잘 알고 있어야 한다. TI는 소형 솔루션 공간을 염두에 두고 TPSM265R1 패키지 레이아웃을 설계했다. 그림 3은 3.3V 또는 5V의 고정 전압 옵션에 요구되는 최소한의 구성요소로 설계된 레이아웃을 보여주고 있다.

[그림 3] TPSM265R1을 이용한 예제 레이아웃

모듈 패키지의 크기는 2.8mm x 3.7mm로 회로를 완성하기 위해서는 단 2개의 커패시터만 필요하다. 0805 커패시터를 2개 탑재해도 5V 또는 3.3V 출력을 위한 전체적인 솔루션 크기는 3mm X 7mm 정도에 불과할 만큼 작다. 또한 입력 커패시터는 모듈의 VIN 핀과 GND 핀에 매우 가깝게 배치돼 ‘조용한’ 스위칭 작동이 가능하고 스위치 노드에서 링잉현상을 줄여준다.
소형 산업용 자동화 제어 장치를 위한 전원 공급장치를 설계할 때 신뢰할 수 있는 작동을 보장하기 위해서 적절한 정격 제품을 선택하는 것이 중요하다. 잘 설계된 전력 모듈은 엔지니어로 하여금 크기 문제를 해결하고 장기적 신뢰성을 보장하도록 지원할 뿐만 아니라 설계 과정을 간소화하는 데에도 도움을 준다.

기사입력 : 2020-06-01