전압 감시기(voltage supervisor)를 사용해서 마이크로컨트롤러(MCU) 기반 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다. 전원 결함을 모니터링하고 MCU를 리셋 모드로 전환함으로써 시스템 오류와 오작동을 방지할 수 있다. 그런데 전원장치 불완전성으로 인한 잡음, 전압 글리치, 트랜션트 등이 원치 않는 리셋을 일으킴으로써 시스템 동작을 방해할 수 있다. 이 글에서는 전압 감시기를 이용해 원치 않는 리셋을 방지하고 시스템 성능과 신뢰성을 높이는 방법에 대해 알아본다.



머리말

FPGA, 마이크로프로세서(MPU), 디지털 신호 프로세서(DSP), 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용해 데이터를 연산하고 처리하는 애플리케이션은 안전하고 신뢰할 수 있는 동작을 필요로 한다. 이러한 디바이스들은 특정한 범위의 전원 공급 허용 오차로만 동작하도록 되어 있기 때문에 전원장치에 대한 요구가 까다롭다.¹

전압 감시기는 이러한 시스템 신뢰성을 달성하기 위해 사용되는, 잘 알려진 솔루션이다. 전원장치로부터 저전압이나 과전압 같은 예기치 않은 결함이 발생하면 전압 감시기가 시스템을 즉시 리셋 모드로 전환한다. 그런데 전원 레일의 전압을 모니터링하면서 감지되는 결함들이 원치 않는 리셋을 일으켜 성가실 수 있다. 이러한 결함의 예로서 전원장치 회로 자체에서 비롯되는 전원 잡음, 전압 트랜션트, 글리치를 들 수 있다.

이 글에서는 전원 잡음, 전압 트랜션트, 글리치가 원치 않는 리셋을 일으키는 것을 방지하기 위해서 활용할 수 있는 전압 감시기 파라미터들을 설명한다. 이들 파라미터가 전원 모니터링에 있어서 어떻게 전압 감시기에 대한 신뢰성을 높이고 그럼으로써 시스템 신뢰성을 높이는지 알아본다.

전원 잡음, 전압 트랜션트, 글리치

전원장치는 본질적으로 불완전성을 내포한다. 전원장치 회로 부품 자체로부터 비롯되는 잡음이나, 다른 전원장치로부터의 잡음, 또는 시스템에서 발생하는 그 밖에 다른 잡음들이 DC에 결합될 수 있다. DC 전원장치가 스위치 모드 전원장치(SMPS)일 때는 문제가 더 심각해질 수 있다. SMPS는 스위칭 주파수와 일치하게 스위칭 리플을 발생한다. 또한 스위칭 전이 시에 고주파 스위칭 트랜션트를 발생한다.

이러한 전이는 파워 MOSFET의 빠른 온(on) 및 오프(off) 스위칭으로 인한 것이다. 그림 1은 마이크로컨트롤러로 입력 전압을 제공하는 스위칭 레귤레이터의 출력에서 결함 발생을 모니터링하기 위해 MAX705 감시기를 사용하는 애플리케이션 회로를 보여준다. 

 

정상 상태(steady-state) 동작 시의 잡음 아티팩트 말고도, 전원장치에서 전압 트랜션트가 눈에 띄게 발생할 수 있는 또 다른 시나리오도 있다. 스타트업 과정에서, 전원장치의 피드백 루프 응답과 관련해서 전압 출력 오버슈트가 발생하고 전압 링잉이 한참 이어지다가 마침내 안정화를 이루는 것을 흔히 볼 수 있다. 피드백 루프 보상 값을 최적화하지 않으면 이 링잉은 더 심할 수 있다. 트랜션트나 동적 부하 시에도 전압 오버슈트와 언더슈트가 발생할 수 있다.

애플리케이션에서 복잡한 프로세스를 실행하기 위해 부하가 더 많은 전류를 요구할 때가 있는데, 이럴 때는 전압 언더슈트가 발생할 수 있다. 반대로 부하를 순간적으로 급하게 낮추면 전압 오버슈트가 발생할 것이다. 외부적 요인들로 인해서 전원장치에 짧은 지속시간 동안 전압 글리치가 발생할 수도 있다. 그림 2는 다양한 시나리오로 공급 전압에서 발생할 수 있는 전압 트랜션트와 글리치들을 보여준다.

일부 애플리케이션에서는 전원 공급 장치가 아닌 기계적 스위치나 전도성 카드 같은 사용자 인터페이스와 관련하여 시스템에서 발생하는 전압 트랜션트도 있을 수 있다. 스위치를 켜거나 끄는 것이 전압 트랜션트를 발생하고 통상적으로 수동 리셋 핀인 입력 핀에 잡음을 일으킬 수 있다. 이러한 모든 요인들 다시 말해 전원 잡음, 전압 트랜션트, 글리치는 과도할 경우 감시기의 저전압 또는 과전압 임계치를 넘어 원치 않는 리셋을 일으킬 수 있다. 이는 발진 동작을 일으키고 불안정성을 초래할 수 있으므로, 시스템 신뢰성 측면에서 바람직하지 않다.

그렇다면 전압 감시기는 어떻게 잡음이나 트랜션트가 원치 않는 리셋을 발생시키는 것을 방지할 수 있을까? 감시기의 파라미터들을 잘 활용함으로써 전원장치나 모니터링하는 전압과 관련해서 발생하는 이러한 트랜션트들을 감출 수 있다. 이들 파라미터는 리셋 타임아웃 피리어드(reset timeout period), 리셋 임계 히스터리시스(reset threshold hysteresis), 지속시간에 따른 리셋 임계 오버드라이브(reset threshold overdrive vs. duration)이다.

한편으로 수동 리셋 핀의 푸시 버튼 스위치 같은 회로에서 기계식 접점과 관련한 트랜션트들에 대해서는 수동 리셋 셋업 피리어드(manual reset setup period)와 디바운스 시간(debounce time)을 사용해서 트랜션트들을 감출 수 있다. 이들 파라미터를 사용해서 전압 감시기가 트랜션트와 글리치의 영향을 받지 않도록 만들 수 있으며, 따라서 시스템이 원치 않는 반응을 하는 것을 방지할 수 있다.

리셋 타임아웃 피리어드(reset timeout period) 

스타트업을 할 때나 공급 전압이 저전압 이벤트로부터 상승해서 임계값을 지날 때 리셋 신호를 해제하기 전에 추가적인 시간을 두는 데, 이를 리셋 타임아웃 피리어드(t_RP)라고 부른다². 예를 들어서 그림 3에서는 모니터링하는 전압(V_CC로 표시된 공급 전압)이 저전압이나 스타트업으로부터 임계값에 도달하고 나서 액티브 로우(LOW) 리셋으로 추가적인 지연을 둔 다음에 하이(HIGH)가 되어서 리셋을 해제한다. 이렇게 추가적인 시간을 둠으로써 시스템이 안정화할 수 있는 여유를 주고, 오버슈트와 링잉을 감출 수 있다. 리셋 타임아웃 피리어드는 원치 않는 시스템 리셋을 억제함으로써 발진과 오작동을 방지하고, 그럼으로써 시스템 신뢰성을 높인다.

임계 히스터리시스(threshold hysteresis)

임계 히스터리시스(V_TH+)는 두 가지 점에서 유익하다. 첫째, 모니터링하는 전압이 확실하게 임계 수준을 넘은 다음에 리셋을 해제한다. 둘째, 전원장치가 안정화할 수 있는 여유를 준 다음에 리셋을 해제한다. 잡음이 얹혀진 신호를 처리할 때 리셋 출력이 여러 차례의 전이를 일으키는 경향이 있는데, 이는 전원이 바운스하고 임계 지점을 지나 오르락내리락 하기 때문이다. 그림 4는 이것을 보여준다³. 산업용 환경 같은 애플리케이션은 심한 잡음과 전압 변동이 언제든 발생할 수 있다.

이럴 때 히스터리시스를 사용하지 않으면 전원장치가 안정화할 때까지 리셋 출력이 어서트(assert)와 해제(deassert)를 반복할 것이다. 이 역시 시스템에 발진을 일으킬 것이다. 임계값 히스테리시스는 그림 4의 파란색 음영 부분에 표시된 원치 않는 동작이 시스템에서 일어나지 않도록 시스템 리셋을 보류함으로써 발진을 방지한다. 이는 감시기가 시스템을 잘못된 리셋으로부터 보호하는 데 도움이 된다.
 

지속시간에 따른 리셋 임계 오버드라이브(reset threshold overdrive vs. duration) 

어떤 시스템이든 외부적 요인으로 인한 전압 글리치가 짧게든 길게든 발생할 수 있다. 전압 하락의 크기 또한 저마다 다를 수 있다. 트랜션트 지속시간에 따른 리셋 임계 오버드라이브는 전압 글리치 혹은 오버드라이브의 크기와 지속시간을 고려한 것이다. 하락 크기는 크되 지속시간은 짧은 글리치는 리셋 신호를 트리거하지 않는 데 반해, 하락 크기는 더 작지만 지속시간이 긴 글리치는 리셋 신호를 트리거한다(그림 5).

다시 말해, 모니터링하는 전원에서 전압 트랜션트가 지속시간에 따라 무시되는 것이다. 이러한 트랜션트를 무시한다면 짧은 순간의 글리치로 인한 성가신 리셋으로부터 시스템을 보호할 수 있다. 이러한 글리치로 인해서 잘못된 시스템 리셋이 발생한다면 시스템에 바람직하지 않은 동작을 일으킬 것이다.

제품 데이터 시트에서는 지속시간에 따른 리셋 임계 오버드라이브를 그림 6에서처럼 통상적인 성능 특성 그래프 중 하나로 보여주곤 한다. 특정 값이 이 곡선을 초과하면 리셋 출력을 트리거하고, 이 곡선 이내이면 글리치를 무시함으로써 시스템에 원치 않는 리셋이 발생하지 않도록 한다.

 

수동 리셋 셋업 피리어드(manual reset setup period)와 디바운스 시간(debounce time) 

리셋 타임아웃 피리어드, 지속시간에 따른 임계 오버드라이브, 임계 히스터리시스는 모니터링하는 전압에서 전압 글리치와 트랜션트에 관한 것이다. 그리고 모니터링하는 전압은 통상적으로 시스템 마이크로컨트롤러의 전원이다. 스위치 같은 기계적 접점으로 인해 발생하는 글리치의 경우, 수동 리셋 셋업 피리어드와 디바운스 시간을 사용해서 전압 트랜션트와 글리치로 인한 영향을 완화할 수 있다.

수동 리셋 셋업 피리어드(t_MR)는 리셋 출력을 트리거하기 위해서 수동 리셋을 유지하고 있어야 하는 시간을 말한다. 어떤 감시기는 추가적인 시스템 보호를 위해 긴 수동 리셋 셋업 피리어드를 사용할 수 있다. 이는 시스템을 리셋하기 위해 버튼을 수 초 동안 누르고 있어야 하는 소비가전 제품에서 일반적이다. 이렇게 하면 실수로 의도하지 않게 리셋을 하는 것을 방지할 수 있어, 시스템 보호와 신뢰성을 높일 수 있다. 수동 리셋 셋업 피리어드를 사용함으로써, 스위치를 누를 때 모든 짧은 순간의 트랜션트와 글리치를 무시할 수 있으며(그림 7a), 이는 시스템이 글리치의 영향을 받지 않도록 하는 데 도움이 된다.

디바운스 시간도 동일한 개념이 적용된다. 셋업 피리어드와 마찬가지로, 디바운스 시간(t_DB) 역시 스위치를 켜거나 끌 때의 고주파의 주기적 전압 트랜션트를 무시한다. 이러한 고주파 트랜션트들을 무효한 것으로 간주하고 무시함으로써 리셋을 트리거하지 않는다(그림 7b). 신호가 디바운스 시간을 넘기면 그때는 스위치 또는 푸시 버튼으로부터 유효한 입력 신호로 간주된다.

 

맺음말

전압 감시기가 없다면 전압 트랜션트와 글리치가 발생할 때 시스템이 브라운 아웃되거나 오작동을 일으킬 것이다. 이를 방지하기 위해, 이러한 상황에서 전압 감시기가 프로세서를 리셋 모드로 전환시킨다.

이 글에서 설명한 모든 파라미터(리셋 타임아웃 피리어드, 임계 히스터리시스, 임계 오버드라이브, 수동 리셋 셋업 피리어드, 디바운드 시간)는 글리치와 트랜션트로 인한 원치 않는 리셋을 방지함으로써 공급 전압 모니터링에 있어서 전압 감시기에 대한 신뢰성을 높인다. 이는 전체 시스템 성능의 안정성과 신뢰성을 높이는 결과로 이어진다. 


참고문헌

1 “The Why, What, How, and When of Using Microprocessor Supervisors.” Maxim Integrated, April 2018.
2Greg Sutterlin. “Supervisors in Multivoltage Systems.” Analog Devices, Inc., November 2003.
3Pinkesh Sachdev. “Adding Hysteresis for Smooth Undervoltage and Overvoltage Lockout.” Analog Dialogue, Vol. 55, No. 1, March 2021.


저자 소개

노엘 테노리오(Noel Tenorio)는 아나로그디바이스 필리핀(Analog Devices Philippines)에서 고성능 감시기 제품을 맡고 있는 스태프 애플리케이션 엔지니어이다. 2016년 8월에 ADI에 입사했으며, 그 전에는 SMPS 연구개발 회사에서 6년 간 설계 엔지니어로 재직했다. 바탕가스 주립대학에서 전자공학 및 통신공학 학사학위와 마푸아 대학교 전력전자공학과에서 전기공학 전공으로 대학원을 졸업하고 전자공학 석사학위를 취득했다.