글/ 비엔 베리토 A. 하비에르(Bien Verlito Javier) 제품 담당 AE, 제퍼슨 A. 에코(Jefferson Eco) 애플리케이션 개발 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
 

개요

이 글에서는 레거시 아날로그 신호를 산업용 이더넷에 연결하는 문제를 해결하는 데 도움이 되는 소프트웨어 구성 가능 입출력(I/O) 디바이스와 이를 위한 전용 절연 전원 및 데이터 솔루션에 대해 설명한다. 또한 소프트웨어 구성 가능 I/O 디바이스 고유의 채널 유연성과 오류 감지 및 진단 기능의 이점에 대해 알아본다. 마지막으로, 시스템 수준의 평가 결과를 통해 시스템 견고성과 전력 소모를 포함하여 시스템 솔루션의 전반적인 이점을 살펴본다.
 

머리말

산업용 이더넷이 발전함에 따라 공장에서는 연결되고 스마트한 제조가 가능해졌다. 하지만 현장 계측기는 레거시 아날로그 신호(즉, 4 ~ 20mA, 0 ~ 10V)를 사용하여 이더넷 영역에 연결해야 한다. 이는 고정 기능 I/O 모듈에 해결해야 할 과제를 던져준다. 시스템 설계자는 서로 다른 센서와 액추에이터를 포함하는 여러 모듈을 설계해야 하지만, 고정된 기능 모듈의 몇몇 채널들은 사용되지 않은 채 남아 있을 수 있다. 소프트웨어 구성 가능 I/O 모듈을 이용하면 I/O 시스템의 모든 채널을 효율적으로 사용할 수 있다. 또한 케이블 연결이 복잡하면 이러한 고정 기능 I/O에 센서와 액추에이터를 잘못 연결할 수 있다. 이러한 오류를 찾아서 해결하는 데에는 시간이 많이 걸리며, 부하를 I/O 채널에 수동으로 다시 연결해야 하는 번거로움이 요구된다.
소프트웨어 구성 가능 I/O 시스템은 레거시 아날로그 신호에서 산업용 이더넷 영역으로 매끄러운 전환을 제공한다. 소프트웨어 구성 가능 I/O 디바이스는 원격 구성을 통해 어느 채널에나 모든 기능(아날로그 I/O, 디지털 I/O, RTD)을 제공할 수 있어 커미셔닝이 용이하다. 이러한 유연성과 진단 기능을 결합하면 원격 문제해결이 가능하므로 기술자의 시간과 노력을 아낄 수 있다. 그림 1은 레거시 아날로그 신호 방식으로부터 소프트웨어 구성 가능 I/O를 통해 스마트한 디지털 연결 센서로 매끄러운 전환을 제공하는 산업용 연결 기술의 진화를 보여준다.
일례로 아나로그디바이스의 AD74413R 소프트웨어 구성 가능 I/O와 ADP1032 2채널 절연형 마이크로파워 관리 장치(µPMU)의 조합은 견고한 소프트웨어 구성 가능 I/O 솔루션을 제공한다. AD74413R은 자동 오류 감지 및 진단 기능이 내장된 쿼드 채널 소프트웨어 구성 가능 I/O이다. ADP1032는 AD74413R에 절연된 전력과 데이터 채널을 제공하도록 맞춤화되어, 컴팩트하고 절연된 소프트웨어 구성 가능 I/O 시스템을 제공한다.
 

그림 1. 소프트웨어 구성 가능 I/O를 이용한 레거시 디바이스의 이더넷 연결
‘

채널 유연성

다양한 I/O 요구사항을 가진 많은 산업용 애플리케이션들 위해, 시스템 설계자는 각 요구에 맞춰 신속하게 구성할 수 있는 유연한 시스템을 필요로 한다. AD74413R의 4개 채널은 다음과 같은 다양한 입력 및 출력 모드로 구성할 수 있다.

• 높은 임피던스
• 전압 입력
• 전압 출력
• 외부 전원 전류 입력
• 루프 전원 전류 입력
• 전류 출력
• 디지털 입력 로직
• 루프 전원 디지털 입력
• RTD 측정

한 세트의 외부 디스크리트 소자들을 통해 4개 채널 중 어느 채널에서나 모든 기능을 지원할 수 있으므로 완전한 유연성을 제공한다. 만약 액추에이터나 센서가 잘못 배선되었을 경우, 단일 SPI로 채널을 재구성할 수 있다.
 
사용 가능한 모든 기능은 단일 패키지에서 제공된다. 이에 따라 하드웨어 설계에 필요한 부품 수가 더 적기 때문에 다음과 같은 이점이 있다:

• 조립 및 테스트 비용 절감
• 더 높은 신뢰성과 더 쉬운 디버깅
• 간소화된 조달
• 범용 I/O를 디스크리트로 구현한 것보다 더 높은 채널 밀도

 
그림 2는 연결된 부하와 관계없이 AD74413R의 모든 기능을 지원하는 데 필요한 외부 부품을 보여준다.


그림 2. AD74413R와 모든 기능에 필요한 외부 부품

 

오류 감지 및 진단 기능

AD74413R은 자동 오류 감지 기능과 다양한 진단 기능을 갖고 있어 오류를 차단하는 데 도움이 된다. ALERT 핀을 오류 조건에서 마이크로컨트롤러를 인터럽트하는 데 사용할 수 있으며, 이후 사용자는 경고 레지스터를 조사하여 오류의 정확한 원인을 결정할 수 있다. 또한 사용자는 진단 신호를 활성화하여 식별된 오류를 자세히 진단할 수 있다.


그림 3. 소프트웨어 구성 가능 I/O 오류 감지
 
AD74413R은 다음과 같은 오류를 감지할 수 있다.

• 리셋
• 캘리브레이션 메모리 오류
• SPI CRC 오류
• ADC 오류
• 전원 공급장치 오류
• 온도 오류
• 개방 회로/단락 회로 오류

 
이러한 기능들을 활용하여 사용자는 시스템에서 발생하는 모든 오류를 원격에서 해결할 수 있다. 기존 시스템에서는 센서와 액추에이터가 제어실로부터 멀리 떨어져 잠재적으로 위험한 장소에 설치되는 경우가 많고, 복잡한 케이블 연결로 인해 어떤 케이블이 어떤 센서나 액추에이터에 연결되어 있는지 알기가 어렵다. 이러한 시스템을 물리적으로 재배선하는 작업은 많은 비용과 시간이 소요된다. AD74413R 모듈은 구성 가능성과 진단 기능을 제공하므로 특정 채널에 어떤 센서나 액추에이터가 연결되었는지를 확인할 수 있다.
 

그림 4. AD74413R 디스크리트 전원 솔루션의 블록 다이어그램
 

절연된 전원 및 데이터 솔루션

디스크리트 구현

AD74413R을 위한 디스크리트 절연 전원 솔루션은 그림 4에서 보듯이 여러 부품을 필요로 한다. 별도의 절연기를 사용하여 전원과 데이터 절연을 제공하므로 부품 수가 늘어나 그만큼 보드 공간을 많이 차지하는 문제가 따른다.

 

ADP1032 솔루션

그림 5는 ADP1032에서 전력을 공급받는 AD74413R의 블록 다이어그램을 나타낸다. ADP1032는 2개의 절연 및 레귤레이트된 레일과 7개의 데이터 절연 채널을 모두 하나의 패키지에 통합함으로써 절연 전원과 데이터 채널의 요구사항을 만족한다. 그 결과, 디스크리트 방식의 전원 및 데이터 절연 솔루션에 비해 보드 공간이 3배까지 작아지므로 사용자는 모듈의 전체 채널 밀도를 높일 수 있다. AD74413R의 4개 SPI 신호는 ADP1032의 고속 절연 데이터 채널을 사용한다. 이들 채널은 15ns의 낮은 전파 지연에 최적화돼 최대 16.6MHz의 SPI 클록 속도를 지원한다. 저속 절연 데이터 채널은 , ,  신호와 같이 타이밍이 중요하지 않은 경우 사용된다.


그림 5. ADP1032에서 전력을 공급 받는 AD74413R의 블록 다이어그램
 

시스템 견고성

AD74413R 시스템 솔루션은 혹독한 산업 환경에서도 안정적으로 동작하도록 설계되었으며 다음과 같은 보호 기능을 제공한다.

• 나사 단자의 TVS (서지 보호용)
• 핀의 맞은편 나사 단자는 ±50VDC 이상을 견딤 (과도 전압 보호용)
• 배선이 잘못된 경우, 전력은 나사 단자에서 디바이스로 공급되지 않음

 
SPI CRC 및 SCLK 카운트 기능은 잘못된 SPI 트랜잭션이 발생하지 않도록 보장한다. ADP1032는 AD74413R의 2개 양극 레일에 절연 전원을 제공하고 4개의 SPI 신호와 3개의 GPIO 신호의 데이터를 절연한다. ADP1032는 오염 등급 2(Pollution Degree 2)에 맞춰 최대 300V의 기본 절연을 제공한다. ADP1032에서 전원 및 데이터 채널의 갈바닉 절연은 고전압 과도 상태로부터 시스템을 보호하고, 접지 루프의 잡음을 줄이며, 물리적 안전을 제공한다.


그림 6. ADP1032 + AD74413R 소프트웨어 구성 가능 I/O 시스템의 견고성
 
ADP1032 와 AD74413R은 완전한 시스템으로서 측정 및 검증되었으며, 그림 7과 같이 6dB 이상 여유 있게 CISPR 11 Class-B 복사 방사 레벨을 준수한다.


그림 7. AD74413R + ADP1032 복사 방사는 CISPR Class-B를 통과했다.

 

전력 소모

유연한 다중 채널 시스템을 사용하는 것은 시스템 전력 소모 면에서 상충하는 측면이 있다. AD74413R 소프트웨어 구성 가능 I/O의 각 채널은 다양한 모드로 구성할 수 있지만, AD74413R의 전원 공급장치는 단일 출력 전압에 고정되기 때문이다. 각 모드의 적절한 동작을 보장하려면 설계자는 필요한 전압 헤드룸과 부하 특성을 고려하여 최악의 조건을 지원할 수 있도록 가장 높은 AD74413R AV_DD 공급 전압을 선택해야 한다. 다음과 같이 AD74413R이 전류 출력 모드에 있고, 부하 저항이 600Ω, 입력 전류 범위가 최대 20mA인 활용 사례를 가정해 보자. 이 경우, 나사 단자에는 최대 출력 전압이 12V가 된다. AD74413R 데이터 시트에 따라 전류 출력 모드에 요구되는 헤드룸 전압은 4.6V이다. 헤드룸 전압을 최대 출력 전압에 더하면 16.6V가 되며, 이 전압이 전류 출력 모드에서 AD74413R에 필요한 최소 AV_DD 전원이다. 다른 입력 및 출력 모드에 대해 동일한 AV_DD 전원 전압 계산을 수행해야 하며, 결과값들 중에서 가장 높은 AV_DD 전압을 ADP1032 V_OUT1의 출력으로 사용해야 한다.


그림 8. ADP1032 + AD74413 블랙박스 그림
 
ADP1032 + AD74413R 시스템 전력 손실은 전체 시스템을 블랙 박스로 취급하여 그림 8과 같이 시스템에 공급되는 입력 전력(P_IN)에서 부하에 공급되는 출력 전력(P_OUT)을 빼면 간단히 계산할 수 있다. 시스템 전력 손실은 ADP1032 전력 변환으로 인한 손실, AD74413R 무부하 전류, 디지털 채널 절연기의 무부하 전류, 그리고 AD74413R 출력 경로의 손실, 특히 필요한 헤드룸을 포함할 수 있다. 그림 9는 동일한 동작 모드와 동일한 부하 특성으로 구성된 AD74413R의 4개 채널 모두에서 시스템 전력 손실을 보여준다. 이 예시에서 AD74413R AV_DD에 전력을 공급하는 ADP1032 V_OUT1 출력은 16.6V로 설정되었다. 이 전압은 사전 정의된 부하와 입출력 조건에서 모든 다양한 동작 모드를 지원한다고 가정한다. ADP1032의 입력 전원은 24V이다. 시스템 전력 손실은 전류 출력 모드에서 더 나쁜데, 그림 9에서 볼 수 있듯이 이 경우 풀 스케일 출력으로 동작하는 4개 채널에서 여전히 1W에 가깝다. 전력 손실은 부하뿐 아니라 AD74413R의 입력 및 출력 레벨로부터 많은 영향을 받는다.


그림 9. 다양한 동작 모드와 부하(4개 채널 모두 동일한 구성)에서 AD74413R + ADP1032 시스템의 전력 손실. ADP1032 입력 전원 = 24V.
 
ADP1032에 대한 입력 전원(V_INP)을 선택할 때는 주의가 필요하다. ADP1032 V_INP를 선택하면 AD74413R에 공급되는 ADP1032의 최대 출력 전류가 결정된다. 그림 10은 V_INP 범위에서 다양한 V_OUT1 설정에 대한 ADP1032의 최대 출력 전류를 보여준다. ADP1032에 대해 선택된 입력 전원은 4개 채널이 모두 20mA의 최대 출력 전류를 구동하는 출력 전류 모드의 경우와 같이 최악의 조건에서도 AD74413R의 전류 요구를 지원할 수 있어야 한다.


그림 10. 전체 입력 전원 전압에서 다양한 출력 전압별 ADP1032 V_OUT1 최대 출력 전류
 
결론
공장의 디지털화는 생산량, 공장 가동률, 그리고 노동 생산성을 향상시킨다. 그러나 레거시 시스템에는 10BASE-T1L 지원 센서와 액추에이터가 없기 때문에 디지털 공장으로 전환하기가 어렵다. ADP1032와 결합한 AD74413R 소프트웨어 구성 가능 I/O는 이더넷 지원 현장 계측기에 대한 간극을 메워준다. AD74413R의 4개 채널은 유연하며, 8개의 서로 다른 I/O 구성으로 각각 프로그래밍할 수 있다. 또한 오류 감지 및 진단 기능이 포함돼 시스템의 디버깅 및 시운전 시간을 절약한다. 진단 기능은 유지보수를 위해 시스템을 모니터링하는 데에도 사용할 수 있다. 마지막으로, ADP1032는 데이터와 전원을 전기적으로 격리하므로 전원과 데이터의 안전하고 효율적인 전송을 보장한다.
 

참고문헌

Misthal, Barry, Reinhard Geissbauer, Jesper Vedso, and Stefan Schrauf. “Industry 4.0: Building the Digital Enterprise.” PwC, 2016.
O’Dowd, Brendan. “10BASE-T1L: Extending the Scope for Big Data Analytics to the Edge of the Factory Network.” Analog Devices, Inc., 2020.
O’Brien, Maurice and Volker E. Goller. “Enabling Seamless Ethernet to the Field with 10BASE-T1L Connectivity.” Analog Devices, Inc., 2021.
Uenlue, Hakan. “How Software Configurable Hardware Helps for Flexibility in Industrial I/O Modules.” Analog Devices, Inc., 2021.
 

저자 소개

비엔 베리토 A. 하비에르(Bien Verlito A. Javier)는 현재 ADI 필리핀의 제품 담당 애플리케이션 엔지니어(AE)로 재직 중이다. 2011년 9월에 ADI에 입사하여 제품 엔지니어링, 설계 평가, 제품 애플리케이션 등 분야에서 다양한 엔지니어링 업무를 수행했다. 필리핀 마라곤돈 캠퍼스의 폴리테크닉 대학교에서 전자공학 학사 학위를 받았다.
제퍼슨 A. 에코(Jefferson A. Eco)는 현재 ADI 필리핀의 애플리케이션 개발 엔지니어로 재직 중이다. 2011년에 ADI에 입사했다. 현재 1개의 미국 특허를 보유하고 있으며, GSPS ADC 전원 공급 스위칭 레귤레이터와 페라이트 비드 이해를 주제로 하는 기술 서적을 저술/공동 저술했다. 주요 취급 제품 분야는 산업용 애플리케이션을 위한 전력 관리와 플라이백, 벅, 인버팅 벅-부스트 같은 다양한 토폴로지의 범용 DC-DC 컨버터 및 LDO 레귤레이터이다. 필리핀 나가시에 있는 까마리네 설 폴리테크닉 대학교에서 전자공학 학사 학위를 받았다.