기술기고문
공정 제어에서 아날로그 출력에 견고성과 보호기능을 지원하는 정밀 솔루션
글: 데이비드 포드(David Forde) 애플리케이션 엔지니어, 클레어 크로크(Claire Croke) 마케팅 엔지니어, 진 맥애덤(Jean McAdam) 전략 마케팅 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
산업 현장에서는 유량, 온도, 압력 같은 공정 파라미터를 관리하기 위해서 액추에이터의 정밀하고도 견고한 제어가 요구된다. 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)나 분산 제어 시스템(DCS) 같은 정밀 아날로그 출력 모듈을 사용하면 이러한 액추에이터를 제어하기 위한 전압 또는 전류 출력을 발생할 수 있다. 이러한 모듈은 열악한 산업용 환경에서 견고하면서 신뢰할 수 있고 정밀한 출력을 제공해야 한다.
아나로그디바이스(Analog Devices)의 AD5423 단일 채널 16비트 I/V 출력 DAC와 ADG5401F 과전압 보호 SPST 스위치를 함께 사용하면 아날로그 출력 모듈의 이와 같은 요구를 충족할 수 있다.
정밀도
AD5423의 가장 큰 특징은 정밀도이다. TUE는 25°C에서 ±0.01% 정도로 낮고(온도에 걸쳐서는 ±0.05%), 정격 출력 드리프트는 0.35ppm FSR/°C이다. 전류 출력 모드에서도 TUE는 마찬가지로 25°C에서 ±0.01%이고, 정격 출력 드리프트는 2ppm FSR/°C이다. 차동 비선형성(DNL)은 모든 출력 모드에서 ±1 LSB이고 단조성(monotonic)을 보장한다.
ADG5401F 정밀 스위치는 온 저항(RON) 사양이 6W이고, 내부에 이차 피드백 채널을 포함하고 있으며, 이 채널을 사용해서 채널 IOUT/VOUT을 AD5423의 +VSENSE 입력으로 연결한다. 이렇게 함으로써 ADG5401F의 온 저항 변동으로 인한 어떠한 오차도 제거할 수 있다. 온도 범위에서 ADG5401F의 최대 온(on) 누설은 40nA이다. 이 누설이 16비트 4mA ~ 20mA 전류 출력 DAC 상에서 1 LSB 미만이므로 출력 신호 체인에서 정밀도를 유지하고 동적 범위를 극대화한다.
견고성
ADG5401F 과전압 보호 SPST 스위치는 AD5423 DAC의 아날로그 출력에 사용되어, 전원을 켠 상태와 전원을 켜지 않은 두 가지 상태 모두에서 과전압 조건에 대한 보호 기능을 제공한다. ADG5401F는 소스(S) 및 소스 피드백(SFB) 핀에서 ±60V에 이르는 과전압을 견딜 수 있다. 이로써 시스템 전원 중단, 배선 실수, 전원 시퀀싱 문제 등으로 인해 정밀 아날로그 출력 노드들이 손상되는 것을 방지한다. 그림 1은 아날로그 출력 모듈에서 AD5423과 ADG5401F를 어떻게 연결하는지 보여준다.
그림 1: AD5423과 ADG5401F 연결
ADG5401F의 전원 전압이 과전압 결함 임계를 설정한다. 따라서 소스 핀(S 또는 SFB) 상의 전압이 ADG5401F 전원 전압보다 높으면 이를 결함으로 감지하고 메인 스위치 채널과 이차 피드백 채널이 자동으로 개방된다.
장애가 발생하는 동안에는 이들 스위치 채널들이 개방되어서 어떠한 높은 결함 전류가 DAC 출력이나 시스템 전원으로 흐르는 것을 막는다. 과전압 이벤트 시에 높은 결함 전류가 흐르지 않으므로, 결함 시에 전력 소모로 인한 문제를 일으키지 않는다. 따라서 시스템 전원을 설계할 때의 수고를 줄일 수 있다. ADG5401F를 사용하면 출력 신호 경로에서 전류 제한 저항을 없앨 수 있다. 일부 애플리케이션에서는 이들 저항이 헤드룸 이슈를 야기할 수 있다.
ADG5401F는 개방 루프 방지 스위치를 포함한다. VOUT/IOUT 노드로 최대 ±60V에 이르는 과전압 신호가 가해지면, ADG5401F가 과전압 보호 모드를 실행함으로써 메인 채널과 이차 피드백 채널 스위치가 개방된다. 이와 동시에 D와 DFB 사이에 연결된 내부 개방 루프 방지 스위치가 닫힌다. 이 개방 루프 방지 스위치가 DAC 출력 피드백 루프를 손상되지 않도록 보호하고 DAC가 출력을 레일에 이르기까지 구동하지 못하도록 방지한다.
IEC 61000-4-2 ESD, IEC 61000-4-4 전기적 고속 트랜젼트(EFT), IEC 61000-4-5 서지 같은 고전압 트랜젼트에 대한 보호를 위해서는 디스크리트 저항과 트랜젼트 전압 억제(TVS) 디바이스를 사용해서 그림 2와 같이 회로를 구현해야 한다. 이 저항이 시스템 출력에 어떠한 오차를 추가하지 않도록 하기 위해서는 이 저항을 시스템의 피드백 루프 안에 들어가도록 배치한다.
그림 2: ADG5401F 회로도
표 1: 고전압 트랜젼트 보호
진단
AD5423은 12비트 내부 진단 ADC를 포함하고 있으며 전원, 접지, 내부 다이 온도, 레퍼런스 같은 사용자 선택가능 입력들에 대한 진단 정보를 제공한다.
온보드 진단 레지스터는 다양한 결함 상황을 지시하는 플래그를 포함하고 있으며, 어떠한 결함이 발생하면 FAULT 핀을 트리거한다. 전압 출력 모드에서는 단락 회로 검출을 모니터링하고, 전류 출력 모드에서는 개방 회로 검출을 모니터링한다. 또한 AD5423은 CRC(cyclic redundancy check) 기능을 제공하는데, 이는 수신된 데이터를 검사해서 전류 데이터 패키지가 적절하지 않은 것으로 판단되면 FAULT 핀을 트리거한다. 온도 모니터링도 할 수 있ㄴ는데, 다이 온도가 지정된 한계를 넘으면 결함을 선언한다.
그림 3: AD5423 기능 블록 다이어그램
맺음말
AD5423과 ADG5401F를 함께 사용함으로써, 산업 공정 애플리케이션에서 요구되는 정밀도와 견고성을 달성할 수 있다. AD5423의 16비트 I/V 출력은 최신 아날로그 출력 모듈에 필요로 하는 정밀한 제어 신호를 제공하고, ADG5401F는 열악한 환경에서도 정밀도를 유지하고 외부 스트레스에 대한 견고한 보호 기능을 제공한다.
저자 소개
데이비드 포드(David Forde)는 2006년에 레이아웃 엔지니어로 아나로그디바이스에 입사했다. 칼로우 공과대학에서 IC 설계를 전공했다. 2011년에 리머릭 대학에서 VLSI 시스템을 전공으로 석사학위를 취득했다. 2015년에 계측 및 정밀 기술 그룹에 애플리케이션 엔지니어로 합류하면서 아날로그 스위치 및 멀티플렉서 제품 지원을 맡고 있다. 문의: david.forde@analog.com
클레어 크로크(Claire Croke)는 1999년에 아나로그디바이스에 입사했으며, 현재 정밀 스위치 및 멀티플렉서 그룹에서 마케팅 엔지니어로 재직 중이다. 그 전에는 정밀 컨버터 애플리케이션 팀에서 근무했다. 아일랜드의 리머릭 대학에서 전자공학을 전공했다. 문의: claire.croke@analog.com
진 맥애덤(Jean McAdam)은 아나로그디바이스의 공정 제어 및 자동화 전략 마케팅 엔지니어이다. 그 전에는 ADI의 플랫폼 고객 평가 솔루션 지원을 위한 마케팅 직책과 소프트웨어 시스템 엔지니어 및 소프트웨어 개발자 직책을 역임했다. 리머릭 대학에서 전자컴퓨터공학을 전공했다. 문의:
산업 현장에서는 유량, 온도, 압력 같은 공정 파라미터를 관리하기 위해서 액추에이터의 정밀하고도 견고한 제어가 요구된다. 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)나 분산 제어 시스템(DCS) 같은 정밀 아날로그 출력 모듈을 사용하면 이러한 액추에이터를 제어하기 위한 전압 또는 전류 출력을 발생할 수 있다. 이러한 모듈은 열악한 산업용 환경에서 견고하면서 신뢰할 수 있고 정밀한 출력을 제공해야 한다.
아나로그디바이스(Analog Devices)의 AD5423 단일 채널 16비트 I/V 출력 DAC와 ADG5401F 과전압 보호 SPST 스위치를 함께 사용하면 아날로그 출력 모듈의 이와 같은 요구를 충족할 수 있다.
정밀도
AD5423의 가장 큰 특징은 정밀도이다. TUE는 25°C에서 ±0.01% 정도로 낮고(온도에 걸쳐서는 ±0.05%), 정격 출력 드리프트는 0.35ppm FSR/°C이다. 전류 출력 모드에서도 TUE는 마찬가지로 25°C에서 ±0.01%이고, 정격 출력 드리프트는 2ppm FSR/°C이다. 차동 비선형성(DNL)은 모든 출력 모드에서 ±1 LSB이고 단조성(monotonic)을 보장한다.
ADG5401F 정밀 스위치는 온 저항(RON) 사양이 6W이고, 내부에 이차 피드백 채널을 포함하고 있으며, 이 채널을 사용해서 채널 IOUT/VOUT을 AD5423의 +VSENSE 입력으로 연결한다. 이렇게 함으로써 ADG5401F의 온 저항 변동으로 인한 어떠한 오차도 제거할 수 있다. 온도 범위에서 ADG5401F의 최대 온(on) 누설은 40nA이다. 이 누설이 16비트 4mA ~ 20mA 전류 출력 DAC 상에서 1 LSB 미만이므로 출력 신호 체인에서 정밀도를 유지하고 동적 범위를 극대화한다.
견고성
ADG5401F 과전압 보호 SPST 스위치는 AD5423 DAC의 아날로그 출력에 사용되어, 전원을 켠 상태와 전원을 켜지 않은 두 가지 상태 모두에서 과전압 조건에 대한 보호 기능을 제공한다. ADG5401F는 소스(S) 및 소스 피드백(SFB) 핀에서 ±60V에 이르는 과전압을 견딜 수 있다. 이로써 시스템 전원 중단, 배선 실수, 전원 시퀀싱 문제 등으로 인해 정밀 아날로그 출력 노드들이 손상되는 것을 방지한다. 그림 1은 아날로그 출력 모듈에서 AD5423과 ADG5401F를 어떻게 연결하는지 보여준다.
그림 1: AD5423과 ADG5401F 연결
ADG5401F의 전원 전압이 과전압 결함 임계를 설정한다. 따라서 소스 핀(S 또는 SFB) 상의 전압이 ADG5401F 전원 전압보다 높으면 이를 결함으로 감지하고 메인 스위치 채널과 이차 피드백 채널이 자동으로 개방된다.
장애가 발생하는 동안에는 이들 스위치 채널들이 개방되어서 어떠한 높은 결함 전류가 DAC 출력이나 시스템 전원으로 흐르는 것을 막는다. 과전압 이벤트 시에 높은 결함 전류가 흐르지 않으므로, 결함 시에 전력 소모로 인한 문제를 일으키지 않는다. 따라서 시스템 전원을 설계할 때의 수고를 줄일 수 있다. ADG5401F를 사용하면 출력 신호 경로에서 전류 제한 저항을 없앨 수 있다. 일부 애플리케이션에서는 이들 저항이 헤드룸 이슈를 야기할 수 있다.
ADG5401F는 개방 루프 방지 스위치를 포함한다. VOUT/IOUT 노드로 최대 ±60V에 이르는 과전압 신호가 가해지면, ADG5401F가 과전압 보호 모드를 실행함으로써 메인 채널과 이차 피드백 채널 스위치가 개방된다. 이와 동시에 D와 DFB 사이에 연결된 내부 개방 루프 방지 스위치가 닫힌다. 이 개방 루프 방지 스위치가 DAC 출력 피드백 루프를 손상되지 않도록 보호하고 DAC가 출력을 레일에 이르기까지 구동하지 못하도록 방지한다.
IEC 61000-4-2 ESD, IEC 61000-4-4 전기적 고속 트랜젼트(EFT), IEC 61000-4-5 서지 같은 고전압 트랜젼트에 대한 보호를 위해서는 디스크리트 저항과 트랜젼트 전압 억제(TVS) 디바이스를 사용해서 그림 2와 같이 회로를 구현해야 한다. 이 저항이 시스템 출력에 어떠한 오차를 추가하지 않도록 하기 위해서는 이 저항을 시스템의 피드백 루프 안에 들어가도록 배치한다.
그림 2: ADG5401F 회로도
표 1: 고전압 트랜젼트 보호
| IEC 61000-4 트랜젼트 | 보호 레벨 (kV) |
| ESD (컨택트) | ±6 |
| EFT | ±4 |
| 서지 | ±4 |
진단
AD5423은 12비트 내부 진단 ADC를 포함하고 있으며 전원, 접지, 내부 다이 온도, 레퍼런스 같은 사용자 선택가능 입력들에 대한 진단 정보를 제공한다.
온보드 진단 레지스터는 다양한 결함 상황을 지시하는 플래그를 포함하고 있으며, 어떠한 결함이 발생하면 FAULT 핀을 트리거한다. 전압 출력 모드에서는 단락 회로 검출을 모니터링하고, 전류 출력 모드에서는 개방 회로 검출을 모니터링한다. 또한 AD5423은 CRC(cyclic redundancy check) 기능을 제공하는데, 이는 수신된 데이터를 검사해서 전류 데이터 패키지가 적절하지 않은 것으로 판단되면 FAULT 핀을 트리거한다. 온도 모니터링도 할 수 있ㄴ는데, 다이 온도가 지정된 한계를 넘으면 결함을 선언한다.
그림 3: AD5423 기능 블록 다이어그램
맺음말
AD5423과 ADG5401F를 함께 사용함으로써, 산업 공정 애플리케이션에서 요구되는 정밀도와 견고성을 달성할 수 있다. AD5423의 16비트 I/V 출력은 최신 아날로그 출력 모듈에 필요로 하는 정밀한 제어 신호를 제공하고, ADG5401F는 열악한 환경에서도 정밀도를 유지하고 외부 스트레스에 대한 견고한 보호 기능을 제공한다.
저자 소개
데이비드 포드(David Forde)는 2006년에 레이아웃 엔지니어로 아나로그디바이스에 입사했다. 칼로우 공과대학에서 IC 설계를 전공했다. 2011년에 리머릭 대학에서 VLSI 시스템을 전공으로 석사학위를 취득했다. 2015년에 계측 및 정밀 기술 그룹에 애플리케이션 엔지니어로 합류하면서 아날로그 스위치 및 멀티플렉서 제품 지원을 맡고 있다. 문의: david.forde@analog.com
클레어 크로크(Claire Croke)는 1999년에 아나로그디바이스에 입사했으며, 현재 정밀 스위치 및 멀티플렉서 그룹에서 마케팅 엔지니어로 재직 중이다. 그 전에는 정밀 컨버터 애플리케이션 팀에서 근무했다. 아일랜드의 리머릭 대학에서 전자공학을 전공했다. 문의: claire.croke@analog.com
진 맥애덤(Jean McAdam)은 아나로그디바이스의 공정 제어 및 자동화 전략 마케팅 엔지니어이다. 그 전에는 ADI의 플랫폼 고객 평가 솔루션 지원을 위한 마케팅 직책과 소프트웨어 시스템 엔지니어 및 소프트웨어 개발자 직책을 역임했다. 리머릭 대학에서 전자컴퓨터공학을 전공했다. 문의:
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