마이크로전력 제로 드리프트 연산 증폭기를 사용한 무선 전류 검출

  • 2017년 08월호
  • Kris Lokere, Strategic Applications Manager, Signal Conditioning Products Linear Technology Corp., Now Part of Analog Devices, Inc.


전류 검출 회로의 원리에 있어 기존의 전압 차이를 연결하는 접근법에서 벗어나 무선 방식도 등장하고 있다. 

많은 전류 검출 회로가 동일한 간단한 원리로 동작한다. 검출 저항 상으로 전압 강하를 구축하고, 이 전압을 증폭하고, 이것을 ADC를 사용해서 리딩한다. 그럼으로써 이것을 가지고 전류를 알 수 있다. 그런데 검출 저항이 시스템 접지와 아주 차이가 나는 전압을 사용하면 일이 꽤 복잡해진다. 이에 대한 통상적인 솔루션은 아날로그 영역에서든 디지털 영역에서든 이 전압 차이를 연결하는 것이다. 그런데 여기에 또 다른 접근법이 있다. 바로 무선(Wireless)이다.

상측 전류 검출 증폭기는 아날로그 영역에서 동작한다. 이러한 IC는 콤팩트하기는 하나, 견딜 수 있는 전압 차이가 반도체 프로세스로 인해서 제한적이다. 그러므로 정격이 100V 이상인 디바이스가 드물다. 그리고 이러한 회로는 검출 저항 공통 모드 전압이 시스템 접지 위로나 아래로 급격하게 변화하거나 스윙하는 경우에 정확도가 떨어진다.

자기 또는 광 아이솔레이터(Isolator)는 디지털 영역에서 절연 벽을 통해서 연결한다. 이 하드웨어는 좀 더 크기가 대형이나 작동 시에 정확도가 저하되지 않으며 통상적으로 수천 볼트를 견딜 수 있다. 이러한 회로는 절연 전원을 필요로 하며, 이것을 경우에 따라서는 아이솔레이터 소자 안으로 통합할 수도 있다. 또한 검출저항이 물리적으로 메인 시스템으로부터 떨어져 있으면 긴 와이어나 케이블을 연결해야 한다.

최근의 저전력 신호 컨디셔닝과 무선 기술은 이에 대한 새로운 접근법을 제공한다. 전체적인 회로가 검출 저항 공통 모드에 따라서 부동적이며 측정된 데이터를 무선으로(Wirelessly) 전송할 수 있으므로 전압에 한계가 없다. 또한 케이블을 연결할 필요 없이 검출 저항을 어느 위치에나 설치할 수 있다. 또한 회로가 극히 낮은 전력이면 절연 전원을 필요로 하지 않고 소형 배터리를 사용해서 수년간 동작할 수 있다.

무선 전류 검출 

그림 1〉의 전류 검출 회로는 LTC2063 초퍼 안정화 연산 증폭기를 사용해서 검출 저항 상의 전압 강하를 증폭한다. 그리고 마이크로전력 SAR ADC인 AD7988을 사용해 이 값을 디지털화하고 SPI 인터페이스를 통해서 보고한다. LTP5901-IPM은 무선 모듈로서, 자동으로 인근의 다른 노드들과 IP 기반 메시 네트워크(Mesh Network)를 형성한다.

또한 이 디바이스는 마이크로프로세서를 포함함으로써 AD7988 ADC의 SPI 포트를 리딩한다. LTC3335는 나노전력 벅-부스트 레귤레이터(Regulator)로서, 이 배터리 전압을 일정한 출력 전압으로 변환한다. 또한 LTC3335는 쿨롱 카운터를 포함하므로 배터리로부터 인출된 누적 전하를 알려준다.


[그림 1] 저전력 무선 전류 검출 회로로, 저전력 초퍼 연산 증폭기를 사용해서 검출 전압을 증폭하고 이 전압을 저전력 ADC 및 레퍼런스를 사용해 디지털화하고, SmartMesh™ IP 무선 모듈로 자동으로 연결한다. 저전력 DC/DC 컨버터가 배터리를 컨디셔닝하고 배터리로부터 인출되는 누적 전하를 추적한다.

마이크로전력 제로 드리프트 연산 증폭기 

검출 저항의 열 발생을 최소화하기 위해서 통상적으로 검출 저항의 전압 강하는 10 mV부터 100 mV까지로 제한된다. 그러므로 이를 측정하기 위해서는 제로 드리프트 연산 증폭기 같이 오프셋 오차가 낮은 입력 회로를 필요로 한다. LTC2063은 극저전력 초퍼 안정화 연산 증폭기로서, 최대 전원 전류가 2 μA다. 또한 오프셋 전압이 10 μV 미만이므로 정확도가 저하되지 않고서 극히 작은 전압 강하까지도 측정할 수 있다.

그림 2〉는 LTC2063을 사용해서 10 mΩ 검출 저항 상의 전압을 증폭하고 레벨 시프트하도록 구성한 예를 보여준다. 검출 저항 상에서 ±10 mV 풀스케일(±1A 전류에 해당)이 중간 전원을 중심으로 해서 출력에서 거의 풀스케일 범위에 맵핑되도록 이득을 선택하고 있다. 이렇게 증폭된 신호를 16비트 SAR ADC로 전달한다. AD7988을 선택한 것은 대기 전류가 극히 낮고 DC 정확도가 우수하기 때문이다. 

낮은 샘플 속도일 때는 ADC가 자동으로 변환 간격 사이사이에 자동으로 셧다운함으로써, 1 ksps일 때 평균 전류 소모를 10 μA로까지 낮출 수 있다. LT6656 전압 레퍼런스는 1 μA 미만을 소모하며, 증폭기, 레벨 쉬프트 저항, ADC의 레퍼런스 입력을 바이어싱한다.

 

[그림 2] 이 전류 검출 회로는 검출 저항 전압에 따라서 부동적이다. LTC2063 초퍼 연산 증폭기가 검출 전압을 증폭하고 이것을 AD7988 ADC를 위해서 중간 레일로 바이어싱한다. LT6656-3은 정밀 3V 레퍼런스를 제공한.

산업용 강도의 무선 메시 

SmartMesh 무선 모듈인 LTP5901-IPM은 무선 트랜시버, 임베디드 마이크로프로세서, 네트워킹 소프트웨어를 포함한다. 네트워크 매니저의 범위 내에서 다중의 SmartMesh 노드들이 파워업하면 이들 노드들이 자동으로 서로를 인식하고 무선 메시 네트워크를 형성한다.

네트워크 내의 모든 노드들이 자동으로 시간 동기화를 한다. 다시 말해서 각 노드가 지정된 아주 짧은 시간 간격 동안만 켜진다. 각 노드가 센서 정보 소스로 동작하면서 또한 루팅 노드로 동작함으로써 다른 노드들로 데이터를 중계해서 매니저로 전달하도록 할 수 있다. 그러므로 각 노드들로부터 매니저로 다중의 경로를 사용할 수 있고 그러면서도 루팅 노드를 비롯한 모든 노드들이 극히 저전력으로 동작하는 신뢰할 수 있는 저전력 메시 네트워크를 제공한다.

LTP5901-IPM은 ARM Cortex-M3 마이크로프로세서 코어를 포함하며 이 코어가 네트워킹 소프트웨어를 실행한다. 또한 사용자가 특정한 애플리케이션에 필요로 하는 작업을 실행하기 위해서 고유한 애플리케이션 펌웨어를 작성할 수 있다. 이 예에서는 LTP5901-IPM에 포함된 마이크로프로세서가 전류 측정 ADC(AD7988)의 SPI 포트를 리딩하고 쿨롱 카운터(LTC3335)의 I2C 포트를 리딩한다.

또한 이 마이크로프로세서는 초퍼 연산 증폭기(LTC2063)를 셧다운 모드로 전환할 수 있으므로, 전류 소모를 2 μA에서 200 nA로 추가적으로 더 낮출 수 있다. 이렇게 함으로써 측정 간격이 매우 긴 활용 모델의 경우에 추가적으로 전력을 절약할 수 있다.

나노전력 쿨롱 카운터 

초당 일회씩 보고하는 노드라고 했을 때 전력 소모가 측정 회로는 5 μA 미만이고 무선 부분은 40 μA이다. 하지만 실제 전력 소모는 신호 체인이 얼마나 자주 리딩을 취하고 네트워크에서 노드들을 어떻게 구성하느냐 같은 여러 요인들에 따라서 달라질 것이다.

여기서 예로 들고 있는 회로는 2개 알카라인 일차전지 배터리를 사용해서 구동하고 있다. 이 배터리 입력 전압을 쿨롱 카운터를 통합한 LTC3335 나노전력 벅-부스트 컨버터를 사용해서 레귤레이트한다. 1.8~5.5V 입력 전원을 사용해서 레귤레이트된 3.3V 출력을 제공할 수 있다.

듀티 사이클 무선 애플리케이션에서 부하 전류는 무선이 작동하고 있느냐 아니면 슬립 모드이냐에 따라서 1 μA부터 20 mA까지 될 수 있다. LTC3335는 무부하일 때 정지 전류가 680 nA에 불과하므로, 무선 및 신호 체인이 슬립 모드일 때 전체적인 회로를 극히 낮은 전력으로 유지할 수 있다. 그러면서 또한 LTC3335는 최대 50 mA를 제공할 수 있으므로 무선 전송/수신 및 다양한 신호 체인 회로용으로 충분한 전력을 제공한다.

고신뢰성 무선 센서를 위해서는 배터리가 고갈되는 일이 발생되어서는 안 된다. 또 한편으로 배터리를 너무 자주 교체해야 한다면 원치 않는 비용과 중단 시간을 초래할 것이다. 그렇다면 필요한 것은 정확한 배터리 잔량 회로이다. LTC3335는 쿨롱 카운터를 포함한다. 그러므로 레귤레이터가 스위칭할 때마다 배터리로부터 인출하는 총 전하를 추적한다. 이 정보를 I2C 인터페이스를 사용해서 리드아웃할 수 있다. 이를 확인함으로써 배터리를 교체해야 하는 시기를 예측할 수 있다.

맺음말 

리니어 테크놀로지(Linear Technology)와 아날로그 디바이스(Analog Devices)의 신호 체인, 전원 관리, 무선 네트워킹 제품을 결합함으로써 진정한 무선 전류 검출 회로를 설계할 수 있다. 〈그림 3〉은 구현 예를 보여준다. 새로운 극저전력 LTC2063 초퍼 연산 증폭기를 사용함으로써 검출 저항 상의 낮은 전압 강하를 정확하게 리딩할 수 있다. 마이크로전력 ADC와 전압 레퍼런스를 포함하는 전체적인 회로가 검출 저항의 공통 모드에 따라서 부동적이다.

 

[그림 3] 소형 회로 보드로 전체적인 무선 전류 검출 회로를 구현하고 있다. 유일한 물리 커넥터는 측정하고자 하는 전류용의 바나나 잭이다. 오른쪽은 무선 모듈이다. 이 회로는 보드 뒷면에 연결된 2개 AAA 배터리를 사용해 구동된다.

나노전력 LTC3335 스위처는 이 회로를 소형 배터리를 사용해서 수년간 작동할 수 있으며, 또한 쿨롱 카운터를 통합함으로써 누적 배터리 사용량을 알려준다. LTP5901-IPM 무선 모듈은 전체적인 애플리케이션을 관리하고 신뢰할 수 있는 SmartMesh IP 네트워크로 자동으로 연결한다.  

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