완전 통합 신호 전력 절연 애플리케이션 및 장점

  • 2017년 06월호
  • 박종배 기자, jbpark@elec4.co.kr
  • 글 | 비카스 쿠마 타와니, 절연·인터페이스 시스템 엔지니어 아난드 레구나싼, 절연·인터페이스 애플리케이션 엔지니어 텍사스 인스트루먼트


통합 전력 및 신호 절연 솔루션이 제대로 효용을 발휘하려면 높은 효율과 높은 전력 전송, 낮은 방출과 더불어 높은 절연 성능을 제공해야 한다. 

절연은 한 시스템의 두 개 부품 사이에서 직류(DC)와 필요 없는 교류(AC)를 방지하면서 두 개 부품 간의 신호 및 전력 전달을 가능하게 하는 수단이다. 절연은 조작자와 저전압 회로를 고전압으로부터 보호하고, 잡음 면역을 개선하고, 통신 서브시스템들간의 대지전위 차이를 처리하는 등 그 쓰임새가 다양하다.

CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)나 TTL(Transistor-Transistor Logic) 레벨의 입·출력을 가진 아이솔레이터를 디지털 아이솔레이터라 한다. 디지털 아이솔레이터는 신호 절연을 하지만, 두 개의 전압 도메인을 완전히 절연하려면 전력 절연까지 요구된다(그림 1 참고).

 

절연 전력을 발생시키는 기존의 방식들은 DC/DC 컨버터를 이용해 플라이백이나, 플라이벅, 푸시풀 토폴로지에서 트랜스포머를 작동하는 것이다. 세컨더리 사이드에서 진동하는 신호를 정류, 필터링하면 절연 DC 전원이 발생되며, 프라이머리 사이드로의 옵터커플러 기반 피드백이 라인 및 로드 조절을 완성시킨다.

DC/DC 컨버터가 오픈-루프 구성에서 실행되는 경우에는 저드롭아웃 레귤레이터(LDO)를 사용해 그 컨버터의 출력을 사후 조절한다. 이러한 개별 방식의 단점은 전체 솔루션, 즉 트랜스포머와 나머지 컴포넌트들이 보드에서 상당히 많은 공간을 차지한다는데 있다. 이것은 안정적이고 효율적인 절연 전원 공급 장치를 설계하는 데에도 영향을 끼친다.

그림 2〉처럼 공장 자동화에 쓰이는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)의 아날로그 입력 모듈을 살펴보자.

 

아날로그 입력 모듈은 현장에서 PLC로 센서 데이터를 연결시키며, 현장 트랜스미터에서 수신된 아날로그 입력은 온도나 압력 같은 물리적 수량을 전력 신호로 변환시킨다. 아날로그 입력 모듈에 도달한 신호는 0~5V, 0~10V, ±10V, 4~20 mA일 수 있다. 이러한 입력 신호들을 그룹으로 절연시킬 수도 있고, 채널 대 채널로 절연시킬 수도 있다.

PLC는 혹독한 산업 환경에서 작동하도록 고안되어 있고 현장 센서와 PLC가 물리적으로 분리되어 있어 대지전위가 발생하는데, 그래서 절연이 필요하다. 센서 신호는 디지털 도메인으로 변환된 후, 디지털 아이솔레이터를 통해 컨트롤 도메인으로 커플링된다.

〈그림 2〉에서 알 수 있듯이, 절연 DC/DC 컨버터는 백플레인에서 전력을 끌어내 증폭기와 ADC 같은 신호조절 요소들을 위한 절연 전원 공급 장치를 생성한다. 한 패키지 안의 신호 전력 절연 디바이스는 〈그림 2〉의 점선 안에 보이는 개별 컴포넌트 모두를 통합시킴으로써 솔루션 크기를 크게 줄일 수 있다.

완전 통합 전력 신호 솔루션 

그림 3〉은 통합 DC/DC 컨버터를 가진 n-채널 디지털 아이솔레이터에 관한 회로도 이다. 데이터 채널들은 커패시티브 절연을 통해 절연되고, 칩-스케일 트랜스포머는 전력 절연에 쓰인다.



통합 신호 전력 절연의 장점

오늘날 많은 솔루션들이 DC/DC 컨버터를 마이크로트랜스포머와 합쳐 이를 신호-절연 채널들과 함께 단 하나의 패키지로 통합시킨다. 이러한 솔루션은 시스템 엔지니어가 직면하게 되는 여러 가지 설계 시 난점들을 해결해준다.

보드 면적 감소
싱글-칩 솔루션의 첫 번째 장점은 보드 면적 감소다. 파워 스테이지, 트랜스포머, 정류기 다이오드, 절연 피드백, 디지털 데이터-절연 채널 등이 같은 디바이스 안에 집적되기 때문에 솔루션 크기가 크게 줄어든다. 디지털 아이솔레이터 패키지의 크기는 절연 등급과 크리피지, 여유 공간에 좌우되기 때문에 이러한 추가 컴포넌트들을 같은 패키지 안에 맞추는 게 가능하다면 컴팩트한 솔루션이 된다.

표면적 감소 외에도, 평면 트랜스포머를 사용해 통합 솔루션의 z-크기 또는 높이를 개별 트랜스포머들보다 더 낮출 수도 있다(~3 mm). 이 개별 트랜스포머들은 2~3배 더 두꺼울 수 있다. 〈그림 4〉는 통합으로 인한 보드 면적 절감을 보여준다.


인증 용이성
고객의 안전 인증을 용이하게 해준다는 점이 두 번째 장점이다. 이러한 절연 디바이스들은 여러 기관의 인증을 받아야 하는 시스템에 들어간다. 개별 절연 컴포넌트들이 늘어나면 고객이 시스템 레벨에서 안전 인증을 받는데 소요되는 시간은 길어진다.

통합 솔루션에서는 신호 절연과 전력 절연 모두 VDE(Verband der Elektrotechnik) 0884-11와 UL (Underwriters Laboratories) 1577 같은 컴포넌트 표준에 따라 함께 인증을 받는다. 이렇게 되면 최종 제품의 인증 절차가 짧아지게 된다.

개별 트랜스포머에서 IEC(International Electrotechnical Commission) 61800-5-1(모터 드라이브), IEC 61010-1(시험계측), IEC 60601(의료장비 안전) 같은 다양한 최종 장비 안전 표준들을 준수하기란 꽤 어려운 일이다. 강화된 전력 절연으로 인증 받은 트랜스포머들은 시중에서 매우 드물고, 있다 하더라도 부피가 크고 값이 비싸기 때문이다.

단순함과 튼튼한 디자인
마지막으로 통합 솔루션에서는 시스템 디자인이 훨씬 더 단순해진다. 라인/로드 조절용 피드백과 전원 공급 장치를 위한 모든 보호 메커니즘(예: 과부하 및 단락 보호, 열 차단, 소프트 스타트)을 칩에 통합시킬 수 있기 때문이다. 부피가 큰 트랜스포머를 가진 보드는 진동 테스트 결과가 좋지 않다. 따라서 통합 솔루션에서는 보드 레벨의 신뢰성까지 향상시킬 수 있다.

늘어나는 적용사례 

PLC
PLC는 공장 자동화와 산업 프로세스 컨트롤에서 없어서는 안 되는 필수 부분이다. PLC는 디지털 및 아날로그 입출력 모듈을 이용해 센서, 액추에이터, 기타 공장 장비들을 연결한다. 〈그림 5〉는 PLC 디지털 입력 모듈을 구현한 모습 중 하나다.

 

디지털 입력에는 푸시-버튼, 근접 스위치, 포토 센서, 압력 스위치 등이 있다. 전통적인 디자인 방식은 입력 데이터를 연속으로 늘어놓은 후 디지털 아이솔레이터를 통해 그것을 컨트롤 도메인에 커플링시키는 방식이다. 신호 전력 절연 디바이스는 별도의 필드-사이드 전원 공급 장치가 필요 없다.

센서의 데이터가 PLC 통신 모듈에 도착하면, RS-485는 〈그림 6〉처럼 데이터를 중앙 컨트롤 스테이션으로 전송한다. 절연은 서로 다른 대지전위에 연결되어 있을 수 있는 원거리 RS-485 노드들로 확실하게 통신이 이루어질 수 있도록 해준다.

이런 시나리오에서는 백플레인에서 24V를 이용할 수 있는데 이것을 5V/3.3V로 스텝다운 시킬 수 있다. 통합 신호 전력 절연 디바이스는 컨트롤 신호를 절연해 버스-사이드 RS-485 트랜시버를 위한 전원을 생성시킬 수 있다. PLC 애플리케이션에서 통합 솔루션의 주요 장점은 보드 면적 감소와 시스템 설계 용이성이다.

시험계측과 계량
그림 7〉은 계측 애플리케이션에서의 절연 데이터수집 시스템을 보여준다. 데이터 수집 시스템에서는 시스템 컨트롤러로부터 신호를 전력적으로 절연해야 하는 경우가 흔하다. 높은 공통모드 전압은 컨트롤 도메인으로부터 닿지 않게 방지 되야 하는데 이것은 계측 지점에 존재할 수 있다. 또한 절연은 필드-사이드 신호와 시스템 컨트롤러 사이의 그라운드-루프 대형을 제거해준다.

 

신호 절연과 통합된 절연 전력은 아날로그 프론트 엔드를 동작시키고 보드의 공간을 절약시켜 준다.

채널 대 채널 절연 데이터 수집의 경우, 서로간의 복수 신호들에 대한 계측과 절연이 필요한데, 통합 신호 전력 절연 디바이스는 각 채널마다 따로 전원 공급 장치를 생성해야 할 필요가 없다. 이 경우 여러 개의 온보드 트랜스포머가 더 이상 필요 없어지기 때문에, 데이터 수집 시스템에서 소형 폼팩터를 완성할 수 있다.

AC 메인 라인의 전압 및 전류를 계측하는 계량에는 고전압 강화 절연이 필요하다. 통합 솔루션에서는 강화된 절연 등급의 트랜스포머가 더 이상 필요하지 않기 때문에 시스템 비용을 줄일 수 있다.

의료용 심전도 (ECG) 프론트 엔드
의료 장비에서 절연은 환자 보호에 중요한 요소이다. ECG (그림 8 참고) 과정에서 여러 개의 리드가 환자에게 연결된다. 신호 체인이 충분히 견고해야 약한 신호들을 포착해 처리한 후, 이 신호들을 절연 장벽 너머 시스템 컨트롤러로 전달할 수 있다.

아날로그 프론트 엔드는 보통 온보드 절연 DC/DC 컨버터에 의해 구동된다. 신호 절연을 통합시켜 절연 전력을 아날로그 프론트 엔드로 보내는 디바이스는 풋프린트를 줄일 수 있어 의료용으로 매우 유용하다. 의료 안전 표준은 절연 성능에 대한 요구조건이 가장 까다로우며, 따라서 개별 전원 트랜스포머의 비용이 높다. 통합 솔루션이라면 시스템 비용을 줄일 수 있다.



통합의 문제점 

통합 소형 트랜스포머에서는 높은 전력 전환 효율을 달성하기가 어렵다. 스위칭 주파수가 매우 높아야 작은 솔루션 크기가 가능해지는데, 그러면 파워 스테이지에서 스위칭 손실이 증가한다. 또한 이렇게 높은 스위칭 주파수는 방사물을 유발시켜 통합 디바이스가 CISPR(The Comite International Special des Perturbations Radioelectriques) 22 같은 방출 표준을 충족하기 어렵게 만든다. 통합 파워 스테이지에서 한정적 효율이 갖는 또 다른 단점은 접합 온도를 높이지 않고는 아주 제한된 양의 부하 전류만 지원할 수 있다는데 있다.

특히 주위 온도가 높은 환경에서 작동할 때 내부 온도 상승은 제약이 될 수 있다. 통합 솔루션이 실행 가능한 솔루션이 되려면 높은 효율, 높은 전력 전송, 낮은 방출과 더불어 높은 절연 성능을 발휘해야 한다.

TI 솔루션 

텍사스 인스트루먼트의 ISOW7841은 강화된 쿼드 채널 고성능 디지털 아이솔레이터 제품군으로, 높은 효율과 낮은 방출의 DC/DC 컨버터를 집적하고 있다. 이 디지털 아이솔레이터는 최대 100 Mbps에서 동작하며, 전파 딜레이는 16 ns 미만이다. 이 통합 DC/DC 스위치 모드 컨버터는 첨단 회로 기술을 이용해 전력 손실은 낮추고 효율은 높이면서, 5V 입력에서 130 mA의 로드 전류를, 3.3V 입력에서 75 mA의 로드 전류를 지원한다. 통합 폐회로 피드백은 라인 및 로드 조절이 뛰어나며, 방출 표준을 준수할 수 있도록 특별한 방출 감소 기술들이 구현되어 있다.

이 디바이스는 시중에 나와 있는 다른 솔루션들보다 최대 80% 더 효율적이며, 같은 로드 전류에서 칩 온도는 최대 40°C까지 더 낮다(그림 9 참고).

 

ISOW7841은 복잡한 보드 디자인 없이도 CISPR 22 Class B 방출 표준을 충족할 수 있으며(그림 10 참고), 비슷한 통합 솔루션보다 10 dB 이상 방출이 낮다.

ISOW7841은 16-핀 와이드-바디 SOIC(Small-Outline Integrated Circuit) 패키지로 출시된다. 여기에서는 8 mm의 크리피지/클리어런스가 가능하다. 이것은 VDE 0884-10에 따라 60초 동안 5 kVRMS(UL 1577)의 임시 과전압, 최대 1,000 VRMS의 작동 전압, 10 kVPK의 써지 전압을 견딜 수 있다.

 

또한 이 디바이스는 600V(Material Group I) 패키지-몰드 화합물보다 더 큰 CTI(Comparative Tracking Index)를 사용하는데, 이것은 같은 크리피지의 디바이스들에 비해 시스템 레벨에서 더 높은 작동 전압에서 동작하게 해준다.

ISOW7841 디바이스는 전력 및 전력 성능이 뛰어나며, 업계를 선도하는 절연 성능을 가지고 있다.

결론 

완전 통합 전력 신호 절연 솔루션은 보드 면적을 줄이고 시스템 비용을 낮추고 인증을 간소화하고 복잡도를 줄이고 견고함을 늘림으로써 여러 다양한 곳에서 시스템 디자인을 단순화한다. 그렇지만 통합에는 문제점도 따른다. 통합 솔루션이 진정으로 효용을 발휘하려면 높은 효율과 높은 전력 전송, 낮은 방출과 더불어 높은 절연 성능까지 제공돼야만 한다.

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