LTC2945는 다양한 유형의 애플리케이션에 이용할 수 있는 범용 보드 레벨 전원 모니터링 디바이스로서 사용자들이 전류, 전압, 전력을 모니터링 할 수 있도록 간편하면서도 매우 효과적인 솔루션을 제공한다.



글 | 크리스토퍼 고복(Christopher Gobok)
제품 마케팅 엔지니어
리니어 테크놀로지


오늘날 전자 디자인이 날로 복잡해짐에 따라서 전력 소모를 관리하고 전반적인 효율을 최적화하는 것이 갈수록 더 중요해지고 있다. 산업용 및 통신 애플리케이션에서부터 자동차 및 의료 장비에 이르는 모든 유형의 애플리케이션에서 전력을 절약하고 신뢰성을 보장하기 위해서는 정확한 전원 전압 및 전류 모니터링을 필요로 한다. 보드 레벨 전원 모니터링은 이제 더 이상 랙과 서버만의 전유물이 아니게 되었다. 태양광 차저, 방위용 무기, 첨단 자동차 전자장치 등과 같은 비전통적 애플리케이션 분야로 전원 모니터링이 빠르게 확산되고 있다. 시스템이 갈수록 더 지능화하고 효율이 향상되고 있으며 세상이 갈수록 더 연결되고 있으므로 환경보호에 기여하면서 소중한 자원을 절약하기 위한 노력의 일환으로 최종 사용자들이 전기 파라미터를 이해하고 제어해야 할 필요성이 갈수록 커지고 있다.
마이크로프로세서와 그 밖의 일련의 부품들을 이용해서 전원 모니터링 솔루션을 구현할 수 있다. 하지만 데이터 폴링, 파라미터 곱셈, 데이터 분석을 위해서 시스템 오버헤드를 일으킨다. 훌륭한 전원 모니터링 IC라면 호스트로부터 이와 같은 번거로운 작업을 덜 수 있도록 하는 간편한 솔루션을 제공해야 할 것이다. 전압, 전류, 전력 레벨을 알 수 있으면 시스템의 건전성을 즉각적으로 이해할 수 있다. 파라메트릭 경고만으로 결함을 조기에 검출할 수 있으므로 재난 수준의 이벤트가 발생하기 전에 사전 조치를 취할 수 있다. 또한 시간의 경과에 따라서 얼마나 많은 전류를 소모하는지 등을 비롯해 활용 패턴을 이해할 수 있으므로 시스템을 최적화할 수 있다. 또 이러한 정보를 이용해서 과도하게 활용되는 장치에서 저조하게 활용되는 장치로 작업 부담을 덜 수 있도록 하는 등 자원을 적절하게 활용할 수 있다.



전원 모니터링 사례
전원 모니터링은 여러 가지 방법으로 구현되고 있는데, 이것은 시스템으로 제공되는 전원 입력을 모니터링 하기 위해서 다양한 부품들이 필요하다는 점을 생각하면 당연한 것이다. 전류를 측정하기 위해서는 검출 저항과 증폭기가 필요하며, 증폭기 입력 범위가 양의 전원 레일까지 미치고 출력을 접지로 변환하는 경우에 아주 편리하다. 전압을 측정하기 위해서는 정밀 저항 분할기가 필요하고, 하나 이상의 전압을 모니터링 해야 한다면 부품 목록에 먹스(mux)를 추가해야 한다. 그 다음에는 멀티채널 아날로그-대-디지털 컨버터(ADC)를 필요로 한다. ADC는 정밀 레퍼런스와 마이크로프로세서로 인터페이싱 할 수 있는 수단을 제공하며 인접한 IC와 I/O 라인을 공유할 수 있다. 최솟값 및 최댓값을 검출해야 하거나 경고를 발행해야 하면 코드를 작성하고 이를 지속적으로 실행해야 한다. 전반적인 복잡성이 높고 적합한 부품을 찾기가 어렵기 때문에 전원 모니터링을 위해서는 흔히 통합적인 솔루션을 이용하는 것이 수월하고 편리하다.
리니어 테크놀로지(Linear Technology)의 LTC2945는 소형의 3 mm × 3 mm QFN 또는 MS12 패키지로 모든 필요한 기능 블록을 통합함으로써 공간, 복잡성, 비용 측면에서 디스크리트 솔루션을 이용할 수 없는 다양한 유형의 애플리케이션으로 전원 모니터링을 매우 실용적으로 구현할 수 있도록 한다. LTC2945는 최저 2.7 V로 동작하면서 0~80 V 레일의 전압 및 전류를 모니터링 할 수 있으며, 자신의 전원 전압과 하나의 추가적인 전압 입력을 모니터링 할 수 있다. 온보드 션트 레귤레이터는 80 V 이상에 달하는 전원을 모니터링 할 수 있도록 한다. 유연성을 높일 수 있도록 검출 저항이 외장형이므로, LTC2945는 밀리암페어에서부터 수 암페어 이상에 달하는 전류를 정확하게 모니터링 할 수 있다. ADC는 12비트 분해능이고 최대 TUE(Total Unadjusted Error)가 전압에 대해서 0.75%이고 전류에 대해서 0.75%이다. 추가적인 ADC 입력(ADIN 핀) 역시 TUE가 0.75%에 불과하다. LTC2945는 또한 디지털 곱셈기를 포함함으로써 24비트 전력 값을 계산하고 이 값을 측정값, 상태, 사용자 구성과 함께 I2C 액세스-가능 레지스터로 저장한다.
LTC2945는 RAID 시스템, 통신, 교통, 태양광 모니터링 시스템, 산업용 컴퓨터/제어 시스템 등을 비롯해서 다양한 유형의 복잡하고 공간 제약적인 애플리케이션에 이용하기에 적합하다. 이 디바이스의 이점은 이 디바이스로 소수의 단순한 배선만을 필요로 한다는 것이다. 그림 2는 LTC2945가 12 V를 이용해서 동작하면서 3.3 V 마이크로프로세서의 입력 전압 및 전류를 모니터링 하는 것을 보여주고 있다. 외부 부품으로는 검출 저항과 3개의 풀업 저항만을 필요로 한다.
LTC2945는 넓은 레일-투-레일 범위를 특징으로 함으로써 각기 다른 다양한 저전압 및 고전압 시스템에 이용하기에 유용하다. 100 V 절대 최대 정격 전원 및 검출 핀은 48 V 또는 -48 V 애플리케이션 같은 경우에 충분한 헤드룸을 제공하며 또한 제로 볼트 검출 모니터링 기능은 단락 회로 시나 블랙아웃 시에 전류 레벨을 모니터링 하기에 유용하다. 제로 볼트 시의 결함 전류 레벨은 추가적인 회로 없이도 전원장치나 부하가 불량한 상태가 되었는지를 즉각적으로 알려줄 수 있기 때문이다. 내장된 12비트 Δ∑ADC는 측정 윈도에 걸쳐서 입력 잡음을 애버리징함으로써 잡음이 심한 환경에서 동작하더라도 문제를 일으키지 않는다. 스캔 모드 시에는 ADC가 차동 검출 전압, 전원 전압, 또는 양의 검출 전압을 연속적으로 모니터링하고 각기 25 μV, 25 mV, 0.5 mV 분해능을 이용해서 ADC 입력 전압을 순차적으로 스페어링 한다. 변환은 연속 스캔 모드 시에 유효 리프레시 레이트가 7.5 Hz이다. 하지만 사용자가 스냅샷 모드로 전환하면 단일 선택 가능 입력 측정을 취할 수 있다. 에너지를 절약해야 하는 것이 관건인 애플리케이션에서는 고전압 모니터링 IC를 이용하면 통상적으로 정지 전류가 높을 것으로 예상되므로 이러한 애플리케이션에 이용하기에 유용하지 않다. 하지만 LTC2945는 48 V 레일을 모니터링 할 때 0.8 mA만을 소모하며 셧다운 시에는 전력 소모를 불과 20 μA로 낮출 수 있다.



전원 모니터링 IC의 구동
LTC2945는 다양한 유형의 전원을 이용해서 전력을 공급받을 수 있으므로 어떠한 애플리케이션으로든 설계 작업을 크게 간소화할 수 있도록 한다. 그림 3a는 LTC2945를 이용해서 4~80 V 범위의 전원을 모니터링 하는 것을 보여주고 있다. VDD 전원 핀을 모니터링 하고자 하는 전원으로 곧바로 연결할 수 있으므로 이차적인 바이어스 전원을 필요로 하지 않는다. LTC2945를 이용해서 최저 0 V에 이르는 전원을 모니터링 하고자 할 때는 그림 3b에서 보는 것처럼 VDD로 넓은 범위의 이차 전원을 연결해서 전력을 공급받을 수 있다. 마찬가지로 최저 2.7 V에 이르는 저전압 전원을 이용할 수 있을 때는 LTC2945를 그림 3c와 같이 구성함으로써 전력 소모를 최소화할 수 있다.



±80 V 이상에 달하는 전원을 모니터링 할 때는 INTVCC 핀의 온보드 선형 레귤레이터를 하이-사이드나 로우-사이드 구성으로 이용해서 외부 션트 저항을 통해서 LTC2945로 전력을 공급할 수 있다. 그림 4a는 하이-사이드 션트 레귤레이터 구성으로 80 V 이상에 달하는 입력 모니터링 범위의 하이-사이드 전원 모니터링을 보여주고 있다. LTC2945 접지를 RSHUNT를 통해서 회로 접지와 분리시키고 입력 전원보다 낮은 6.3 V로 클램핑 한다. 접지 레벨 차이 때문에 다른 접지 참조 장치들과 통신하기 위해서는 LTC2945의 I2C 신호를 레벨 쉬프트 해야 한다. 또한 추가적인 ADC 입력에서 외부 전압을 측정하기 위해서는 전류 미러를 필요로 한다. 그림 4b는 LTC2945가 -80 V 이상에 달하는 전원으로부터 전력을 공급받는 것을 보여주고 있다. 여기서는 로우-사이드 션트 레귤레이터 구성으로서 INTVCC의 전압을 입력 전원(이 경우에는 음의 레일)보다 높은 6.3 V로 클램핑 함으로써 동작이 가능하다. 그림 4c에서는 입력 전원이 -80 V 이하이고 트랜션트가 -100 V 아래로 제한되어 있으면 션트 저항이 필요하지 않다는 것을 보여준다. 여기에서는 VDD가 LTC2945 접지와 연관해서 회로 접지의 전원 전압을 측정한다.



편리한 디지털 기능 포함
유연한 구동 옵션과 더불어 LTC2945는 디자인을 간소화하는 일련의 편리한 디지털 기능들을 포함한다. 이 중에서 특히 주목할 만한 디지털 기능은 사용자에게 24비트 전력 값을 제공하는 디지털 곱셈기를 포함함으로써 호스트로부터 전압 및 전류 데이터를 폴링 하고 추가적인 연산을 실시해야 하는 부담을 덜 수 있도록 한다는 점이다. LTC2945는 측정된 12비트 전류와 측정된 12비트 전압을 곱해서 전력을 계산한다. 연속 모드일 때는 차동 검출 전압을 측정해서 부하 전류 데이터를 구한다. 전원 전압, 양의 검출 전압, 추가적인 ADC 입력 전압 중에서 전압 데이터를 선택할 수 있다. 그런 다음 연속 모드 시에는 7.5 Hz의 속도로 24비트 전력 값을 계산하고 스냅샷 모드일 때는 리프레시를 하지 않는다.
또한 LTC2945는 전류 및 전압 그리고 전력에 대해서 최솟값 및 최댓값 레지스터를 포함하므로 연속적인 소프트웨어 폴링을 필요로 하지 않으며 I2C 버스와 호스트가 이 작업 부담을 덜고 다른 작업을 수행할 수 있도록 한다. min/max 값을 검출하고 저장할 뿐만 아니라 LTC2945는 min/max 한계값 레지스터를 포함함으로써 이를 이용해서 어떠한 한계가 초과되었을 때 경고를 발행할 수 있으며, 이 역시 마이크로프로세서가 LTC2945를 연속적으로 폴링 하고 데이터를 분석할 필요가 없게 한다. 전원 모니터링을 위해서는 경고 응답이 최솟값 및 최댓값 레지스터와 마찬가지로 유용할 수 있다. 그림 5는 LTC2945가 어떻게 소프트웨어 및 하드웨어를 통해서 경고 신호를 발생시키는지 보여준다. 측정된 데이터를 사용자 지정 임계값과 비교한다. 이를 위해서 과전압, 저전압, 과전류, 저전류, 과전력, 저전력 임계값 모두를 정의하고 동시에 모니터링 할 수 있다. 그런 다음 상태 레지스터가 사용자에게 어떤 파라메트릭 임계값이 초과되었는지 알려주고, 한편으로 실제 결함 값을 또 다른 레지스터에 기록하고 추후에 조회할 수 있도록 한다. 별도의 경고 레지스터는 사용자가 어떤 파라미터가 SMBus 경고 응답 프로토콜에 따라서 응답하도록 할 것인지 선택할 수 있다. 경고가 발생하면 경고 응답 어드레스를 브로드캐스트 하고 ALERT 핀이 로우로 풀링 되어서 호스트로 경고 이벤트를 발생했다는 것을 알려준다.
LTC2945는 독특하게 향상시킨 표준 I2C 인터페이스를 이용해서 외부 세계와 통신한다. 9개의 I2C 장치 어드레스를 이용할 수 있으므로 동일 시스템 내에서 여러 개의 LTC2945를 편리하게 사용할 수 있다. 모든 LTC2945 디바이스가 공통 어드레스에 응답하므로 버스 마스터가 이들 디바이스의 개별 어드레스에 상관없이 다수의 LTC2945로부터 동시에 기록될 수 있다. I2C 신호가 33 ms 이상 동안 로우로 유지되면(버스 고착 상태) 버스 고착 리셋 타이머가 내부 I2C 상태기를 리셋 함으로써 정상적인 통신을 재개한다. 분할 I2C 데이터 라인은 절연 경계를 가로질러서 데이터를 양방향으로 전송 및 수신하기 위해서 I2C 분할기나 결합기를 이용해야 할 필요가 없게 한다는 점에서 편리하다. 이에 더해 LTC2945-1은 반전 옵토아이솔레이터 구성에 이용하도록 반전 데이터 출력을 제공한다.

결론
LTC2945는 다양한 유형의 애플리케이션에 이용할 수 있는 범용 보드 레벨 전원 모니터링 디바이스로서 사용자들이 전류, 전압, 전력을 모니터링 할 수 있도록 간편하면서도 매우 효과적인 솔루션을 제공한다. 고성능 빌딩 블록들을 통합한 LTC2945는 0~80 V에 이르는 양의 레일 및 음의 레일을 편리하게 가장 우수한 정확도로 모니터링 할 수 있다. 또한 사용자들은 독립적인 고전압 모니터링 및 전원 핀 덕택에 다양한 구동 옵션을 이용할 수 있으며 온보드 레귤레이터는 80 V 이상에 달하는 전원을 모니터링 할 수 있도록 한다. LTC2945는 또한 호스트 자원을 절약할 수 있도록 하는 디지털 기능들과 마찬가지로 곱셈기, min/max 레지스터, 구성가능 경고, 기능성 뛰어난 I2C 인터페이스를 비롯한 훌륭한 아날로그 기능들을 제공한다.

LTC, 동기식 벅 부스트 DC/DC 컨버터 리니어 테크놀로지(LTC)는 고온 H 등급(접합온도 범위 -40°C ~ 150 °C)과 고신뢰성 MP 등급 (-55°C ~ 150 °C) 버전의 동기식 벅 부스트 DC/DC 컨버터(제품명 LTC3115-1)를 출시했다. 이 제품은 20핀의 열 성능이 향상된 TSSOP 패키지로 제공된다. LTC3115-1은 단일 셀 리튬이온을 비롯해 24/28 V 산업용 전압에서 40 V 자동차 입력에 이르는 광범위한 전원에서 최고 2 A 연속 출력 전류를 제공하는 동기식 벅 부스트 컨버터이다. LTC3115-1의 2.7 V ~ 40 V 입출력 범위는 조절된 출력 이상, 이하 또는 동일한 입력으로 조절된 출력을 제공한다. LTC3115-1에 통합된 저잡음 벅 부스트 토폴로지는 벅 모드와 부스트 모드 사이에서 연속적이고 지터가 없는 변환을 제공해 가변적인 입력 전원에서 저잡음 정출력 전압을 유지해야 하는 RF 및 기타 잡음에 민감한 애플리케이션에 적합하다. 최고 95%에 이르는 효율은 배터리 구동 시스템의 동작시간을 연장시킨다. LTC3115-1의 스위칭 주파수는 100 kHz ~ 2 MHz 사이에서 사용자 프로그램이 가능하며, 외부 클록과 동기화될 수 있다. 독자적인 벅 부스트 PWM 회로는 저잡음과 고효율을 보장하는 반면, 외부 부품 크기를 최소화시킨다. 작은 외관과 TSSOP-20E 패키지의 결합은 콤팩트한 솔루션 풋프린트를 제공한다. H등급 버전은 -40 ℃에서 최대 접합온도 150 ℃까지 동작하며 이 온도 범위 전체를 보증한다. 비슷한 제품인 MP 등급 버전은 -55 ℃에서 최대 접합 온도 150 ℃까지 동작하며 이 온도 범위 전체에 대해 테스트를 통과해 보증한다. H 등급 및 MP 등급 제품 모두는 전기적 스펙이 산업용 등급과 동일하다. 이 제품들은 극한 대기 온도에 민감한 자동차, 산업 및 군사용 애플리케이션에 이상적이다. 한편, LTC3115HFE-1과 LTC3115MPFE-1 모두는 20핀의 열 성능이 향상된 TSSOP 패키지로 이용할 수 있다.