LDO의 전력 및 열 단점을 극복한 벅 조정기

설계자는 4mA ~ 20mA 전류 루프 설계를 사용하는 산업용 감지 및 IoT 시스템에 전력을 공급하기 위해 종종 저드롭아웃 조정기(LDO)를 기본적으로 사용합니다. 하지만 LDO는 전력 소모가 많고 공간 제약이 있는 응용 분야에는 점점 더 비효율적인 옵션이 되고 있습니다. 따라서 설계자는 특히 에너지 효율, 열 성능 및 배터리 수명 연장이 중요한 응용 분야에서 강압 컨버터라고도 하는 벅 조정기로의 전환을 고려해야 합니다.

4mA ~ 20mA 전류 루프는 센서에서 PLC(프로그래밍 가능 논리 컨트롤러)로 측정값을 전송하고 PLC에서 프로세스 변조 장치로 제어 출력을 전송하는 견고하고 신뢰할 수 있는 방법입니다. 이 시스템은 꼬임 쌍 케이블을 사용하여 장거리에서도 정확하고 잡음에 강한 신호 전송을 보장하므로, 다양한 산업 환경에 이상적입니다. 전선 길이에 상관없이 일정한 전류를 보장하는 이 시스템은 공장, 연구실, 원격 모니터링 응용 분야의 표준으로 사용됩니다.

전류 루프에 대해 LDO와 스위칭 조정기 간 트레이드오프를 평가하는 것은 보다 스마트하고 지속 가능한 설계를 구현하는 데 도움이 될 수 있습니다.

LDO는 초저잡음, 간소화된 자재 명세서(BOM), 매우 낮은 전압 여유에서도 안정적인 제어라는 이점으로 일부 응용 분야에 여전히 유용합니다. 그러나 입력 전압과 출력 전압의 차이를 열로 소모하기 때문에, 본질적으로 효율이 떨어집니다. 이 손실된 에너지는 응용 제품 내 열 부하를 증가시키며, 휴대용 또는 원격 응용 분야에서는 배터리 수명을 크게 감소시킬 수 있습니다.

효율성, 열 성능 또는 배터리 구동 시간이 중요한 경우, 동기식 벅 컨버터가 더 우수한 선택지가 될 가능성이 높습니다. 최신 동기식 벅은 밀리암페어 수준의 부하에서도 85% ~ 95%의 효율을 제공하며, 발열을 크게 줄이고, 이제는 수 µA 수준의 정동작 전류를 제공할 수 있습니다. LDO가 초과 전압을 열로 소모하는 반면, 벅 조정기는 해당 초과 전압을 유용한 전류로 효율적으로 변환하여, 과열이나 에너지 낭비 없이 고전력 기능을 제공할 수 있습니다.

이러한 특성으로 인해, 벅 조정기는 입력 전압 여유가 몇 볼트 이상이고 열 효율이 요구되거나 제한된 전력으로 장시간 동작해야 하는 4mA ~ 20mA 루프(예: 배터리 구동 센서)에 적합한 솔루션으로 널리 사용됩니다.

설계의 공급 전압이 전류 루프의 송신기에 필요한 전압보다 약 6V 높고, 기판에 소형 인덕터와 출력 커패시터를 위한 공간이 있는 경우, 고효율 동기식 벅 조정기가 일반적으로 가장 적합합니다. 이 장치는 전압을 효율적으로 강하시키고, 불필요한 열 손실을 최소화하며, 4mA ~ 20mA 루프 내 추가 기능을 구동할 수 있을 만큼의 전류를 보장합니다. 이로 인해 산업 환경에서 신뢰성과 에너지 효율을 모두 요구하는 최신 송신기에 이상적인 솔루션이 됩니다.

벅 조정기의 열적 이점은 고전류 고온 산업 모듈의 방열 요구 사항을 크게 줄여 줍니다. 5µA 벅도 배터리 전압의 상당 부분을 열로 낭비하는 LDO보다 효율성이 뛰어납니다.

루프 구동

4mA ~ 20mA 전류 루프는 현장의 센서와 해당 데이터를 사용하는 제어 시스템 간에 정보를 전송하는 가장 일반적인 방법 중 하나입니다. 신호는 온도, 압력, 유량 또는 밸브를 움직이라는 명령을 나타낼 수 있습니다. 또한 간단하고 안정적이며 장거리에서도 잘 작동합니다.

전류 루프(그림 1)는 계측기(온도 또는 압력 센서)의 측정 신호를 전달하거나 제어 신호를 메커니즘을 이동하거나 조정하는 장치(예: 밸브 포지셔너)로 전달할 수 있습니다.

그림 1: 4mA ~ 20mA 전류 루프 회로도는 산업 자동화, 센서 시스템 및 공정 제어 응용 분야에서 전압 대신 전류를 사용하여 아날로그 신호를 전송하는 방법을 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

전류 루프는 네 가지 핵심 요소를 통합합니다.

• DC 전원 공급 장치: 설정에 따라 9V, 12V, 24V 이상이 될 수 있습니다. 전원 공급 장치는 전류가 흐를 때 루프의 모든 구성 요소(송신기, 수신기, 배선)가 '강하'하는 전압보다 최소 약 10% 이상의 여유 전압을 제공해야 합니다. 그런 다음 로컬 조정기가 이 전압을 낮춰 센서와 전자 장치에 전력을 공급합니다.
• 센서 측의 송신기는 물리적 세계를 나타내는 전기 신호를 전달합니다. 센서는 온도, 압력, 거리 또는 기타 물리적 측정값에 대한 원시 신호를 생성합니다. 아날로그 전압인 경우, 송신기의 전압-전류 컨버터가 이를 4mA에서 20mA 사이의 비례 전류로 변환합니다. 디지털 센서인 경우 출력은 DAC를 통해 아날로그 전류로 다시 변환됩니다. 송신기에는 LDO 또는 벅 조정기와 같은 자체 전원 공급 장치가 있습니다.
• 제어 측의 수신기: 수신기는 4mA ~ 20mA 신호를 읽고 제어 시스템이 측정, 표시 또는 작동할 수 있는 전압으로 변환합니다.
• 루프 배선은 전원 공급 장치, 송신기, 수신기를 직렬로 연결합니다. 루프는 수천 피트까지 연결할 수 있습니다. 2선 시스템에서는 동일한 두 개의 전선이 전원과 신호 전류를 모두 전달합니다. 4선 시스템은 전원과 신호에 별도의 쌍을 사용합니다.

전류 루프의 부품은 온도가 -40°C에서 +105°C까지 변동할 수 있는 거친 산업 환경에서도 정확하고 에너지 효율적이며 신뢰할 수 있어야 합니다. 또한 루프를 안전하고 안정적으로 유지하는 데 필요한 보안 및 시스템 수준 기능도 지원해야 합니다.

한계 극복

선형 조정기는 사용이 쉽고 낮은 잡음을 제공하지만 초과 에너지를 열로 낭비하고 사용 가능한 전류의 한계에 부딪힙니다. 설계자가 송신기에 진단, 디지털 인터페이스 또는 로컬 지능과 같은 더 많은 기능을 추가하면 전력 수요가 증가하여 단순한 LDO가 공급할 수 있는 용량을 초과할 수 있습니다. Analog Devices, Inc.의 LT8618 계열과 같은 보다 효율적인 스위칭 조정기를 사용하는 것이 더 바람직할 수 있습니다.

LT8618은 산업, 자동차 및 예측할 수 없는 전원을 사용하는 기타 응용 분야를 비롯한 열악한 환경을 위해 설계된 작지만 강력한 벅 컨버터입니다. 이 컨버터는 특히 4mA ~ 20mA 전류 루프 시스템에서 잘 작동하며, 초저 정동작 전류, 고효율, 3.4V ~ 60V의 넓은 입력 범위(연속 작동 시), 최대 65V(과도 상태 시)를 제공합니다.

LT8618 제품군은 광범위한 산업 및 루프 전원 응용 분야에 적합한 다목적 벅 조정기 세트를 제공합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

• LT8618EDDB-3.3#TRPBF(그림 2의 회로도 참조)는 고정된 3.3V 출력을 제공하므로 산업 및 현장 환경에서 흔히 발생하는 예측 불가능한 레일을 처리하기 위해 안정적이고 잘 정의된 전압이 필요한 설계에 이상적입니다. 또한 피크 출력 전류가 100mA이므로 센서, 송신기 및 기타 지원 회로에 전원을 공급하는 데 적합합니다. 초저 정동작 전류는 활동이 적은 기간 동안 전력 손실을 최소화하여 시스템 효율성과 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.

그림 2: 고정 3.3V를 출력하는 LT8618-3.3을 사용하는 벅 조정기 구성(이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

• LT8618EDDB#WTRMPBF는 동일한 넓은 입력 범위와 100mA 출력을 제공하지만 0.778V ~ 40V 범위에서 출력을 조정할 수 있습니다. 따라서 송신기 내부의 아날로그, 디지털 또는 레퍼런스 회로에 전원을 공급하는 데 적합하며, 여러 개의 공급 레일이 필요한 경우에 특히 유용합니다. 고정 출력 제품과 마찬가지로 이 벅 조정기는 빠른 과도 응답과 강력한 단락 보호 및 과열 차단 기능을 결합하여 -40°C ~ +125°C의 전체 산업 온도 범위에서 안정적인 작동을 보장합니다.

이러한 유연성을 통해 설계자는 4mA ~ 20mA 전류 루프 시스템의 전압 및 전류 요구 사항에 맞는 올바른 조정기를 선택하여 안정적인 작동을 보장하는 동시에 열과 낭비되는 전력을 최소화할 수 있습니다.

Burst Mode® 작동 시 2.5µA의 낮은 정동작 전류를 소비하는 LT8618은 루프 전력을 소모하지 않으므로 센서, 컨버터 및 통신에 더 많은 전력을 사용할 수 있습니다. 효율성과 낮은 대기 전류 소모의 조합은 전류 버짓을 초과하지 않으면서 추가 기능을 추가해야 하는 문제를 직접적으로 해결합니다.

4mA ~ 20mA 전류 루프 송신기에서는 소형 인덕터와 출력 커패시터가 인쇄 회로 기판의 LT8618 근처에 배치되어 출력 필터를 형성하며, 이러한 출력 필터는 전압을 평활화하고 센서와 지원 회로망 모두에 안정적인 전력을 공급합니다. 24VDC와 같은 적절한 입력 전압은 송신기의 작동 전압보다 충분한 여유 전압과 정밀한 조정 및 과도 응답을 제공하여 센서 부하 변화에 따라 루프 전류가 이동하더라도 안정적인 전력을 보장합니다.

LT8618을 사용하면 전류 루프의 4mA ~ 20mA 제한을 초과하지 않고도 고급 센서, 디지털 논리 및 보안 기능을 지원하도록 송신기 기능을 확장할 수 있습니다.

과전압, 열 차단, 단락 보호 등의 통합 보호 기능은 열악한 현장 환경에서도 강력한 기능을 제공합니다. LT8618의 콤팩트한 패키지와 최소한의 외부 부품은 기판 레이아웃을 간소화하며, 이는 공간 제약이 있는 송신기에서 특히 중요합니다.

결론

설계자는 비효율적인 선형 조정기를 ADI LT8618과 같은 콤팩트한 고효율 스위칭 조정기로 대체함으로써 LDO의 한계를 극복하고 새로운 기능을 구현하는 동시에 최신 산업 응용 분야에서 요구하는 정확도, 신뢰성 및 온도 요구 사항을 계속적으로 충족할 수 있습니다.