기술기고문
절연형 설계에 숨어있는 비용 절감하기 : 차세대 솔루션 설계 시 프로젝트 위험 관리 방안
절연형 설계에 숨어있는 비용 절감하기 : 차세대 솔루션 설계 시 프로젝트 위험 관리 방안
프로젝트 책임자가 신경 써야 할 일 중의 하나는 갈수록 까다로워지는 EMC(electromagnetic-compatibility) 규정이다. 새롭게 떠오르는 애플리케이션과 시장들마다 수 많은 EMC 요건을 충족해야 하며, 성능이 높아짐에 따라서 이 요건 또한 점점 더 엄격해지고 있다.
절연형 플라이백 컨버터 같은 기존 디스크리트 솔루션은 BOM(bill of materials) 비용을 낮출 수 있는 이점이 있지만, 단점도 있다. 통상적인 플라이백 제품(그림 1)은 절연 트랜스포머를 구동하기 위한 컨트롤러, 이차 측에 정류 및 필터링, 광학적 절연 피드백 네트워크로 이루어진다. 전압 루프를 안정화하기 위한 보정 네트워크를 개발하기 위해서 오차 증폭기에 상당한 엔지니어링 작업이 투입되어야 하며, 이것은 옵토커플러 성능의 영향을 받는다. 전원장치에 사용하기에 비싸지 않은 절연체로 여겨지는 옵토커플러는 전류 전달 비(current transfer ratio, CTR)가 변동적이라 전압 피드백 성능과 유효 동작 온도 범위를 제한한다. CTR은 입력 LED 전류 대 출력 트랜지스터 전류의 비율로서, 비선형적이며 유닛별로 상당한 차이가 있을 수 있다. 통상적으로 옵토커플러는 초기 CTR의 불명확도가 2:1이다. 그러면 고전력 고밀도 전원장치처럼 고온 환경에서 사용했을 때 수년 후에는 CTR이 최대 50%까지 떨어질 수 있다. 따라서 프로젝트 책임자의 관점에서는 디스크리트 플라이백 기법이 비용 면에서는 유리하게 생각될 수도 있으나, 요구되는 엔지니어링 작업과 기술적 위험성과의 절충을 고려해야 한다.
그림 1: 절연형 플라이백 DC-DC 컨버터
디스크리트 기법을 사용할 때의 또 다른 어려운 점은 안전성 규정을 충족하는 것이다. 안전성 시험 기관에서는 디스크리트 설계를 보다 면밀하게 검사하므로, 디스크리트 설계로 필요한 인증을 취득하려면 반복 작업을 더 여러 번 해야 할 수도 있다.
절연을 위해서는 전원 장치로 복잡성이 더해진다. 비절연형 설계라 하더라도 입력 및 출력 전압 범위, 최대 부하 전류, 잡음 및 리플, 과도 성능, 스타트업 특성 같은 것들을 충족해야 한다. 그런데 절연 벽은 특성적으로 입력과 출력 조건을 동시에 모니터링하기가 쉽지 않으므로 원하는 성능을 달성하기가 좀더 까다롭다. 또한 각각 분리된 접지 도메인이 쌍극 안테나를 형성하고, 절연 벽을 통해서 전달되는 어떠한 공통 모드 전류가 양 극 쪽에 자기장을 형성하며 이로 인해 원치 않는 방사 에너지를 발생시킬 수 있다.
마지막 절차는, 안전성 인증을 받는 것이다. 외부 안전성 기관에서 실시하는 이 시험에도 역시 시간과 비용이 들어간다. 설계 팀에서 포괄적인 도큐멘테이션을 준비해야 하며, 해당 기관에서는 이것을 신중하게 검사한다. 특히 새로운 부분에 대해서는 더 철저하게 검사하므로, 이전에 인증을 받은 회로를 재사용하면 유리하다. 만약, 검사 기관에서 안전성 요건을 충족하지 못한다고 판단하면 디스크리트 절연형 전원 설계를 수정해야 한다. 그런 다음에 다시 특성 분석을 하고 EMC 검사를 다시 받아야 한다.
그림 2: ADuM5020을 사용해서 간소화된 레이아웃
이들 제품은 소형 패키지(16핀 및 8핀 광폭 SOIC)를 적용함으로써 적은 PCB 면적만을 차지하며, 방사 요건을 충족하기 위해 안전 커패시턴스를 사용할 필요가 없다. 따라서 적정한 커패시턴스를 달성하기 위해서 4층 혹은 그 이상의 층을 필요로 하는 임베디드 스티칭 커패시터 같은 디스크리트 기법에 비해 더 작고 저렴한 절연형 전원 회로를 설계할 수 있다.
글: 데이빗 카(David Carr) / 아나로그디바이스
전자화의 확산
전자장치 시스템은 점점 더 소형 경량화 하는 추세다. 자동차의 전기화가 대표적인 예일 것이다. 컨설팅 회사인 PwC에 따르면, 2024년에는 하이브리드 전기차와 순수 전기차가 전 세계 자동차 판매에서 차지하는 비중이 40%에 이를 전망이다. 이처럼 자동차의 전기화가 빠르게 진행되면서 다양한 전자장치 및 시스템들 간 절연 필요성 또한 높아지고 있다. 특히 400V dc 배터리 스택을 장착한 전기차가 일반화하고 있기 때문에, 안전성 측면에서 더욱 그렇다.전자장치에서 절연 수요 증가
차세대 절연 솔루션을 제공하기 위해서는 새로운 과제들을 해결해야 한다. 절연을 위해서는 복잡한 아키텍처와 프로세스가 필요해, 그만큼 민첩성과 유연성이 떨어지고 설계 변경을 하기도 쉽지 않다. 경쟁이 전 세계적으로 치열해짐에 따라 기업 입장에서는 제품 출시시간(TTM)과 투자 회수(ROI)가 더욱 중요해졌다. 이는 개발팀이 실수 없이 촉박한 일정을 소화해야 한다는 뜻이기도 하다. 설계 및 개발 자원은 한정적이고 충분한 경험을 쌓은 인력은 부족하다. ROI를 극대화하려면 반복 작업을 최소화해야 하며, 치열한 경쟁에서 치고 나가기 위해서는 제품 차별화를 위해 끊임없이 성능을 높여야 한다. 그러면서 한편으로 새로운 규정이나 요건들을 충족하기 위해서 추가적인 애플리케이션 시험이나 인증을 통과해야 한다. 갈수록 요구 사항은 늘어나고 위험성은 높아지고 있는 것이다.절연형 설계에 대한 이해
절연형 설계에서는 당연하게도 절연이 필수적인데, 이를 설계하기가 쉽지는 않다. 요구되는 절연 수준을 판단하는 것에서부터 절연형 데이터 경로로 절연된 전력을 제공하고 솔루션을 주어진 공간 안에 집어넣는 것에 이르기까지 많은 것들을 고려해야 한다. 그 뿐 아니라 각각의 프로젝트마다 고유의 설계 목표를 충족해야 한다. 기술적 어려움, 이전 설계와의 유사성, 일정, 활용 가능한 자원 등 여러 요인들을 살펴야만 이전 설계를 얼마나 많이 재사용할 수 있으며, 완전히 새로운 설계는 얼마나 많이 포함해야 하는지를 결정할 수 있다. 이전 설계나 아키텍처를 최소한의 변경 수준에서 재사용한다면 설계 위험성은 낮추고 개발 속도를 높일 수 있다. 하지만 많은 경우, 새로운 기능을 도입하거나 성능을 높이기 위해 새로운 기법을 검토해야 할 필요성이 제기된다. 또한 차별화를 위한 부가 기능 개발을 위해서 한정된 개발 자원을 가지고 새롭고 향상된 기술들을 평가해야 한다.기존 방식의 한계
안전성 인증에 관한 포괄적인 문서를 포함하고 있는 컴팩트하고 사용하기 편리한 통합 절연 DC-DC 컨버터를 사용하면 이러한 문제들 중 많은 것을 손쉽게 해결할 수 있다. 예컨대 이전 설계에 새로운 기능을 추가해서 더 높은 성능으로 업그레이드하려는 신규 프로젝트가 있다고 가정해 보자. 개발팀은 열의를 가지고 즉시 임무에 착수하려고 한다. 하지만 프로젝트 책임자는 신경 써야 할 것이 한두 가지가 아니다. 더욱 빠듯한 예산과 촉박한 일정으로 점점 더 복잡한 설계를 개발해야 하기 때문이다.프로젝트 책임자가 신경 써야 할 일 중의 하나는 갈수록 까다로워지는 EMC(electromagnetic-compatibility) 규정이다. 새롭게 떠오르는 애플리케이션과 시장들마다 수 많은 EMC 요건을 충족해야 하며, 성능이 높아짐에 따라서 이 요건 또한 점점 더 엄격해지고 있다.
절연형 플라이백 컨버터 같은 기존 디스크리트 솔루션은 BOM(bill of materials) 비용을 낮출 수 있는 이점이 있지만, 단점도 있다. 통상적인 플라이백 제품(그림 1)은 절연 트랜스포머를 구동하기 위한 컨트롤러, 이차 측에 정류 및 필터링, 광학적 절연 피드백 네트워크로 이루어진다. 전압 루프를 안정화하기 위한 보정 네트워크를 개발하기 위해서 오차 증폭기에 상당한 엔지니어링 작업이 투입되어야 하며, 이것은 옵토커플러 성능의 영향을 받는다. 전원장치에 사용하기에 비싸지 않은 절연체로 여겨지는 옵토커플러는 전류 전달 비(current transfer ratio, CTR)가 변동적이라 전압 피드백 성능과 유효 동작 온도 범위를 제한한다. CTR은 입력 LED 전류 대 출력 트랜지스터 전류의 비율로서, 비선형적이며 유닛별로 상당한 차이가 있을 수 있다. 통상적으로 옵토커플러는 초기 CTR의 불명확도가 2:1이다. 그러면 고전력 고밀도 전원장치처럼 고온 환경에서 사용했을 때 수년 후에는 CTR이 최대 50%까지 떨어질 수 있다. 따라서 프로젝트 책임자의 관점에서는 디스크리트 플라이백 기법이 비용 면에서는 유리하게 생각될 수도 있으나, 요구되는 엔지니어링 작업과 기술적 위험성과의 절충을 고려해야 한다.
그림 1: 절연형 플라이백 DC-DC 컨버터
디스크리트 기법을 사용할 때의 또 다른 어려운 점은 안전성 규정을 충족하는 것이다. 안전성 시험 기관에서는 디스크리트 설계를 보다 면밀하게 검사하므로, 디스크리트 설계로 필요한 인증을 취득하려면 반복 작업을 더 여러 번 해야 할 수도 있다.
절연을 위해서는 전원 장치로 복잡성이 더해진다. 비절연형 설계라 하더라도 입력 및 출력 전압 범위, 최대 부하 전류, 잡음 및 리플, 과도 성능, 스타트업 특성 같은 것들을 충족해야 한다. 그런데 절연 벽은 특성적으로 입력과 출력 조건을 동시에 모니터링하기가 쉽지 않으므로 원하는 성능을 달성하기가 좀더 까다롭다. 또한 각각 분리된 접지 도메인이 쌍극 안테나를 형성하고, 절연 벽을 통해서 전달되는 어떠한 공통 모드 전류가 양 극 쪽에 자기장을 형성하며 이로 인해 원치 않는 방사 에너지를 발생시킬 수 있다.
EMC 인증 시험 절차
디스크리트 전원 설계로 EMC 인증을 통과하기 위해서는 반복 작업을 여러 번 해야 할 수 있다. EMC 시험에는 시간과 비용이 들어간다. 외부 EMC 적합성 기관에서 실시하는 시험을 준비하고 모니터링 하는 데에는 많은 시간이 걸린다. 문제가 발생하면 다시 연구실로 돌아와서 수정을 하고 문제를 해결해야 한다. 그런 다음 수정을 한 것으로 다시 특성 분석을 해야 한다. 그런 다음 EMC 기관으로 가져가서 다시 시험을 받아야 한다.마지막 절차는, 안전성 인증을 받는 것이다. 외부 안전성 기관에서 실시하는 이 시험에도 역시 시간과 비용이 들어간다. 설계 팀에서 포괄적인 도큐멘테이션을 준비해야 하며, 해당 기관에서는 이것을 신중하게 검사한다. 특히 새로운 부분에 대해서는 더 철저하게 검사하므로, 이전에 인증을 받은 회로를 재사용하면 유리하다. 만약, 검사 기관에서 안전성 요건을 충족하지 못한다고 판단하면 디스크리트 절연형 전원 설계를 수정해야 한다. 그런 다음에 다시 특성 분석을 하고 EMC 검사를 다시 받아야 한다.
향상된 솔루션
안전성 인증을 취득하고 EMC 성능에 관한 포괄적인 문서를 포함하는 통합 부품을 사용하면 이러한 고민을 해결할 수 있다. isoPower® 기술을 적용한 ADuM5020/ADuM5028 절연형 DC-DC 컨버터 제품이 바로 그러한 솔루션이다. 이들 컨버터 제품은 5V DC 전원으로 최대 0.5W의 절연 전력을 제공하며, -40°C ~ 125°C 범위에서 동작한다. UL, CSA, VDE 같은 시스템 및 부품 차원의 여러 안전성 인증도 취득하고 있다. 또 단순한 2층 PCB로 풀 부하 조건에서 CISPR 22/EN 55022 Class-B 복사 방사 요건을 충족한다(그림 2).그림 2: ADuM5020을 사용해서 간소화된 레이아웃
이들 제품은 소형 패키지(16핀 및 8핀 광폭 SOIC)를 적용함으로써 적은 PCB 면적만을 차지하며, 방사 요건을 충족하기 위해 안전 커패시턴스를 사용할 필요가 없다. 따라서 적정한 커패시턴스를 달성하기 위해서 4층 혹은 그 이상의 층을 필요로 하는 임베디드 스티칭 커패시터 같은 디스크리트 기법에 비해 더 작고 저렴한 절연형 전원 회로를 설계할 수 있다.
제품스펙