이 글은 전자시스템을 구축하는 데 있어 설계자가 고려해야할 요소를 확인한다. 또한 산업용 애플리케이션에서 살아남을 수 있는 솔루션을 위해 최악의 사례를 상정한 설계 방법을 다룬다.

서론

산업용 애플리케이션에서 전자 제어 및 감지는 여러 가지 제조와 기계, 생산 요소를 가능하게 하거나 크게 개선하는 역할을 한다. 하지만 전자공학은 철강 제품 및 석유 제품, 화학물질 같은 물질을 생산하는 가혹한 환경에서 살아남아야 하고, 극도로 뜨겁고 지저분하며 습한 광산에서도 살아남아야만 한다. 매우 강력한 전자기장을 포함하는 이 환경들을 견뎌낼 수 있는 시스템을 설계할 때에는 세심한 주의가 필요하다. 이러한 조건을 염두에 두고 최악의 조건을 가정하여 설계한다면 시스템이 설치되는 환경에 상관없이 해당 시스템을 지속해서 작동할 수 있게 만들 수 있을 것이다.

신뢰도의 중요성

일회용 전화와 저가 전자제품이 넘쳐나는 현대 사회에서 엔지니어들은 왜 공장에서의 정기적인 필드 고장(field failure)에 대해 걱정해야만 하는 것일까? 그것은 전자제품에 드는 비용 때문도 아니고 시스템 유지에 드는 비용 때문은 더더구나 아닐 것이다. 오히려 안전 문제이거나, 후자의 비용을 작아 보이게 할 수 있는 플랜트 생산성 하락의 문제일 확률이 높다. 대규모 제조 플랜트는 수십억 달러를 들여 건축하고 거기에 수백만 달러를 더 투입하여 운영할 수 있다. 일부 시스템 장애로 단 한 번의 정지만으로도 재가동까지 수일이 걸릴 수 있고, 그동안 수백만 달러까지는 아니더라도 하루 수십만 달러의 수입에 손실을 볼 수 있다. 또한 인명이 위태로운 상황에서의 고장은 상상도 할 수 없다. 즉, 이러한 시설에서의 고장(failure)이란 선택의 문제가 아니다.

전자 제어는 정상 작동 중 사람이 접근 불가능한 구역, 예컨대 용광로 근처라든가 대형 장치 뒤쪽 등과 같은 곳에 설치되는 경우가 많다. 다시 말해 제어 시스템에 도달하기 위해서는 그 생산 구역을 정지시켜야 접근할 수 있다는 뜻이다. 산업 시스템은 고장이나 유지보수 없이 오랜 세월 작동하게끔 설치된다(해당 시설의 내용연수(lifetime)인 경우도 있다). 이것이 바로 산업용 시스템 설계자에게 주어지는 진정한 도전 과제이다.

열 관리의 문제

열은 트랜지스터와 그 외의 부품들이 작동하며 전자제품에 발생하는 부산물이다. 이것은 잘 관리되어야 한다. 그렇지 않으면 온도 상승으로 디바이스의 성능이 떨어지거나 손상을 입기 때문이다. 반도체의 제조 방법을 살펴보면 이 문제에 대해 잘 알 수 있다.

집적회로(IC) 제조는 확산(diffusion)과 어닐링(annealing)과 같은 열처리를 이용해 구조물 주변 혹은 내부의 물질을 이동시킨다. 그 물질의 원자는 이러한 처리 과정에서 이동하거나 결정체 구조를 형성하며 이것은 매우 높은 온도(1200 ℃ 이상)에서 일어난다. 하지만 IC가 절대 영도(0 °K 또는 -273.15 ℃ )에서 유지되지 않는 한, 열운동은 비록 제조 과정보다는 훨씬 느리더라도 확산 절차를 계속하게 될 것이다.

IC 제조에 쓰이는 실리콘에 대한 궁금증은 그것이 저항 및 온도와 비선형 관계에 있다는 것이다. 상온에서 실리콘은 IC의 작동 온도가 상승하면 저항도 증가한다. 하지만 온도(권장 한도 이상)가 상승하면, 그 저항은 떨어지기 시작하여 정궤환(positive-feedback) 상태가 될 가능성이 있다. 또한 이것은 IC 내부에서 그 밖의 여러 가지 시스템 원인으로 일어나기도 하며, 열 폭주 (thermal runaway) 조건으로 이어질 수도 있다. 전류의 흐름이 많아질수록 해당 경로의 저항이 열 가열로 인해 감소하게 되고, 궁극적으로 IC가 열 손상을 입어 파괴되기까지 이른다.

대다수 전원 IC와 전압 레귤레이터는 출력 스테이지의 열 차단을 채용함으로써 이러한 폭주 조건이 IC를 영구적으로 파괴하는 것을 막고 있다. 하지만 이것은 여전히 시스템이 계속해서 작동하는 것을 방해하는 고장 조건이다. IC가 결코 열 차단까지 가는 일이 없더라도 장기간 신뢰도(long term reliability)는 높은 온도에 시달려야 하며, 그로 인해 일찍 고장 날 가능성이 있다. IC는 패키지 내 IC 다이(die)의 온도가 안전 값에서 유지될 수 있도록 데이터시트의 권장 작동 조건에 따라 사용해야 한다.

장비의 작동 온도를 관리하기 위해 제조사들은 종종 팬을 사용해 열 생성 부품들로의 공기흐름을 증가시키지만, 안타깝게도 팬은 장기적으로는 믿을 수 없다는 것이 주지의 사실이다. 또한 산업 장비는 주변 환경과 차단된 경우가 많아 바깥 공기를 이용한 냉각이 불가능하다. 열은 열 경로를 통해 IC에서 이보다 낮은 저온 지점으로 운반되어야 한다.

다이를 열원 지점으로 삼아, IC 데이터시트에 명시된 열적 임피던스(thermal impedance)를 이용해 디바이스에서 열이 흐르는 속도를 바탕으로 열 상승을 계산해야 한다. 열적 임피던스는 열이 이동하는 경로와 함께 IC의 전력 손실 와트 당 섭씨로 표시된다. 예를 들어 접합부(다이)에서 IC 케이스까지를 Theta Junction to Case라고 하거나 θJC(theta sub JC로 발음)라 한다.

이 값들은 매우 중요하다. 예를 들어 SOT-223 패키지의 LM340 같은 소형 리니어 레귤레이터는 약 50 ℃/W의 θJA(접합부에서 주변 공기까지 열 임피던스)와 무제한의 구리 평면을 히트 싱크로 가지고 있다. 입력 전압이 5 V이고 출력 전압이 1.8 V(공통 CMOS 코어 전압)이며 1 A 부하 상태인 경우, 그 레귤레이터의 전력 손실은 3.2 W가 될 것이다. 이것은 히트 싱크로 PCB의 넓은 표면적을 사용해도 주변 공기 온도는 20 °C이고 그 다이의 온도는 여전히 160 °C까지 상승한다는 뜻이다. 이것은 해당 디바이스의 정상 작동 온도를 크게 초과하고 있어서, 열 차단으로 이어지거나 나중에 손상으로 이어질 수 있다.

이 사례에서 구리 이외에 더 낮은 열적 임피던스를 케이스에 직접 달지 않는 한, 다이에서 열 흐름을 빼앗기 위해 할 수 있는 일은 아무것도 없다. 그 전력 수준에서는 IC 내부의 온도가 상승하지 못하도록 빠르게 PCB 구리를 통해 열이 흘러나갈 수 없다. 한 가지 해결책은 더 효율적인 방식을 통해 5 V를 1.8 V로 변환하는 것이다(예를 들어 LMZ10501 나노 모듈 스위칭 레귤레이터). 또 다른 방법으로는 훨씬 낮은 열 임피던스를 가진 패키지를 이용하는 것이 있지만, 그것은 PCB 표면적을 더 많이 차지한다.

열적 임피던스는 다른 전기 계통처럼 직렬로 합산하여 온도 상승을 계산할 수 있다. TRise = PDissipated × (θJC + θCA + θAE)의 식을 예로 들어보자. 여기에서 열적 임피던스는 θJC(접합부에서 케이스까지), θCA(케이스에서 주변까지), θAE(주변에서 환경까지 또는 장비가 상주하는 환경까지)이다. 매우 낮은 열적 임피던스의 패키지를 사용하면 디바이스 내에서 열이 이동하기 쉽다. 또한 알루미늄 히트 싱크나 히트 파이프를 케이스에 추가하는 것도 공기까지 이어진 낮은 열적 임피던스 경로를 제공하는 데 도움이 될 수 있다. 이것은 작동 온도를 낮춰주어 결과적으로 장기간 신뢰도를 크게 향상한다.

전자기 요소

밀폐된 박스 내의 고립된 장비의 열 관리가 유일한 문젯거리는 아니다. 이제 장비의 전자기(EM) 환경과 전자기간섭(EMI)에 대해 생각해보자. 대부분 엔지니어는 EMI 감수성(susceptibility)을 조명이나 그 밖의 전압 과부하 조건으로 인한 손상으로 여긴다. 이것은 어느 정도 맞는 이야기지만, 그것이 유일하게 고장을 일으키는 극 전자기장 메커니즘은 아니다. 이 부분에 대해서는 나중에 더 자세히 다뤄 보도록 하자.

정전기 피해 완화는 설계자들이 반드시 해결해야 할 현실적인 문제이다. 전력을 포함한 케이블이 섀시(chasis)에 들어가면, 그 장비 안에는 정상 작동 조건에 상관없이 대규모 전압이 생길 수 있는 경로가 생긴다. 보통 전원 공급 장치는 설계를 통해 본질적으로 대규모 전압 스파이크로부터 보호되는 경우가 많다. 이 입력 스테이지는 입력을 고정시켜 과전압 관련 손상을 방지하는 고속 전압 모니터를 가지고 있을 수 있다. 하지만 장비가 유선 네트워크에 연결되면, 이러한 연결로 인해 경로가 생기고 이것은 유선 정전용량을 통해 전하를 저장하는 도구가 된다. 활성 전자 제품에서의 센서 모듈과 컨트롤러 사이에 수 천 피트의 와이어가 존재하는 일이 그리 드문 일도 아니다.

자연에도 벼락과 같이 장비를 파괴할 수 있는 현상들이 존재한다. 하지만 이 여러 현상 중에 크로스 스트라이킹(cross striking)으로 알려진 더욱 미묘한 현상도 존재하고 있다. 이 현상은 고도의 전하를 포함하는 적란운이 천천히 긴 케이블링 네트워크 위로 이동하며 전선에 반대 전하를 유도할 때 발생한다(그림 1). 일반적으로 이러한 전하는 구름 높이에서 위치하고 있다. 하지만 반대 전하를 가진 다른 구름이 이 근처에 오면, 이 전하는 두 구름 사이의 네트워크 높이에서 정전기 방전(번개)을 일으킬 수 있다.

구름의 전하가 바로 위에서 소실되면, 전선의 유도 전하 역시 소실된다. 이 전하가 전선에서 빠르게 고갈되면, 매우 큰 전압이 케이블 양쪽 끝에 나타나게 된다. 다른 방해 없이 이 상태가 계속 지속되면, 그 전압은 전선의 어느 한쪽 끝에 있는 것을 파괴할 수 있다(그림 2). 이런 종류의 피해를 완화하기 위하여 정전기 방전(ESD) 보호 다이오드와 함께 아크 튜브(arc tube)나 스파크 갭(spark gap)을 최종 장비 케이블 말단에 위치시켜 전하에게 접지 경로를 제공해주고 있다. 이렇게 하지 않을 경우, 거대한 전압은 그 경로를 통해 케이블 드라이버나 트랜시버를 통과하게 되고 드라이버나 트랜시버는 파괴되어 버릴 것이다.

앞서 언급했듯, 다른 EMI는 IC를 직접 파괴할 수 없다. 이 대신에 EMI 작동 지점을 변화시키거나 지정 한도를 벗어나게 한다. 대부분의 제조 시설들은 현재 이 공정에서 마이크로파 가열(microwave heater)나 그 밖의 RF 소스를 이용하고 있다. 이 거대한 RF 필드는 전류를 여러 가지 와류(parasitic) 다이오드와 IC 내 능동 부품(active component)으로 유도할 수 있다. 만약 IC가 이러한 필드를 처리할 수 있도록 설계되지 않았다면 내부 바이어스 지점이 바뀔 수 있고 이 때문에 회로의 작동 지점도 변할 수 있다.



많은 스피커폰에서 비공업적(noni-dustrial) EMI 문제가 흔히 관측된다. 증폭기는 휴대전화와 같은 RF 소스에 취약한 경우가 많다. 스피커폰을 사용하는 경우, 휴대전화를 가까이 쥐고 있을 시 종종 전화기에서 윙윙거리는 소리가 들리는 경우가 있다. 셀룰러 트랜스미터의 RF 에너지가 증폭기 체인 내부에서 의존적으로 복조 되어 스피커를 통해 들리게 되는 것이다. 하지만 산업용 제어 애플리케이션에서 이러한 현상은 훨씬 더 심각해질 수 있다. 이 현상은 그 자체로 정밀 측정을 방해한다고 볼 수 있다. 즉, 이것은 몇 도 정도의 온도 감지 오차로 나타날 수도 있고, 원격센서에서 그 밖의 측정 오차로 나타날 수도 있다는 뜻이다. 대부분 프로세스는 매우 철저한 허용 오차를 유지해야 한다. 편차가 있을 경우 생산 공정에서 엄청난 고장을 일으킬 수도 있고, 최소 수준 이하의 품질로 나타날 수도 있다.

이 문제를 해결하기 위해, 설계자들은 RF 강화 부품들(방사선 강화 IC와 혼동하지 말 것)을 이용해야 한다. LMP2021(단일) 및 LMP2022(듀얼) 연산 증폭기 같은 IC들은 고 레벨(high-level) RF 필드가 있을 때 정밀한 성능을 발휘할 수 있도록 설계되어 있다. 따라서 이 같은 IC를 사용하여 RF 간섭으로 인한 정밀 애플리케이션에서의 오차를 줄일 수 있다.

결론

전자시스템을 구축하는 데 있어 산업 환경은 너무 혹독하므로 설계자들은 높은 온도 조건과 그 밖의 피해 원인 및 간섭 원인에 대해 반드시 숙고해야 한다. 현재 헤비 리프팅(heavy lifting)의 대부분이 IC 자체로 이루어지고 있다. 극한의 조건을 처리할 수 있도록 설계되어 있기 때문이다. 결과적으로 고장 없이 오랫동안 시스템이 꾸준히 작동할 수 있게 만드는 것은 설계자들의 결정에 달려 있다.