제품 사용법: 통합 절연 및 전력으로 USB와 기존 산업 인터페이스 간의 간극 좁히기
  • 2015-11-04
  • 김언한 기자, unhankim@elec4.co.kr
  • 글| 코널 와터슨(Conal Watterson), 아나로그디바이스


인터페이스와 iCoupler, 그리고 아나로그디바이스의 isoPower 절연 기술을 다양한 IC 내부에 통합시키면 USB와 기존의 산업 인터페이스 간에 발생하는 간극을 좁힐 수 있는 손쉬운 해법을 찾을 수 있다.

USB는 오늘날 주변기기와의 직렬 통신 표준으로 널리 사용된다. 그러나 기존의 RS-232 표준도 여전히 산업 장치의 디버깅이나 마스터-슬레이브(master-slave) 연결에 많이 사용된다. 차동 통신을 통한 견고성(robustness) 향상을 위해 RS-422나 RS-485도 널리 사용되며, 특히 RS-485는 멀티노드로 연결된 다양한 산업 유선 네트워크나 필드버스(Fieldbus) 프로토콜에서 사용되는 물리적 레이어(physical layer)의 표준으로 남아있다.

그 결과 디버깅이나 모니터링에 사용되는 장치들(tools), 즉 직렬 통신 표준으로 USB만 사용하는 노트북 컴퓨터나 RS-232, RS-422, RS-485 인터페이스만 노출할 수 있는 산업 장비들에서는 사용 가능한 인터페이스 간에 불일치 상태가 생길 수 있다.

USB-UART 변환에는 하드웨어 인터페이스도 필요하지만 갈바닉 절연 역시 기능과 잠재적 안전 면에서 테스트/모니터링 장비와 전기적으로 혹독한 환경에서 실제로 사용되는 산업 장비 사이를 연결하는 인터페이스 회로에 필요하다. 인터페이스와 iCoupler, 그리고 아나로그디바이스의 isoPower 절연 기술을 다양한 IC 내부에 통합시키면 USB와 기존 산업 인터페이스 간에 발생하는 간극을 좁힐 수 있는 손쉬운 해결책을 찾을 수 있다.

갈바닉 절연을 사용하는 이유는?

인터페이스를 통해 산업 장비와 접속할 때 가장 중요한 점은 시스템의 작동을 방해하는 일을 최대한 피해야 한다는 것이다. 갈바닉 절연을 사용하면 데이터 전송 중에 어떠한 전류의 흐름도 방지할 수 있어, 테스트 중인 유닛과 디버그 유닛을 모두 보호할 수 있다. 디버그 콘솔(예, 노트북)을 연결할 때 발생할 수 있는 위험은 상당히 명확하며 그림 1에서 확인할 수 있다.

- 디버그 장비를 접지하면 접지 전위(ground potential)의 차는 순환 전류(loop current)를 발생시킬 수 있다.
- 디버그 장비를 접지하지 않으면 정전기가 테스트 중인 유닛으로 방전될 수 있다.
- 모터와 릴레이로부터의 잡음 스위칭 때문에 필드버스 네트워크에서 위험한 수준의 전압이 발생할 수 있다.
- 기본 진단 장비(예, 노트북) 중에는 산업 장비와 같은 엄격한 수준의 인터페이스 보호가 제공되지 않는 것도 있다.

USB-UART 인터페이스에서는 두 가지 경우가 있을 수 있다. 하나는 USB 인터페이스를 절연하는 것이고, 다른 하나는 UART 인터페이스(RS-232/RS-485/RS-422)를 절연하는 것이다. 이론상으로는 둘 다 절연 가능하며, 이렇게 하면 인터페이스 모듈 자체를 USB나 UART중 하나로부터 보호하거나 또는 직렬로 연결된 두 개의 기본 절연 인터페이스로 부터의 안전한 절연을 제공할 수 있다.

iCoupler 디지털 절연기를 사용한 절연

iCoupler 기술을 사용한 디지털 절연기는 갈바닉 절연 시 높은 수준의 견고성을 제공하며, 이와 함께 전력 요건이 옵토커플러보다 낮아지고 신뢰도가 증가한다. IC의 다른 기능성(예, 트랜시버)은 비절연 솔루션에 비해 PCB 면적이 거의 추가되지 않는 싱글칩 솔루션에 통합될 수 있다. 이는 특히 RS-232나 RS-485처럼 적절한 전압에서의 데이터 송수신에서 IC가 이미 요구되는 인터페이스를 절연할 때 얻을 수 있는 장점이다.

USB에서 두 개의 신호 D+와 D-는 USB 핸드셰이킹(handshaking)과의 간섭을 일으킨다거나 주문 제작한 소프트웨어 드라이버를 사용하는 일이 없도록 투명하게(transparently) 절연되어야 한다. USB에 ADuM3160과 같은 디지털 절연기를 사용하면 폭이 넓은 형태의 SOIC 풋프린트(wide-body SOIC footprint)에서 이러한 방식의 절연이 가능하다.

전력은 절연기 한 쪽에서 USB케이블 전반에 걸쳐 사용 가능하며, 따라서 절연된 부분에도 역시 마찬가지로 비슷한 전력원이 있어야 한다. 전력 절연을 위해서 유사한 칩 크기에 변압 기술인 isoPower가 적용된 ADuM5000을 추가하면 전력원 역시 폭이 넓은 형태의 SOIC 풋프린트에서 구현할 수 있다. 추가 전력 수준이 필요하다면 외부 변압기와 정류기를 사용할 수 있으며, 이때 변압기 드라이버와 2차 레귤레이터가 필요하다. 이 기능은 ADuM3070에 내부적으로 결합되어 있다.

RS-232을 절연하기 위해서는 몇 가지 제어 신호(예, RTS와 CTS) 외에도 송신(TX) 신호와 수신(RX) 신호를 절연해야 한다. 그러나 TTL 인터페이스를 UART에 추가할 때 RS-232 전압수준으로 송수신한 신호를 변환하기 위해 RS-232 트랜시버가 필요하다. 트랜시버와 절연기에서 트랜시버가 연결된 쪽에 전력을 공급하기 위해서는 절연된 전력원도 필요하다. 이 모든 세 가지 요소(신호 절연, 트랜시버, 절연된 전력원)는 그림 2에서 보는 것처럼 모두 ADM3252E에 포함되어 있어서 하나의 BGA 풋프린트에서 완전히 절연된 RS-232 인터페이스를 제공할 수 있다.

RS-485 역시 2선 버스(A, B)나 4선버스(A, B, Y, Z) 중 하나와 인터페이스를 통해 연결하는 데 트랜시버를 사용한다. 이때 전송(TxD), 수신(RxD), 드라이버 활성화(DE), 수신기 활성화(/RE) 신호가 절연된다. ADM2587E를 사용하면 RS-232 절연 솔루션과 마찬가지로 그림 3에서처럼 완전히 절연된 RS-485 인터페이스를 구현할 수 있다.

여기에는 장치에서 트랜시버가 연결된 쪽에 전력을 공급하기 위해 필요한 통합 isoPower DC-DC 컨버터가 포함된다. 트랜시버는 RS-422 통신에도 사용할 수 있다.

 

 

절연 USB를 산업 직렬 인터페이스와 연결하기 위한 옵션

산업 장비의 직렬 포트와 접속하려면 RS-232나 RS-422, RS-485 트랜시버가 USB-UART 칩(예, FTDI FT2232H)에 연결되어야 한다. 절연은 다중 직렬 인터페이스에서 개별적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 ADM3252E를 사용하는 RS-232 포트와 ADM2587E를 사용하는 RS-485 포트의 경우, 두 가지 모두 동일한 USB 연결에서 관리된다.

이렇게 하면 두 개의 포트를 각각 절연할 수 있는 이점이 있어서 두 개의 산업 장비에 연결할 때 발생할 수 있는 잠재적인 위험이 줄어든다. 이외에도 별도의 절연된 전력원이 필요하지 않은데, 이는 ADM3252E와 ADM2587E 양쪽 모두 isoPower 기술을 사용해 인터페이스쪽 전력원이 내부에서 생성되기 때문이다.

그 대신에 ADuM3160이나 ADuM 4160 USB 절연기를 사용하면 하나의 지점에서 그러한 절연이 쉽게 이루어질 수 있다. 다시 말해 표준 직렬 인터페이스 IC가 사용될 수 있다는 뜻이다.

그러나 포트가 개별적으로 절연되지는 않으며 USB-UART 칩, 트랜시버, USB 절연기의 다운스트림에 전력을 공급하기 위해 절연된 전력원 솔루션(예, ADuM3070)이 필요하다.

두 가지 접근법 모두 그림 4의 CN-0373 레퍼런스 회로에서 보는 것처럼 단일 보드 상에서 구현된다. 여기에는 USB 인터페이스를 절연하는 ADuM3160, USB-UART 칩을 포함하는 보드에 절연 전력을 공급하는 ADuM3070, RS-232와 RS-422/485 인터페이스를 각각 절연하는 ADM3252E와 ADM2587E가 각각 포함된다.

 

 

결론

갈바닉 절연은 인터페이스를 통해 산업 현장에서 사용되는 장비와 연결하는데 필수적인 요소이다. iCoupler 기술을 기반으로 하는 디지털 절연기를 사용하면 USB 인터페이스를 투명하게 절연시킬 수 있으며, 산업 직렬 인터페이스와 접속하는 데 이미 사용 중인 IC에 갈바닉 절연을 통합할 수도 있다. 이런 방식으로 산업 애플리케이션에 완전 절연된 USB를 직렬 구현할 수 있다.

이러한 애플리케이션을 위한 절연 솔루션을 도식화해 설명하기 위해서 아나로그디바이스는 CN-0373 회로와 관련해 <절연 RS-485/절연 RS-232 인터페이스에 절연 USB 연결 (Isolated USB to Isolated RS-485/Isolated RS-232 Interface)> 회로 노트를 제공한다. 이 회로는 USB 인터페이스와 RS-232 및 RS-485 포트 양쪽에서 USB-UART칩을 완전히 절연하며, 이를 통해 제공되는 견고함을 완전히 테스트하고 시연해 보일 수 있다.

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