기술기고문
적응형 부하 레귤레이션과 동적 전력 제어를 활용하는 절연형 아날로그 출력 설계의 이점
글: 위르겐 쉬멜(Jürgen Schemel), FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
통상적인 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)는 산업 및 제조 공정의 제어와 모니터링을 위해 여러 개의 아날로그 및 디지털 출력을 포함한다. 이들 입출력(I/O)과 관련하여, 모듈화 기법이 널리 사용되고 있으며, 이 기법은 아날로그 I/O와 디지털 I/O의 기본적인 기능들을 대응한다. 특히 까다로운 것이 아날로그 출력인데, 그 이유는 그림 1에서 보듯이 설정이 서로 다른 수 많은 부하 조건 하에서 동적으로, 그리고 높은 정확도로 구동돼야 하기 때문이다. 여기서, 동적 드라이버 스테이지가 중요한데, 손실을 가능한 최소 수준으로 낮춰야 한다.
이를 위해서는 다음과 같은 요인들을 고려해야 한다:
▶연결된 부하
▶허용 가능한 최대 주변 온도와 내부 모듈 온도
▶채널 수와 모듈 크기
▶갈바닉 절연 인터페이스
▶정확도
공정 자동화에서는 개별 출력 채널들 사이에 갈바닉 절연이 추가로 요구되곤 한다. 그 밖에 채널 진단이나 HART® 신호 같은 것이 필요할 수 있다. 견고성과 결함 내구성 역시 중요한 요구사항이다.
그림 1: 절연형 아날로그 출력 시스템의 블록 다이어그램
반도체 기술이 발전하고 혼성신호 공정이 계속 향상함에 따라 고집적도의 소형 회로 구현이 가능해졌다. 아날로그 출력 채널 기능은 하나의 IC에 완벽하게 통합할 수 있게 되었다. 5mm x 5mm 크기의 AD5758은 DAC와 드라이버의 기본 기능은 물론이고, 진단용 ADC, 지능형 전원 관리, 전압 레퍼런스, 역류 및 과전압 방지 결함 스위치, 교정 데이터 저장용 레지스터, SPI 통신 인터페이스 같은 수 많은 아날로그 및 로직 기능들을 통합하고 있다.
AD5758(그림 2)은 자동화 애플리케이션에 사용되는 모든 주요 출력 범위를 지원한다. 여기에는 공정 자동화에 사용되는 유니폴라 0V ~ 10V/0mA ~ 20mA, 바이폴라 ±10V/±20mA, 그리고 4mA ~ 20mA 같은 모든 서브 범위들이 포함되며, 각각의 설정에 20%의 오버레인지가 적용된다. 해당 값들은 16비트 분해능으로 출력된다.
그림 2: AD5758 블록 다이어그램
전력 손실 최소화
AD5758은 온도와 공간에 제약이 있는 애플리케이션에 적합하다. 전력 손실은 주로 DC/DC 컨버터와 출력 드라이버단으로 이루어진 전원부에서 발생한다. 지능형 전원 관리가 중요한 역할을 하는 곳이 바로 이 지점이다. AD5758은 적응형 부하 레귤레이션과 동적 전력 제어(DPC) 기능이 특징이다. DPC는 전류 출력 모드에서 동작하며, 특정 부하를 구동하는데 필요한 드라이버단에서의 전압을 제어한다. 동작 조건에 따라서 전류 출력(I x RLOAD)을 위한 부하 전압이 공급 전압의 수분의 일에 불과할 수 있는데, 공급 전압과의 이 차이는 직렬 트랜지스터에서 전력 손실의 형태로 발산된다. 이때 DPC 기능을 사용하여 드라이버 전압을 실제로 필요로 하는 부하 전압보다 몇 볼트만 더 높게 레귤레이트함으로써(출력 트랜지스터를 위한 여유분 감안) 이 손실을 최소화할 수 있다. 이런 식으로 전압을 효율적으로 조절하는 것은 스위칭 레귤레이터를 사용해야만 가능한데, AD5758은 이미 스위칭 레귤레이터를 통합하고 있으며 부하에 맞춰 자동으로 조절한다. 스위칭 레귤레이터와 상향 전원장치에서 추가적인 손실이 발생한다 하더라도, 전반적인 전력 손실을 매우 효과적으로 낮출 수 있다. 특히 부하 저항이 작을수록 더욱 그렇다(표 1 참조). 따라서 시스템 설계 크기를 작게 할 수 있으며, 보드의 발열도 막을 수 있다.
표 1: 출력 전류 I = 20mA, 고정된 공급 전압 24V일 때 이론적인 전력 손실 (내부적 전력 소모와 DC-DC 효율은 반영하지 않음)
디레이팅에 따른 제약
디레이팅(derating)은 전력 반도체에서 SOA(safe operating area) 개념과 유사한 것으로서, 특정한 경계 조건이 되면 성능을 낮춰서 동작하게 하는 것을 말한다. 앞서 말한 전력 손실 및 이와 관련한 냉각 문제 때문에, DPC 기능이 적용되지 않은 출력 모듈에는 열 관련 제약이 더 빠듯해진다. 오늘날에는 신용카드 크기의 모듈 1개에는 2개 혹은 4개 채널이 일반적이다. 동작 가능한 주변 온도는 통상적으로 최대 60ºC이다. 그런데 이러한 환경 조건에서 4개 채널 모두로 매우 낮은 부하를 구동하면 안 된다. 4개 채널에 DPC를 사용하지 않는다고 했을 때, 이 모듈에서 전력 손실이 3W에 이를 수 있고 이로 인해 발생하는 열이 빠르게 한계치에 도달할 수 있기 때문이다. 열 디레이팅을 통해서(그림 3), 모듈 제조회사는 높은 주변 온도 조건에서는 4개 채널 중에서 1 ~ 2개 채널만 사용하도록 할 수 있다. 그러면 활용도와 채널 비용이 크게 나빠진다.
그림 3: 통상적인 디레이팅 도표
적응형 레귤레이션 덕분에, AD5758은 부하 저항에 따른 전력 손실을 약간 낮추고 0kΩ ~ 1kΩ의 부하에 대해 전력 손실을 항상 250mW 이하로 유지할 수 있다(표 2). 따라서, 출력 모듈 설계에 따라서는 2W 미만으로 8개의 절연형 채널을 구현할 수 있다. 접합부 대 주변 열 저항 ΘJA이 46K/W인 5mm x 5mm LFCSP 패키지의 이 디바이스는 전력 손실이 200mW일 때 주변 온도 상승이 10?C 이하이다. 또한 AD5758은 최대 주변 온도 115ºC까지 동작할 수 있어, 디레이팅을 할 필요 없이 다채널 모듈에 충분한 여유를 제공한다.
표 2: I = 20mA, 공급 전압 = 24V의 조건에 DPC를 적용했을 때 측정된 전력 값
이 전력 손실 수치는 ADP1031을 사용했을 때 전력 및 데이터 절연으로 인한 열 발산을 포함한다.
전원 공급 최적화
공급 전압은 다음과 같은 다양한 요구를 충족해야 한다:
▶로직 전압: 드라이버 전원 외에도, AD5758 출력 IC는 내부 블록들을 작동하기 위해서 3.3V 로직 전압을 필요로 한다. 이 전압은 온칩 LDO 레귤레이터를 사용해서 제공할 수 있다. 하지만 효율을 극대화하고 전력 손실을 낮추기 위해서는 스위칭 레귤레이터가 권장된다.
▶절연형 드라이버 전원: 안전상의 이유로, PLC 버스는 I/O 모듈로부터 항상 갈바닉 절연이 돼야 한다. 그림 1은 그러한 절연을 보여주는 것으로서, 로직 (버스) 측, 공급 전압, 필드측 출력의 서로 다른 3가지 전위를 서로 다른 색깔로 나타냈다.
이들 3개 섹션은 흔히 보드 상에서 공간적으로 분리되어 있기 때문에, 즉 출력은 앞쪽 커넥터 단자에 위치해 있고 백플레인 버스는 말 그대로 뒤쪽에 위치해 있기 때문에 절연, 전원 장치, 출력 드라이버를 단일 칩으로 통합하기가 여의치 않다.
전원 관리 유닛 ADP1031(그림 4)과 AD5758을 함께 사용하면 최소한의 공간 요건과 전력 손실을 갖는 절연형 출력 모듈을 개발할 수 있다(그림 5).
그림 4: 전원 관리 유닛 ADP1031
그림 6: 절연형 8채널 AO 모듈
저자 소개
위르겐 쉬멜(Jürgen Schemel)은 아나로그디바이스의 FAE로서, 자동화, 인더스트리 4.0, 상태 기반 모니터링 애플리케이션과 관련해서 산업용 고객 지원을 맡고 있다. 1996년에 오펜부르크 응용과학 대학에서 석사학위를 취득했다. 지멘스에서 산업용 애플리케이션의 통신 기술 시스템 설계를 하면서 경력을 시작했다. 문의: juergen.schemel@analog.com
통상적인 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)는 산업 및 제조 공정의 제어와 모니터링을 위해 여러 개의 아날로그 및 디지털 출력을 포함한다. 이들 입출력(I/O)과 관련하여, 모듈화 기법이 널리 사용되고 있으며, 이 기법은 아날로그 I/O와 디지털 I/O의 기본적인 기능들을 대응한다. 특히 까다로운 것이 아날로그 출력인데, 그 이유는 그림 1에서 보듯이 설정이 서로 다른 수 많은 부하 조건 하에서 동적으로, 그리고 높은 정확도로 구동돼야 하기 때문이다. 여기서, 동적 드라이버 스테이지가 중요한데, 손실을 가능한 최소 수준으로 낮춰야 한다.
이를 위해서는 다음과 같은 요인들을 고려해야 한다:
▶연결된 부하
▶허용 가능한 최대 주변 온도와 내부 모듈 온도
▶채널 수와 모듈 크기
▶갈바닉 절연 인터페이스
▶정확도
공정 자동화에서는 개별 출력 채널들 사이에 갈바닉 절연이 추가로 요구되곤 한다. 그 밖에 채널 진단이나 HART® 신호 같은 것이 필요할 수 있다. 견고성과 결함 내구성 역시 중요한 요구사항이다.
그림 1: 절연형 아날로그 출력 시스템의 블록 다이어그램
반도체 기술이 발전하고 혼성신호 공정이 계속 향상함에 따라 고집적도의 소형 회로 구현이 가능해졌다. 아날로그 출력 채널 기능은 하나의 IC에 완벽하게 통합할 수 있게 되었다. 5mm x 5mm 크기의 AD5758은 DAC와 드라이버의 기본 기능은 물론이고, 진단용 ADC, 지능형 전원 관리, 전압 레퍼런스, 역류 및 과전압 방지 결함 스위치, 교정 데이터 저장용 레지스터, SPI 통신 인터페이스 같은 수 많은 아날로그 및 로직 기능들을 통합하고 있다.
AD5758(그림 2)은 자동화 애플리케이션에 사용되는 모든 주요 출력 범위를 지원한다. 여기에는 공정 자동화에 사용되는 유니폴라 0V ~ 10V/0mA ~ 20mA, 바이폴라 ±10V/±20mA, 그리고 4mA ~ 20mA 같은 모든 서브 범위들이 포함되며, 각각의 설정에 20%의 오버레인지가 적용된다. 해당 값들은 16비트 분해능으로 출력된다.
그림 2: AD5758 블록 다이어그램
전력 손실 최소화
AD5758은 온도와 공간에 제약이 있는 애플리케이션에 적합하다. 전력 손실은 주로 DC/DC 컨버터와 출력 드라이버단으로 이루어진 전원부에서 발생한다. 지능형 전원 관리가 중요한 역할을 하는 곳이 바로 이 지점이다. AD5758은 적응형 부하 레귤레이션과 동적 전력 제어(DPC) 기능이 특징이다. DPC는 전류 출력 모드에서 동작하며, 특정 부하를 구동하는데 필요한 드라이버단에서의 전압을 제어한다. 동작 조건에 따라서 전류 출력(I x RLOAD)을 위한 부하 전압이 공급 전압의 수분의 일에 불과할 수 있는데, 공급 전압과의 이 차이는 직렬 트랜지스터에서 전력 손실의 형태로 발산된다. 이때 DPC 기능을 사용하여 드라이버 전압을 실제로 필요로 하는 부하 전압보다 몇 볼트만 더 높게 레귤레이트함으로써(출력 트랜지스터를 위한 여유분 감안) 이 손실을 최소화할 수 있다. 이런 식으로 전압을 효율적으로 조절하는 것은 스위칭 레귤레이터를 사용해야만 가능한데, AD5758은 이미 스위칭 레귤레이터를 통합하고 있으며 부하에 맞춰 자동으로 조절한다. 스위칭 레귤레이터와 상향 전원장치에서 추가적인 손실이 발생한다 하더라도, 전반적인 전력 손실을 매우 효과적으로 낮출 수 있다. 특히 부하 저항이 작을수록 더욱 그렇다(표 1 참조). 따라서 시스템 설계 크기를 작게 할 수 있으며, 보드의 발열도 막을 수 있다.
표 1: 출력 전류 I = 20mA, 고정된 공급 전압 24V일 때 이론적인 전력 손실 (내부적 전력 소모와 DC-DC 효율은 반영하지 않음)
| RLOAD | VLOAD (V) | DPC 미적용시 손실 (mW) | DPC 적용시 손실 (mW) | 손실 저감분 (mW) |
| 0 Ω | 0 | 480 | 100 | 380 |
| 50 Ω | 1 | 460 | 80 | 380 |
| 1 Ω | 20 | 80 | 50 | 30 |
디레이팅에 따른 제약
디레이팅(derating)은 전력 반도체에서 SOA(safe operating area) 개념과 유사한 것으로서, 특정한 경계 조건이 되면 성능을 낮춰서 동작하게 하는 것을 말한다. 앞서 말한 전력 손실 및 이와 관련한 냉각 문제 때문에, DPC 기능이 적용되지 않은 출력 모듈에는 열 관련 제약이 더 빠듯해진다. 오늘날에는 신용카드 크기의 모듈 1개에는 2개 혹은 4개 채널이 일반적이다. 동작 가능한 주변 온도는 통상적으로 최대 60ºC이다. 그런데 이러한 환경 조건에서 4개 채널 모두로 매우 낮은 부하를 구동하면 안 된다. 4개 채널에 DPC를 사용하지 않는다고 했을 때, 이 모듈에서 전력 손실이 3W에 이를 수 있고 이로 인해 발생하는 열이 빠르게 한계치에 도달할 수 있기 때문이다. 열 디레이팅을 통해서(그림 3), 모듈 제조회사는 높은 주변 온도 조건에서는 4개 채널 중에서 1 ~ 2개 채널만 사용하도록 할 수 있다. 그러면 활용도와 채널 비용이 크게 나빠진다.
그림 3: 통상적인 디레이팅 도표
적응형 레귤레이션 덕분에, AD5758은 부하 저항에 따른 전력 손실을 약간 낮추고 0kΩ ~ 1kΩ의 부하에 대해 전력 손실을 항상 250mW 이하로 유지할 수 있다(표 2). 따라서, 출력 모듈 설계에 따라서는 2W 미만으로 8개의 절연형 채널을 구현할 수 있다. 접합부 대 주변 열 저항 ΘJA이 46K/W인 5mm x 5mm LFCSP 패키지의 이 디바이스는 전력 손실이 200mW일 때 주변 온도 상승이 10?C 이하이다. 또한 AD5758은 최대 주변 온도 115ºC까지 동작할 수 있어, 디레이팅을 할 필요 없이 다채널 모듈에 충분한 여유를 제공한다.
표 2: I = 20mA, 공급 전압 = 24V의 조건에 DPC를 적용했을 때 측정된 전력 값
| RLOAD | VLOAD (V) | DPC 미적용시 손실 (mW) | DPC 적용시 손실 (mW) | 손실 저감분 (mW) |
| 0 Ω | 0 | 222 | 0 | 222 |
| 250 Ω | 5 | 296 | 100 | 196 |
| 750 Ω | 15 | 509 | 300 | 209 |
이 전력 손실 수치는 ADP1031을 사용했을 때 전력 및 데이터 절연으로 인한 열 발산을 포함한다.
전원 공급 최적화
공급 전압은 다음과 같은 다양한 요구를 충족해야 한다:
▶로직 전압: 드라이버 전원 외에도, AD5758 출력 IC는 내부 블록들을 작동하기 위해서 3.3V 로직 전압을 필요로 한다. 이 전압은 온칩 LDO 레귤레이터를 사용해서 제공할 수 있다. 하지만 효율을 극대화하고 전력 손실을 낮추기 위해서는 스위칭 레귤레이터가 권장된다.
▶절연형 드라이버 전원: 안전상의 이유로, PLC 버스는 I/O 모듈로부터 항상 갈바닉 절연이 돼야 한다. 그림 1은 그러한 절연을 보여주는 것으로서, 로직 (버스) 측, 공급 전압, 필드측 출력의 서로 다른 3가지 전위를 서로 다른 색깔로 나타냈다.
이들 3개 섹션은 흔히 보드 상에서 공간적으로 분리되어 있기 때문에, 즉 출력은 앞쪽 커넥터 단자에 위치해 있고 백플레인 버스는 말 그대로 뒤쪽에 위치해 있기 때문에 절연, 전원 장치, 출력 드라이버를 단일 칩으로 통합하기가 여의치 않다.
전원 관리 유닛 ADP1031(그림 4)과 AD5758을 함께 사용하면 최소한의 공간 요건과 전력 손실을 갖는 절연형 출력 모듈을 개발할 수 있다(그림 5).
그림 4: 전원 관리 유닛 ADP1031
그림 5: ADP1031과 AD5758을 사용한 4채널 아날로그 출력
ADP1031은 9mm x 7mm 크기에 다음과 같은 4개 블록을 통합하고 있다:
▶절연형 양(+)의 공급 전압 VPOS 생성을 위한 플라이백 컨버터
▶바이폴라 출력용 음(-)의 공급 전압 VNEG 생성을 위한 인버터
▶AD5758 로직 회로들에 VLOG를 제공하기 위한 스텝다운 컨버터
▶추가적인 GPIO를 사용하는 절연형 SPI 데이터 인터페이스
플라이백 컨버터는 우수한 효율이 장점이며, 소형 1:1 트랜스포머만을 필요로 한다. 플라이백 컨버터는 첫 번째 스테이지에서 최대 28V에 이르는 절연형 드라이버 전압을 제공한다. 인버터와 스텝다운 컨버터는 이로부터 도출되며 동일한 접지 전위를 공유한다.
이 전원 관리 유닛은 특히 전자기 호환성(EMC)과 견고성을 염두에 두고 설계되었다. 예를 들어, 출력 전압을 위상 편이를 하고 플라이백 컨트롤러의 슬루율을 조절할 수 있다. 또한 VPOS, VNEG, VLOG의 3개 전압 모두를 위해 소프트 스타트, 과전압 보호, 전류 제한 기능을 포함한다.
절연형 SPI 인터페이스는 검증된 iCoupler® 기술을 기반으로 하며, 동작에 필요한 모든 제어 신호들을 전달한다. 데이터를 위한 고속 경로(4개 채널)와 GPIO 제어를 위한 저속 경로(3개 채널 다중화)가 분리된다. 가능한 애플리케이션으로는 다채널 모듈이나 여러 모듈들에 걸쳐서 공통 제어 신호를 통해 출력을 동기식으로 작동하고, 오류 플래그를 리드백 하고, 안전 셧다운을 트리거 하는 것을 들 수 있다.
시스템 차원의 이점
AD5758과 ADP1031을 조합하면 이 2개의 칩으로 절연형 아날로그 출력에 필요한 모든 기능을 구현할 수 있다. 요구되는 채널 면적은 13mm x 25mm 크기로 매우 작은데, 이는 시중의 다른 솔루션에 비하면 절반에 불과하다.
이처럼 공간을 적게 차지하는 것 외에도 주요 기능들을 통합함으로써 레이아웃을 간소화하고, 전위들을 손쉽게 분리할 수 있으며, 하드웨어 비용을 크게 낮출 수 있다. ADI의 8채널 데모 디자인은 6레이어로 된 단일 보드만을 사용하며, 크기는 77mm x 86mm이다(그림 6).
시스템 차원의 이점을 요약하면 다음과 같다:
▶모듈을 더 작게 구현할 수 있으며, 전력 손실을 최소화함으로써 모듈당 더 많은 채널이 가능하다.
▶디레이팅을 할 필요가 없고 더 높은 주변 온도에서 동작이 가능하다.
▶하드웨어 작업을 줄임으로써 비용을 낮출 수 있다.
▶다채널 모듈을 사용해서 손쉽게 확장이 가능하다.
▶확장된 진단 기능을 포함함으로써 견고성을 높인다.
그림 6: 절연형 8채널 AO 모듈
저자 소개
위르겐 쉬멜(Jürgen Schemel)은 아나로그디바이스의 FAE로서, 자동화, 인더스트리 4.0, 상태 기반 모니터링 애플리케이션과 관련해서 산업용 고객 지원을 맡고 있다. 1996년에 오펜부르크 응용과학 대학에서 석사학위를 취득했다. 지멘스에서 산업용 애플리케이션의 통신 기술 시스템 설계를 하면서 경력을 시작했다. 문의: juergen.schemel@analog.com
제품스펙