[기술기고] 극히 통합적인 전원관리 IC를 사용해서 산업용 디자인 크기 축소 (上)

산업제조 분야로 대대적인 혁신이 일어나고 있다. 산업4.0과 산업용IoT(IIoT)가 가속화하고 있으며, 기업들이 갈수록 더 많은 센서들로부터 더 많은 데이터를 수집하고 있다. 이 데이터를 분석해서 유용한 통찰을 이끌어내고 제조설비를 더 효율적으로 가동할 수 있다.

스마트팩토리로 예측적 유지보수에 기반을 둔 유지, 보수, 가동(MRO)체계를 구축할 수 있으며, 이를 위해서는 예를 들어서 진동센서를 사용해서 모터의 베어링 마모를 감지하는 것과 같은 상태모니터링이 중요하다. 이와 같은 새로운 통찰을 활용하고 설비가동을 최적화함으로써 제조설비를 서비스 기반 가동으로 전환하는 대대적인 혁신을 이룰 수 있다. 실제로 많은 산업 제조 장비회사들이 이렇게 하고 있다.

하지만 데이터 지향적 산업환경을 구축하기 위해서는 콤팩트한 센서와 견고한 통신 게이트웨이에서부터 필수적인 프로그래머블 컨트롤러 하드웨어에 이르기까지 방대한 양의 장비들이 필요하다. 그러므로 상당한 비용이 소요될 뿐만 아니라, 이들 장비들을 공장 플로어로 어떻게 설치할지 또한 면밀하게 고려해야 한다. 플랜트 플로어 공간은 매우 귀중한 자산이며, 특정 제조라인으로 모든 제어장비를 단일의 제어 캐비닛 안으로 집어넣어야 한다.

이처럼 공간은 제한적인 데 집어넣어야 할 전자시스템은 갈수록 늘어나고 있다. 그러므로 디자인의 크기를 축소하려면 되도록 크기가 작은 수동부품과 IC를 선택해야 한다. 솔루션을 콤팩트하게 하려면 통합 수준을 높여야 하는데, 그러려면 열 관리와 EMI 특성이 중요해진다. 열 관리 문제가 발생되지 않게 하려면 에너지 효율이 높아야 한다.

애플리케이션 예
디자인의 크기를 작게 하는 것과 더불어, 전기적으로 잡음이 심한 환경으로 시스템이 신뢰하게 작동해야 한다. 자동화가 고도화될수록 전기 구동기계 장비들이 늘어날 것이다. 예를 들어서 모터와 엑추에이터가 높은 전압 트랜션트를 발생시킬 수 있다.

트랜션트 스파이크는 민감한 회로들을 손상시키고 센서 측정시의 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 특히 아날로그 신호를 사용하는 경우에 그렇다. 아날로그 신호를 측정하고 되도록 재빨리 디지털 도메인으로 변환하기는 하나, 그렇더라도 여전히 아날로그-디지털컨버터(ADC)와 디지털-아날로그컨버터(DAC) 회로가 이러한 전도 트랜션트에 취약하다. 절연은 신호를 전기적 또는 갈바닉적으로 분리시키는 것으로서 절연을 사용해서 트랜션트의 영향을 완화할 수 있다.

연결된 회로로 손상을 방지하고 전기 안전규격 승인을 통과하기 위해서도 절연은 중요하다. 센서와 ADC와 호스트 마이크로컨트롤러 사이에 절연을 해야 한다. 예를 들어서 상태모니터링으로 센서를 라인 전원으로 구동하는 모터로 곧바로 연결할 수 있는데, 그러면 이 경로로 부유전압이 호스트로 반사될 수 있다. 이럴 때 절연을 함으로써 센서나 ADC로 발생되는 전압 스파이크나 누설 전류가 마이크로컨트롤러로 도달하지 못 하도록 막을 수 있다.

또한 ADC로 절연형 전원을 사용해야 할 수 있다. 이러한 절연을 달성하기 위해서는 전원과 데이터 신호 둘 다 절연해야 하며, 그림 1에서 보듯이 절연형 DC-DC 컨버터와 디지털 신호 절연 IC를 사용해서 설계할 수 있다.


글 / 마우저일렉트로닉스(Mouser Electronics) 사이먼더글비(Simon Duggleby)