자동화 산업 시스템을 위한 리니어 파워 알아보기

글: 호세 곤잘레스(Jose Gonzalez) / 리니어 파워(LDO) 제품 마케팅 엔지니어
    텍사스 인스트루먼트
 

산업 자동화 장비에 적합한 강력한 전원 관리 시스템을 설계하려면, 그 주변 환경과 기능에 영향을 미치는 조건들을 철저히 파악해야 한다.
 
지난 수 십 년간, 산업 및 자동화 시스템은 보다 견고하고 지능적이며, 연결성이 높아지면서 반도체 구성요소들의 풋프린트도 크게 증가했다. 이러한 변화는 서로 다른 설계와 시스템 구조들의 융합을 낳았고, 결과적으로 엔지니어들은 검증된 설계를 유지하다가 기능 개선이 필요할 때 이를 현대적인 설계 또는 더 새로운 설계와 접목을 하게 되었다.
 
옛 것은 보내고 새 것은 맞이하기
 
설계가 개선되고 많은 시스템들이 업데이트 되고 있지만, 환경과 이러한 디바이스를 둘러싼 조건들은 크게 변한 것이 없다. 일상적으로 접하는 대다수 전자 디바이스들과는 달리, 산업용 환경에서의 시스템은 고온, 고전압 환경, 그리고 마모와 해짐, 스트레스를 일으키는 여러 다양한 외부 요소들 속에서 작동해야 한다.
 
즉, PCB에 탑재되는 마이크로 컨트롤러, 센서 및 그 밖의 디바이스들을 제대로 지원하려면, 전원 관리가 이러한 조건들에서도 충분히 제대로 작동할 수 있어야 한다는 것이다. 동시에 수 십 년간 전력, 효율, 신뢰성도 일정하게 공급돼야 한다. 현재 대다수의 설계는 과거의 발전, 고전압 시스템 및 기계류와 직간접적으로 상호작동을 해야 한다. 따라서 민감한 전자부품에 해를 끼칠 수 있는 결함과 이벤트를 파악 및 처리하는 것이 매우 중요하다.
 
전원 관리와 관련해, 사용할 수 있는 토폴로지들은 많다. 그러나 자동화 시스템에서는 모터에 이미 쓰이고 있는 높은 DC 전압, 이 시스템의 컨트롤 라인에서 가장 흔한 12V나 24V를 찾는 것이 일반적이다. 많은 시스템이 고출력 효율 DC/DC 아키텍처의 이점을 활용해 저 전압을 달성하고 있지만, 선형 레귤레이터(LDO)에 대한 수요도 상당하다. 이것은 계량, 센싱을 담당하는 반도체 시스템에 전압 조절을 제공하고 주요 모터 기능들을 제어한다. 이번 글에서는 산업 및 공장 자동화 시스템에서 사용할 수 있는 선형 레귤레이터의 요건들과 그 이점들을 검토하고자 한다.
   
산업 자동화 시스템과 고전압
 
표준 산업 자동화 시스템은 CPU 또는 중앙 컨트롤러, 모든 서브시스템과 상호 작동하는 아날로그 및 디지털 입출력, 초 장거리 와이어 길이를 허용하는 통신 프로토콜, 추가 기능을 위한 분기 I/O 모듈이나 스택 I/O 모듈 등으로 구성된다. 그림 1은 대다수 자동화 구조에 현재 쓰이고 있는 대중적이고 간결한 PLC(programmable logic controller) 구성을 보여주고 있다.
   
대부분의 경우, 각 블록이나 섹션의 디바이스들은 메인 전원 공급 장치에서 직접 전력을 공급받을 수 있지만, 다른 디바이스들은 24V 레일을 이용해 필요한 것을 조절한다. 이 시나리오에서는 설계자가 연결돼 있거나 연결될 수 있는 모든 디바이스들을 고려해야 한다. 전원 공급 장치가 전력을 보충하거나 아껴야 할 필요가 있기 때문이다. 또한 많은 디바이스들을 파워 BUS에 연결할수록 라인 상의 잡음이 증가하고, 그러면 서브시스템 내의 잡음도 증가하게 된다. 표준 PLC는 12V와 24V에서 작동하는 동안 시스템의 디바이스, 보드, 인터페이스 주변장치 중 어느 하나가 이 범위를 초과해 작동할 가능성이 항상 있음을 염두하고 있어야 한다. 이런 경우에 필요한 전원 공급 장치는 40V 이상의 범위에 있는 이러한 고전압에 도달할 수 있어야 한다.
 
선형 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 비교
 
많은 자동화 시스템에서 상태 센싱과 통신, 정밀 아날로그-디지털 컨버전은 핵심 요소들이자 기능의 기반이 된다. 이러한 컨버터들과 통신 디바이스들은 대부분 잡음에 민감하다. 이렇게 잡음에 민감한 디바이스들은 공급 잡음을 최소화하는 것이 중요하다. 통신이나 변환의 정밀성, 안정성에 영향을 미치기 때문이다.
 
스위칭 레귤레이터는 내부 구성요소를 켜고 끄는 방식으로 입력 전압을 바꿀 수 있다. 그러나 이는 수신 컴포넌트가 잡음이나 입력 전압의 변동으로 볼 수 있는 출력 전압 리플을 만들어내 기능에 영향을 미친다. 반대로 선형 레귤레이터는 내부 구성요소의 어느 것도 켜고 끄지 않기 때문에, 매우 낮은 출력 전압 리플을 가지고 있다. 또한 시스템 내에서 매우 높은 대역폭과 매우 적은 전자기 간섭(EMI)을 갖는다. 심지어 LDO(low drop-out) 선형 레귤레이터 디바이스는 사용이 훨씬 더 간편하다. 대부분이 3-4핀 디바이스이고 매우 작은 패키지를 가지고 있어 외부 인덕터가 필요하지 않다(그림 2).
   
 
고온 적합성
 
대부분의 시스템에서 모터는 기계식이든 전기식이든지 간에 열을 통해 상당히 많은 전력을 소모한다. 이 열은 대부분 금속으로 만들어진 하우징을 통해 발산된다. 즉, 살아남아 제대로 기능을 하려면 모든 내부 전자부품은 125°C도 견디는 초고온 등급이어야 한다. 이 범위는 현재 산업 시스템용 반도체에서 주변온도에 관한 새로운 기준이 되었다. 또한 실외용 디바이스가 겪는 –40°C와 같은 빙점 이하 온도에서도 역으로 잘 작동한다. 두 조건이 충족되는 경우가 항상 있는 것은 아니지만, 대부분의 디바이스들은 양 극단에서 적합 시험을 거쳐야 한다. 선형 레귤레이터의 한 가지 단점은 시스템을 통해 소비되는 전력량이 거의 열로 소모된다는 것이다. 선형 레귤레이터가 소모하는 전력은 다음과 같이 계산한다:
 
 (1)
 
즉, 입력 전압과 출력 전압 간의 전압 차가 클수록 발산되는 열이 많아지고, LDO 주변의 온도도 높아진다는 것을 의미한다. 이러한 경우, 보다 나은 방법으로 이 시스템의 열을 소모할 수 있는 방법은 패드나 접촉을 사용하는 것이다. 설계자는 ON/OFF 스위치가 장착된 레귤레이터를 이용해 디바이스의 작동 시간을 제어할 수 있다. 다른 디바이스들에는 초과온도 차단 기능을 넣어 디바이스가 안전하지 않은 온도에 도달하는 것을 방지할 수도 있다. 전력 손실을 보상할 수 있는 또 다른 방법은 초저전압 드롭아웃 레귤레이터를 선택해 VOUT을 최대한 VIN에 가깝게 유지하는 것이다. 이것은 100mA 미만 범위 내의 저전류 전력에서 가장 일반적인 시나리오이다.
 
위험 조건들과 고장
 
열, 전압, 전력이 자동차 조립 현장(그림 3)과 같은 자동화 시스템에서 중요한 요소이지만, 시스템에 크게 영향을 미칠 있는 그 밖의 요소들도 있는데 특히 그 설계에 모터를 통합할 때 그렇다. 시스템 내의 특정 모터가 중단되거나 막히면, 이것이 시스템 안으로 더 많은 전류를 끌어당겨 레귤레이터에서의 전력 수요를 증가시키게 된다. 많은 분리 솔루션들이 전기 접지로 이 전류를 분산시키고 있지만, 지금은 전류가 초과될 때 출력 전류를 감지하여 차단할 수 있는 선형 레귤레이터의 종류가 다양하다. 대부분의 경우 이것이 디바이스를 과열시키는데, 이런 경우 초과온도가 도움이 된다. 전류 증가는 거의 즉각적인 반면 열의 증가는 점진적이다.
 
초과온도 조건
 
열과 전력 발산은 보상과 설계를 할 수 있지만, 정해진 파라미터를 부하가 초과하는 경우 고장이 발생할 수 있다. 발산되는 전력이 예상치 않게 증가하는 경우에는 시스템을 차단해 영구적인 손상을 방지하는 방식을 권장한다. 대부분의 선형 레귤레이터와 LDO에는 내부 열 차단 구조가 있어, 접합 온도를 그림 2처럼 초과하면 디바이스를 끌 수 있다. 표준 선형 레귤레이터에서 접합 온도가 대략 170°C까지 상승하면 열 보호 기능이 출력을 꺼버리면서 디바이스를 냉각시킬 수 있다. 접합 온도가 대략 150°C까지 식으면, 출력 회로가 다시 켜지면서 조절이 재개된다. 이 보호회로가 방열판을 대체할 수 있는 것은 아니지만 추가적인 보호 기능은 제공할 수 있다.
   
 
전류 제한 및 단락 보호
 
작동 온도의 상승과 마찬가지로 전원 관리에서 출력 전류가 예기치 않게 상승하면 전체 전력 레일에 걸쳐 심각한 손상을 야기할 수 있다. 출력 전류를 증가시킬 수 있는 조건들로는, 꼼짝도 안 하는 모터부터 파워 레일에 부착된 많은 노드들, 심지어 전기적, 물리적으로 손상을 입은 장치의 단락 회로까지 다양하다. 이러한 공급 전류의 증가는 대다수 전기 시스템은 물론, 호스트 전원 관리 회로에도 해를 입혀 값비싼 기계에 돌이킬 수 없는 손상을 주거나 생산 지연을 야기할 수 있다.
 
단락으로부터의 내부 보호 및 전류 한계 기능을 가진 LDO를 선택하면, 이 유해한 결과가 전파되는 것을 방지할 수 있고 전체 전원 관리에 추가적인 보호를 제공할 수 있다.
   
 
선형 레귤레이터(LDO)의 전류 한계란 공급되는 전류의 상한을 설정하는 것이다. 이것은 내부 회로를 통해 이루어지는데, 그림 4처럼 LDO 내부의 출력 스테이지 트랜지스터를 제어한다. 내부 전류는 출력 전류를 측정하여 이를 모방함으로써 출력 로드의 전류가 증가할 때 감지된 전류도 증가하게 만든다. 마지막으로 내부 비교기가 이를 샘플링 하여 출력이 안전 작동 범위 내에서 이 전류를 유지하게 제어할 것이다. 전류 한계에 도달하면, 출력 전압은 더 이상 조절되지 않고 로드 임피던스를 통해 이를 정의하게 된다:
 

 
패스 트랜지스터가 이 동작을 계속하게 되며 열 저항(θJA)이 건전한 전력 소산을 허용하는 동안 전력을 발산하게 될 것이다(TJ < 125°C).
 
결론
 
모든 유형의 자동화 산업 및 공장 시스템의 전원 공급 장치를 설계할 때에는 여러 가지 고려 사항과 주의 사항을 체크해야 한다. 선형 레귤레이터 설계에는 완벽하진 않지만 어떤 환경에도 적합한 많은 기능들이 광범위하게 채택되어 있다. 하나로 다 통하는 것은 아니지만, 어떤 시스템에서든 모든 요건을 충족하면서 사용이 간편하고 비용 효과적인 전원 관리 솔루션을 유지할 수 있는 것은 확실히 선형 레귤레이터다.
 
참고문헌
1. F. Barzegr, S. Cuk, and R.D. Middlebrook, “소형 컴퓨터를 이용해 레귤레이터 전달 기능과 루프 게인의 규모와 단계를 모델링 하고 측정하는 방법”, Proceedings of Powercon 8, 1981년 4월
2. Bruce Hunter and Patrick Rowland, LDO를 위한 선형 레귤레이터 설계 가이드, 애플리케이션 보고서(SLVA118A), 텍사스 인스트루먼트, 2008년 6월
 
선형 레귤레이터에 관한 정보는 다음에서 확인할 수 있다. 데이터시트 다운로드: TPS709, TPS7A16, TPS7A4001