Industry 4.0은 제조 산업에 근본적인 변화를 가져옴으로써 공장을 설계하고 구현하는 방식까지 바꿔놓고 있다. 또한 공장 자동화와 프로세스 제어 애플리케이션에서 분산형 시스템과 지능적 의사결정 시스템의 확산이라는 기본적인 변화를 가져왔다. 분산형 시스템은 근본적으로 모듈식이고 유연해야 한다. 이러한 시스템에 효율적이고, 저전력이며 열적으로 최적화된 설계는 핵심요소이다. 지능적 의사결정 시스템은 조기에 결함을 감지하고 신뢰성을 높일 수 있는 모듈이다.

공장 자동화 및 프로세스 제어 애플리케이션에서 디지털-아날로그 컨버터(DAC)는 PLC(Programmable Logic Controller)와 센서 트랜스미터의 아날로그 출력에 흔히 사용된다. 두 경우 모두 DAC를 사용해서 전압 출력이나 전류 출력을 제공할 수 있다.

DAC8775는 업계에서 기능 통합이 가장 우수한 TI의 최신 고정밀 DAC 제품으로 4~20 mA 드라이버, 전압 출력, 온칩 적응식 전원 관리를 포함하고 있다. DAC8775와 관련된 설계 기법과 업계의 최신 설계 트렌드에 대해 살펴보자.

센서의 수가 빠르게 늘어남으로써 많은 시스템 컨트롤러로 수백 개의 입/출력(I/O)을 처리해야 한다. 개발자는 소형의 폼팩터에 더 많은 I/O 채널을 넣어야 하는 과제에 직면해 있어, 열적으로 최적화되고 효율이 우수한 시스템을 더욱 필요로 한다. 대다수 아날로그 출력 모듈의 4~20mA 드라이버 회로는 하이사이드 전압-대-전류 변환 회로와 게인 스테이지를 사용한다. 그림 1은 이러한 통상적인 아키텍처를 보여준다.

▲ 그림1. 하이사이드 전압-대-전류 컨버터

증폭기 A1에 의해서 형성된 루프는 DAC 출력 전압을 전류로 변환한다. 음의 피드백(Negative Feedback)을 통해서 증폭기 A1이 R_SET 상의 전압을 DAC 출력과 동일하도록 설정한다. R_SET 상의 이 전압 강하가 일차 스테이지를 통해서 흐르는 전류 IM을 설정한다(여기서는 IR_SET이 I_M과 동일한 이상적인 경우라 가정). 이렇게 생성된 전류 I_M은 증폭기 A2와 R_MIRROR 및 R_SENSE 저항 쌍을 결합함으로써 형성된 루프를 사용하여 증폭한다.

증폭기 A2는 R_SENSE 상의 전압이 V_MIRROR와 같아지도록 한다. 이렇게 해서 I_M으로부터 R_MIRROR와 R_SENSE의 비에 비례한 계수로 증폭된 부하 전류를 생성한다. 그림 1에서 R_LOAD는 통상적으로 PLC 시스템을 사용하는 경우와 같이 선형 액추에이터 부하를 나타낸다. R_MIRROR를 통과하는 전류가 부하를 공급하는 것이 아니므로 시스템의 효율을 직접적으로 줄여준다. 좋은 설계 원칙은 이러한 전류를 최소화하는 것이다. 다시 말해서 출력 전류의 1% 미만으로 설정하는 것이다. 계산상 편의를 위해서, I_M은 무시하고 R_MIRROR와 R_SENSE 사이의 비가 높다고 가정하자(1:100 이상).

통상적인 경우라고 할 때 V_POS 전압은 12~36V 사이에서 변화할 수 있으며, R_LOAD 역시 단락에서 1 kΩ까지 다양할 수 있다. 첫 번째 예로, V_POS는 36V이고 _RLOAD는 1Ω이라고 가정했을 떄 어떤 밸브를 풀스케일로 설정하면 컨트롤러가 이 부하를 통해서 20 mA를 구동할 것이다. 즉, 이 부하가 소모하는 전력은 P_LOAD=I²R=0.4 mW이다.

총 생성되는 전력은 P_generated=VI=0.72 W이다. 이 예에서 전압-대-전류 변환 회로는 이 전력의 나머지를 소모하여 0.72 W-0.4 mW=0.7196W다. 이러한 시스템은 매우 비효율적이며 불필요하게 시스템 온도를 높일 것이다.

두 번째 예로 부하 임피던스가 더 높은 1 kΩ이라고 가정하면, P_LOAD=I²R=0.4W다. 총 생성되는 전력은 Pgenerated = VI = 0.72W이다. 전압-대-전류 변환 회로는 이 전력의 나머지를 소모하여 0.72W - 0.4W = 0.32W이다.

방대한 양의 전력 손실이 있을 경우 이렇게 제한적인 공간에 더 많은 채널을 추가하는 것은 시스템 온도를 높이고, 신뢰성은 낮아져 결함이 늘어나기 때문에 지속될 수 없을 것이다. 앞서 설명한 예시는 단일 채널 설계의 전력 손실이다. 4채널인 경우 첫 번째와 두 번째 예시를 적용했을 때 전력 손실은 각각 2.8W 및 1.2W 가까이 될 것이다.

더 많은 채널 수를 사용할수록 전력 손실이 크게 증가하므로, 이에 대한 한 가지 해결책은 부하에 따라서 V_POS 전원을 적응식으로 변화시키는 것이다. 이것은 간단한 피드백 네트워크를 추가하고 벅/부스트 컨버터를 사용해서 필요로 하는 전력을 부하에 공급하면 된다.  이러한 시스템은 그림 2에서 보는 블록 다이어그램과 같을 것이다.

▲ 그림 2. 벅/부스트 컨버터를 사용한 하이사이드 전압-대-전류 컨버터

이 설계 기법은 벅/부스트 컨버터를 사용해서 부하를 구동하는 출력 FET의 드레인-소스 전압을 검출하고 내부적으로 비례한 오차 전류를 발생시킨다. 복잡한 상태기 알고리즘을 사용해서 전원을 벅(강압) 할지 부스트(승압) 할지 결정한다. 4채널 DAC8775는 이 기법을 사용해서 더 높은 효율을 제공한다.

첫 번째 예와 같은 수치로서 부하가 1Ω이라고 하면, 벅/부스트 컨버터가 이 전원을 DAC로 강압함으로써 필요한 최소한의 전원만을 취한다. DAC8775의 경우에 이것은 최저 4.5V일 것이다.

위에서와 마찬가지로 P_LOAD=I²R=0.4 mW다. 총 생성되는 전력은 P_generated=VI= 0.09W다. 전압-대-전류 변환 회로가 이 전력의 나머지를 소모하여 0.09W-0.4 mW=89.6 mW다. 그러면 위의 첫 번째 예와 비교해서 전력 소모를 8배까지 향상시킨다.

1kΩ 부하의 경우에는 P_LOAD=I²R=0.4W다. 총 생성되는 전력은 P_generated=VI=0.46W다. 벅/부스트 컨버터가 V_POS를 23V로 설정할 것이기 때문이다. 전압-대-전류 변환 회로가 이 전력의 나머지를 소모하여 0.46W-0.4W=0.06W이 된다. 그러므로 벅/부스트 컨버터 피드백을 사용하지 않는 설계와 비교해서 전력 소모를 5배까지 향상시킨다.

DAC8775의 효율성은 열적으로 보다 최적화된 시스템을 가능하게 한다. 4채널 설계로 어댑티브 전력 피드백 회로를 사용할 때와 사용하지 않을 때 다이의 접합부 온도를 비교해 보면 다이 온도가 크게 향상된다는 것을 알 수 있다. 그림 3과 그림 4는 DAC8775를 사용한 측정 결과로서, 1Ω 및 1kΩ R_LOAD로 벅/부스트 컨버터를 사용할 때와 사용하지 않을 때 다이 온도를 비교한다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 이 기법을 사용함으로써 접합부 온도를 최고 36℃까지 개선할 수 있다.

더 작은 공간에 점점 더 많은 채널을 집어넣기 위해서는 열 최적화가 모듈을 차별화할 수 있는 중요한 성능 지표가 된다. 열적으로 최적화되지 않은 시스템은 높은 온도 변화 때문에 시스템 결함이 늘어나고 성능이 저하될 수 있다. DAC8775는 다수의 기능을 통합하고 높은 효율을 제공함으로써 이 두 가지 문제를 모두 해결하고 우수한 DC 및 드리프트 성능을 제공한다.

 
▲ 그림 3: R_LOAD 1Ω일 때 다이 온도

▲ 그림 4: R_LOAD 1 kΩ일 때 다이 온도

또한 다이 온도가 150Ω 이상일 때 DAC8775는 온도 과부하를 경고한다. 이 외에도 조기에 결함을 감지할 수 있는 다양한 지능적 진단 기능들로 개방 부하, 단락 회로, CRC(cyclic redundancy check), 워치도그 타이머, 규격 전압 등이 포함되어 있다. 이러한 결함 경고 기능뿐 아니라, 신뢰할 수 있는 시스템 동작을 위해 사전에 설정된 동작을 선택할 수 있다. 디바이스로 하여금 아무 것도 하지 않도록 하거나, 디바이스를 셧다운하거나 또는 사전에 프로그래밍된 안전한 코드로 이동하게 할 수 있다.

그 밖에도 TI의 다양한 시그널 체인 제품들을 사용하여 효율적이면서 열적으로 최적화된 지능적인 모듈을 설계할 수 있다.