120A까지 전류 측정 가능한 인피니언 XENSIV™ TLI4971

대부분의 애플리케이션에서 되도록 더 적은 공간을 차지하고, 손실을 최소화하고, 전체 수명에 걸쳐서 지극히 정밀하면서 견고하게 동작할 수 있는 센서를 필요로 한다. 홀(Hall) 기반 전류 센서인 XENSIV™ TLI4971은 인피니언의 새로운 전류 센서 제품군의 첫 제품으로서, 이러한 모든 요구를 충족한다.

태양광 인버터와 전기 구동 장치에서부터 전원장치, 서버, 텔레콤 시스템, 가전기기, 전기차/하이브리드차에 이르기까지 각종 전자 시스템은 전류 흐름에 관한 정밀한 정보를 필요로 한다. 이에 따라서 산업용 전류 센서에 대한 수요가 갈수록 증가하고 있다. 각각의 애플리케이션마다 정확도, 간섭 억제, 측정 범위, 전력 소모, 대역폭, 크기, 비용 같은 요구들이 다르다.

하지만 대부분의 애플리케이션에서 되도록 더 적은 공간을 차지하고, 손실을 최소화하고, 전체 수명에 걸쳐서 지극히 정밀하면서 견고하게 동작할 수 있는 센서를 필요로 하는 것은 공통적이다. 홀(Hall) 기반 전류 센서인 XENSIV™ TLI4971은 인피니언의 새로운 전류 센서 제품군의 첫 제품으로서, 이러한 모든 요구를 충족한다.

자기장 방식의 센서는 개방 루프와 폐쇄 루프(보정 전류 컨버터) 유형으로 구분할 수 있다. 개방 루프 시스템은 일차 전류로 생성된 자기장이 도넛형 자기코어를 통하여 자기센서로 집중되고, 자기센서는 이를 전압으로 변환한다. 폐쇄 루프 시스템은 일차 전류에 의해서 생성된 자속을 이차 권선을 사용해서 보정하고 자기 센서와 적합한 전자 회로를 사용해서 보정 전류를 제어한다.

코어 기반 기법은 코어 손실, 포화, 히스터리시스 효과, 장기적 드리프트 같은 것들이 단점이다. 자기 코어를 자기장 집중기로 사용하는 기존 시스템과 비교해서, “코어를 사용하지 않는(coreless)” 전류 센서인 XENSIV TLI4971은 이러한 단점들이 없다. 뿐만 아니라 이 센서는 자체 진단 기능을 포함한다. 인피니언의 검증된 홀 기반 기술을 채택함으로써 ±120A까지의 전류범위를 매우 정밀하고 선형적으로 전류 측정을 할 수 있다.

아날로그 회로에 디지털 스트레스 및 온도 보정 기법을 결합함으로써 온도와 전체적인 수명에 걸쳐서 안정성이 뛰어나다. 아날로그 출력 신호가 온도 범위에 걸쳐서 그룹 지연이 일정하다. 차동 측정 원리를 사용해서 표유 자기장을 억제할 수 있으므로 혹독한 환경에서도 작동할 수 있다. TLE4971는 저항이 225μΩ으로 극히 낮은 전류 bar를 센서 내부에 통합함으로 전력 손실을 최소화하고 센서 레이아웃을 간소화하였다.



고도로 정밀하면서 소형화된 전류 센서

인피니언의 XENSIV TLI4971은 고도로 정밀한 전류 센서로서 양방향 AC 및 DC 측정을 할 수 있다. 아날로그 인터페이스와 2개의 추가적인 출력을 제공하며 과전류를 빠르게 감지할 수 있다. 자기 코어를 사용하지 않는 비접촉 측정 방식이며 절연 층을 통합함으로써 안전한 갈바니 절연을 제공한다. 비접촉 측정 방식으로서 추가적인 손실을 일으키지 않으므로 에너지 효율을 중요하게 요구하는 디자인에 사용하기에 적합하다.

XENSIV TLI4971은 다양한 기능들을 통합함으로써 그림 1에서 보듯이 범용 AC 인버터, 태양광 인버터, 로봇 시스템, 충전소, 배터리 관리, 스마트 계량기에서부터 전동 공구와 가전기기에 이르기까지 다양한 산업용 애플리케이션에 사용할 수 있다.

기존의 전류 측정 방식은 온도 같은 주변 조건에 따라서 측정 정확도가 영향을 받는다. 또한 시간이 지나면서 드리프트나 노후화로 인해서 정확도에 부정적으로 영향을 받는다. 그러므로 시스템 설계 시에 이러한 측면들을 신중하게 고려해야 한다. XENSIV TLI4971을 사용하면 더 이상 이러한 제약에 얽매이지 않아도 된다. 별도의 구조를 사용해서 온도와 기계적 스트레스를 측정하고 이들 값을 별도로 측정함으로써 효과적으로 영구적인 보정을 할 수 있기 때문이다.

이렇게 해서 장기적으로 안정적인 측정을 할 수 있는 토대를 마련함으로써, 고도로 효율적이면서 신뢰할 수 있고 비용을 낮춘 인버터나 모터를 설계할 수 있다. 또한 XENSIV TLI4971은 차동 측정을 사용해서 외부적 자기장에 의해서 유도된 방해로부터 보호할 수 있다. 검증된 홀 기술을 사용해서 오프셋 오차가 극히 낮을 뿐만 아니라 높은 선형성을 달성한다.

정확한 전류 측정에 더해서, 전력 출력 스테이지를 효율적으로 보호할 수 있다. 예를 들어서 외부적인 단락 회로는 심각한 과전류로 이어질 수 있다. 지극히 짧은 지연시간을 달성하기 위해서 TLI4971은 병렬 신호 경로를 제공한다. 애플리케이션 요구에 따라서 과전류 임계값을 적절히 조절할 수 있다. 시스템 개발자가 전류 값과 하위 글리치 필터를 프로그램할 수 있다.

또한 이 센서 제품은 완벽하게 교정이 되어서 출하되므로 고객이 성가신 교정 작업을 할 필요가 없다.



공간과 비용 절약

TLI4971은 8mm×8mm×1mm 크기의 지극히 소형화된 TISON(Thin Interstitial Small Outline No leads) SMD 패키지로 제공된다(그림 2). 무게는 0.2그램에 불과하다. TISON SMD 패키지는 자동 PCB 어셈블리를 할 수 있으므로 비용을 절감할 수 있다. 또한 필터, 과전류 보정, 갈바니 절연 등의 형태로 다양한 기능을 통합함으로써 필요로 하는 공간과 BOM 비용을 대폭 줄일 수 있다.

고유한 전류 막대 레이아웃은 120A에 이르기까지 열 동작이 뛰어나며 그러기 위해서 추가적인 비용을 필요로 하지 않는다. 또한 이 센서는 고전압 애플리케이션에 사용하도록 설계되었으며 1.15kV(VIORM)에 이르는 전압에 대해서 갈바니 절연을 제공한다.



구조와 기능

그림 3은 XENSIV TLI4971의 블록 다이어그램을 보여준다. 일차 측에서 전류 막대를 통해서 흐르는 전류 흐름이 자기장을 유도하면, 2개의 차동 홀 소자가 이것을 측정한다. 강력한 증폭기가 차동 자기장 신호와 온도 및 스트레스 측정으로부터의 보정 정보를 결합한다. 최종적으로, 120kHz의 높은 대역폭으로 출력 신호를 제공한다.

프로그래밍을 어떻게 하느냐에 따라서, 아날로그 출력 신호는 싱글 엔디드이거나, 완전 차동이거나, 또는 반 차동(semi-differential )일 수 있다. 싱글 엔디드(single-ended)의 경우에는, AOUT 핀으로 아날로그 신호를 제공하고, VDD를 레퍼런스 전압 입력으로 사용한다. 완전 차동(fully differential)의 경우에는, AOUT(양극성)과 VREF(음극성)를 신호 출력으로 사용해서 출력 신호 스윙을 두 배로 늘린다. 차동 측정이 두 아날로그 출력 신호들로 영향을 미치는 잡음을 보정한다(그림 4).



반 차동(semi-differential) 구성의 경우에는, 내부적 레퍼런스 전압을 사용한다. 이것은 VREF를 통해서 제공된다. 포착된 전류 값은 AOUT을 통해서 제공된다. 양방향 전류 측정을 위해서는 레퍼런스 전압이 동적 범위의 가운데가 된다. 부호 변화 없이 전류 측정을 하기 위해서는 동적 범위의 하단 한계나 상단 한계에 따라서 레퍼런스 전압을 조절할 수 있다.

신속한 과전류 보호

XENSIV TLI4971은 과전류 신호 용으로 2개 출력 단자(OCD1, OCD2)를 제공한다(그림 3 참조). 이들 신호를 사용해서 경고를 하거나 심한 경우에 시스템 셧다운을 할 수 있다. 과전류 신호에 대해서 사용자가 시스템 동작 조건에 따라서 임계 전압을 적절히 프로그램할 수 있으므로 이 기능을 위해서 추가적인 외부 부품을 필요로 하지 않는다. 전원 전압 과전압이나 과전류의 경우에 센서가 특정한 신호들을 출력한다.

아날로그 출력 경로와 병렬로 별도의 신호 경로를 사용해서 혹시 있을 수 있는 과부하 전류를 빠르고 신뢰성 있게 감지한다. 두 출력(OCD1과 OCD2)에 대해서 대칭적인 임계값을 조절할 수 있다. 양 또는 음의 과전류에 대해서 과전류 이벤트를 트리거한다. 사용자가 프로그램 가능한 글리치 필터를 제공하므로 원치않는 순간적인 스위칭 트랜션트를 억제할 수 있다.

과전류 감지를 위해서 별도의 내부적 신호 경로를 제공하므로 1.5μs의 극히 빠른 응답 시간이 가능하다. 마이크로컨트롤러의 로직 입력으로 연결하면 OCD 핀들이 마이크로컨트롤러로에게 인터럽트 신호를 발생시키고 필요하다면 시스템을 손상으로부터 보호하기 위해서 시스템을 끌 수 있다. 또한 개방 드레인 아키텍처에 의해서 다수 XENSIV TLI4971 센서의 OCD 핀들을 마이크로컨트롤러의 단일 입력 핀으로 연결할 수 있다.



다양한 애플리케이션을 충족하는 유연성

또한 이 센서 제품은 측정 범위, OCD 임계값, 지연 시간, 출력 모드 등에 있어서 유연성이 뛰어나므로 다양한 애플리케이션을 충족할 수 있다. 이러한 구성들은 EEPROM에 저장되며 사용자가 접근할 수 있다. 현장에서 시리얼 인터페이스를 통해서 이러한 구성들을 프로그램할 수 있다.

그림 5는 애플리케이션 예로서 모터 드라이브로 위상 전류 측정을 하는 것을 보여준다. 이 애플리케이션을 위해서는 적절한 모터 제어, 과전류에 대한 출력 스테이지 보호, 혹독한 환경으로 정밀한 전류 측정, 고전압 갈바니 절연, 급격한 전압 트랜션트에 대한 견고성을 필요로 한다.

TLI4971 디바이스는 온도 범위와 수명에 걸쳐서 3퍼센트 이내의 정확도, 과부하 감지를 위한 2개의 독립적 출력 단자, 부유 자기장에 대한 견고성, 전류 막대와 센서 사이의 갈바니 절연을 특징으로 한다. 그러므로 시스템 설계에 있어서 차폐를 필요로 하지 않고, 레이아웃을 간소화할 수 있으며, 결과적으로 공간과 비용을 대폭 줄일 수 있다. 실온에서 간단한 교정을 실시하는 것만으로 측정 오차를 2퍼센트 아래로 낮출 수 있다. 또한 2개 홀 소자를 사용한 차동 측정으로 인접한 전류 라인들로부터 누화가 존재하는 잡음이 심한 환경에서도 높은 정확도를 달성할 수 있다.

제품 공급

인피니언의 새로운 전류 센서 제품군의 첫 제품으로서 XENSIV TLI4971은 120A에 이르는 전류를 측정할 수 있다. 그러므로 50kW에 이르는 모터 드라이브나 태양광 인버터 같은 다양한 산업용 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 이 센서 제품군으로 자동차용 제품을 포함하는 추가적인 제품들을 2020년에 출시할 계획이다. TLI4971의 양산은 2019년 9월에 시작할 예정이다.