적합한 고전압 연산 증폭기로 고전압을 효과적이고 안전하게 제어 및 증폭

출력 부하의 입력 신호 또는 특성의 본질로 인해 고전압(60V ~ 100V)에서 작동할 수 있는 연산 증폭기(op-amp)가 필요한 응용 제품이 많습니다. 이러한 응용 제품에는 잉크젯 및 3D 프린터의 압전구동기는 물론, 초음파 트랜스듀서 및 기타 의료용 계측기, ATE 구동기 및 전계 소스가 포함됩니다.

이들은 비저항(유도, 정전 용량) 부하에도 불구하고 슬루율 요구 사항을 충족해야 하며 엄격하게 조정된 전원 공급 장치가 필요하며 전압이 60V 이상에 도달하면 설계자는 엄격하고 까다로운 규제 요구 사항을 직면하게 되므로 일반적인 연산 증폭기는 아닙니다. 응용 제품에 따라 열 관리 문제를 야기하는 고전류도 있을 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 사용 가능한 표준 모놀리식과 특수 프로세스를 기반으로 하는 하이브리드 고전압 연산 증폭기가 있습니다. 하지만 이러한 제품이 시스템 설계 목표를 일관되고 안전하게 충족하기 위해서는 선택, 설계, 레이아웃 측면에서 특별한 고려가 필요합니다. 이 기사에서는 고유하면서도 (놀랍게도) 보편적인 응용 분야에서 고전압 연산 증폭기(100V 초과)의 용례를 살펴보고 이를 성공적으로 적용하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

고전압이 필요한 이유?

고전압 연산 증폭기를 활용하는 대표적인 응용 분야는 매우 여러 가지이며 다양합니다. 그중 대부분은 저전압 입력 신호의 전압 이득 버전을 개발할 때 고전압과 정밀한 제어가 모두 필요합니다. 대부분의 경우 이는 켜짐/꺼짐 고전압 신호가 아니므로 단순한 고전압 스위칭 기능보다는 선형 증폭기가 필요합니다. 흔히 양극 출력을 필요로 하는 이러한 응용 분야에는 다음이 포함됩니다.

• 잉크젯 프린터의 압전 구동기, 초음파 트랜스듀서, 정밀한 유량계 밸브
• 다른 IC, 혼합 장치, 모듈을 완전하게 활용하는 데 사용되는 자동화 테스트 장비(ATE)
• Geiger 카운터 등의 과학 계측기
• 자동차 광감지 및 거리측정기(LiDAR) 이미징 시스템의 고강도 레이저 다이오드
• 유체에 대한 생의학 테스트에 자주 사용되는 전계 생성

이러한 시스템 중 상당수는 최소한 부분적이라도 고전압에서 작동하지만 낮음 ~ 중간 범위의 전류(10mA ~ 100mA)를 제공하며 따라서 일반적인 의미로는 “고전류”가 아닙니다. 그 결과 해당 설계는 생성된 열을 관리하는 것보다 필요한 전압을 제어 및 제공하는 데 집중됩니다.

예를 들어 100mA에서 부하에 100V를 제공하는 연산 증폭기는 공급 장치에서 10W 정도의 미미한 요구를 나타냅니다(내부 손실에 대한 추가 전력 추가, 보통 20% ~ 30%). 이는 분명히 “마이크로 전력” 시나리오가 아니지만 10W의 대부분은 부하로 할애되어 전자 부품에 의해 손실되지 않으므로 반드시 열적으로 까다로운 것도 아닙니다. 그래도 열 방출은 설계를 할 때 언제나 고려해야 할 사항입니다.

연산 증폭기를 통한 고전압 증폭과 더 관련하여 설계자가 직면하는 광범위한 문제가 몇 가지 있습니다.

• 적합한 연산 증폭기 선택 및 적용
• 고전압 장치의 성능 최적화
• 연산 증폭기용 DC 고전압 레일 제공(부하 공급 장치와 동일할 수 있음)
• 고전압 안전성을 보장하며 레이아웃 및 구성 측면에서 규제 의무 사항 충족

연산 증폭기 선택 및 적용

고전압 연산 증폭기는 기존의 증폭기와 같지 않습니다. 일반적으로 증폭기는 전압 및 전류의 조합에서 보통 저항 부하로 전력 이득을 제공합니다. 이와 대조적으로 연산 증폭기는 부하에 지정된 최대 전류를 제공하면서 전압을 높일 수 있도록 구성됩니다. 또한 연산 증폭기는 고정 또는 조정 가능 이득을 위해 구성할 수 있으며 “단순” 전압-이득 블록 외에 다양한 토폴로지에서 사용됩니다.

역사적으로 연산 증폭기와 같은 선형 기능에 사용되는 대부분의 IC 프로세스는 약 50V 정도의 최대 전압으로 제한되었습니다. 더 높은 전압의 연산 증폭기를 제작하기 위해서는 설계자가 전압 부스터로 기능할 별도의 외부 고전압 트랜지스터를 출력에 추가했습니다. ±120V를 제공하기 위해 보완적인 부스터 트랜지스터가 있는 회로에 Analog Devices의 LT1055 정밀 JFET 연산 증폭기를 사용한 것을 볼 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 고전압 연산 증폭기 출력을 생성하는 한 가지 방법은 교정용 부스터 트랜지스터를 Analog Devices LT1055와 같은 기본 장치에 추가하여 연산 증폭기의 입력 특성을 활용하는 것입니다. 이 설계는 최대 ±120V의 출력을 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices).

이것이 효과적이기는 하지만 IC 하나에 비하면 더 복잡하고 비용이 많이 드는 BOM이라는 단점은 물론, 불가피한 레이아웃 문제도 있습니다. 또한 제로 크로싱 포인트를 통해 왜곡을 최소화하면서 양극 및 음극 출력 스윙 사이에 대칭적인 성능을 달성 및 유지하는 것도 까다롭습니다. 이러한 문제는 보통 잘못 정합된 부품(주로 NPN 및 PNP 트랜지스터)과 물리적 레이아웃의 불균형으로 인한 것입니다.

고전압 연산 증폭기의 선택은 모든 연산 증폭기에서와 유사한 파라미터의 평가에서 시작되지만 물론 특정 수치에는 차이가 있습니다. 고전압 제품은 비교적 적으므로 그 프로세스는 단순합니다. 설계 고려 사항은 세 가지 주요 영역으로 구성됩니다.

1. 상위 주요 요인은 출력 전압, 출력 전류, 대역폭, 슬루율, 단극 대 양극 성능입니다.
2. 다른 우려 사항으로는 슬루율 및 부하 유형의 제한, 출력 파형에 나타날 수 있는 드리프트 오류와 관련된 온도가 있습니다.
3. 마지막으로 열 과부하, 과도한 전류, 모든 증폭기에 영향을 미치는 기타 문제로부터의 보호 문제가 있습니다.

한계 극복

설계자는 이용 가능한 고전압 연산 증폭기 중에 최우선의 의무적인 조건을 충족할 뿐만 아니라 요구 사항을 충족하기에 충분히 낮은 오류 사양을 갖추고 있으며 충분한 보호 기능을 내장하고 있거나 전류 제한 등의 외부 보호 기능과 호환성이 좋은 제품이 어느 것인지 평가해야 합니다.

거의 모든 요구 사항을 충족하는 장치의 성능을 조정하는 데에는 합리적인 판단력이 필요합니다. 예를 들어, 이용 가능한 연산 증폭기 중 “최상”의 옵션이 정전 용량 부하 구동 중 불안정성, 충분한 출력 전류 용량 또는 과도한 온도 관련 드리프트 등 어떤 한 가지 요인에 부족함을 보일 수 있습니다. 설계자는 다른 단점이 있을 수도 있는 다른 연산 증폭기를 찾거나 최상의 옵션을 선택해 그 성능을 확충하는 것 중에서 결정해야 합니다.

일부 예시는 다음 상태를 보여줍니다.

정전 용량 부하: Analog Devices의 ADHV4702-1은 고전압 정밀 연산 증폭기입니다(그림 2). 이 장치는 ±110V의 이중 대칭 공급 장치, 비대칭 공급 장치 또는 단일 +220V 공급 장치에서 작동할 수 있으며 최대 20mA에서 ±12V ~ ±110V의 출력을 제공할 수 있습니다.

이 제품의 170dB 개방 루프 이득(A_OL)은 고성능의 핵심 요인입니다. 중간 정도의 정전 용량 부하는 손쉽게 구동할 수 있지만 부하가 증대됨에 따라 전달 함수의 극이 변경되면 감소된 위상 마진으로 인한 출력 피킹 및 불안정성 가능성이 드러납니다.

연산 증폭기 설계자는 이 문제에 대한 해결책을 마련했습니다. 출력과 C_Load 핀 사이에 계열 저항기를 추가하면 1F 이상의 부하를 구동할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 증폭기 출력과 C_LOAD 사이에 계열 저항기(R_S)를 배치하면 ADHV4702-1이 1μF 이상의 정전 용량 부하를 구동할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

하지만 이 저항기를 추가하는 것은 중간 정도의 부하 피킹을 유발할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 그림 2 회로의 최대 2dB 피킹에 대한 R_S와 C_LOAD의 관계(단위 이득, ±110V의 공급 전압, V_OUT = 100V_p-p 기준). (이미지 출처: Analog Devices)

해당 응용 분야에 2dB이 과도한 부하 피킹이라고 해도 ADHV4702-1은 보정 핀과 접지 사이에 배치된 커패시터를 통한 외부 보정을 지원합니다. 저항기 및 커패시터를 적절하게 선택하면 전체 대역폭에 걸쳐 거의 일정한 응답을 보이는 정전 용량 부하로 안정성을 보장할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: ADHV4702-1에 대한 소형 신호 주파수 응답 대 외부 보정(단위 이득, ±110V의 공급 전압, V_OUT = 100V_p-p, R_f = 0Ω 및 C_COMP = 5.6pF 기준). (이미지 출처: Analog Devices)

추가 출력 전류 구동: Texas Instruments의 OPA454AIDDAR 연산 증폭기는 10V ~ 100V의 단일 공급 장치에서 각각 ±5V ~ ±50V를 제공합니다. 이는 ADHV4702-1에 비해 절반에 불과한 출력 전압 등급(100V:200V)이지만 2배를 초과하는 전류 구동(50mA:20mA)을 제공합니다. 하지만 이 정도 양의 추가 소스/싱크 전류는 일부 부하에 대해 충분하지 않을 수 있으며 특히 부하가 병렬 구조의 더 작은 부하로 구성된 경우 더욱 그렇습니다.

OPA454에 대한 이 문제를 해결하는 옵션이 두 가지 있습니다. 첫째, 2개(또는 그 이상)의 OPA454AIDDAR을 병렬로 연결할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 2개의 OPA454AIDDAR 연산 증폭기를 병렬 배치하면 출력 전류 용량이 선형적으로 증가됩니다 (그림 출처: Texas Instruments)

증폭기 A1은 마스터 증폭기의 역할을 하며 기본 이득 장치뿐만 아니라 모든 연산 증폭기 구성에 대하여 구성될 수 있습니다. 증폭기 A2는 슬레이브이며 하나 또는 여러 개일 수 있습니다. 이는 추가적인 구동 전류를 부여하면서 A1 출력을 추적하는 단위 이득 버퍼로 구성됩니다.

단일 증폭기 또는 몇 개의 슬레이브가 공급할 수 있는 것보다 더 높은 전류를 확보하기 위한 대안은 외부 출력 전류 부스트 트랜지스터를 사용하는 것입니다(그림 6).

그림 6: 병렬로 OPA454 장치를 배치하는 대신 외부 출력 트랜지스터를 사용할 수 있습니다. 이를 통해 더 높은 출력 전류를 달성할 수도 있습니다. 여기서 출력 전류를 1A 이상으로 높입니다. (그림 출처: Texas Instruments)

이 구성은 그림에서 보이는 트랜지스터를 사용하여 1A 이상을 공급할 수 있습니다. 하지만 추가적인 OPA454 연산 증폭기를 사용하는 경우와 달리 보완적인 트랜지스터 쌍은 필요한 수준의 왜곡이 없는 성능과 선형성을 제공하지 못할 수 있습니다. 높은 전류가 필요하며 선호하는 솔루션이 트랜지스터인 경우에는 적합한 보완적 PNP/NPN 트랜지스터 쌍이 필요할 수 있습니다.

온도 계수(tempco) 및 드리프트: 모든 아날로그 부품에서와 마찬가지로, tempco는 성능 및 정확도에 영향을 미치며 입력 오프셋 온도 드리프트(dV_OS/dT)는 증폭된 출력의 일부가 됩니다. OPA454의 경우 dV_OS/dT 사양은 지정된 40°C ~ +85°C의 주위 온도 범위 중 ±1.6μV/°C(일반) 및 ±10μV/°C(최대)에서 상당히 낮습니다.

이 수치가 너무 큰 경우 소위 “제로 드리프트” 연산 증폭기를 고전압 OPA454 앞에 사전 증폭기로 추가하면 전체적인 드리프트가 감소됩니다(그림 7). Texas Instruments OPA735가 제로 드리프트 사전 증폭기로 포함되면 고전압 증폭기의 tempco 드리프트가 첫 스테이지의 0.05μV/°C(최대) 드리프트로 유지될 수 있어 감소 계수 200을 제공합니다.

그림 7: OPA454의 입력 경로에 OPA735 니어 제로 드리프트 연산 증폭기를 추가하면 매우 낮은 입력 오프셋 온도 드리프트가 있는, 2개의 스테이지로 구성된 고전압 회로가 됩니다. (그림 출처: Texas Instruments)

열 문제 및 보호

전류 수준은 중간 정도일 수 있지만 고전압으로 인한 내부 손실이 문제가 될 수 있습니다. 계산은 전력 = 전압 x 전류 방정식을 따릅니다. 열 모델링은 필수적인 것으로 접합 온도의 기본 방정식으로 시작합니다. T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), 여기서 T_J는 접합 온도, T_A는 주위 온도, P_D는 내전력, Θ_JA는 주변에 대한 패키지 열 저항입니다. 후자는 방열, 공기 흐름, PC 기판 구리 등 마운팅 기술 및 환경에 의해 결정됩니다.

생성된 열의 중요성 및 존재를 인식하여 OPA454 및 ADHV4702-1 등의 IC는 열 과열 시 전원 차단 기능을 회로망에 통합합니다. 예를 들어 OPA454의 회로망은 장치의 내부 온도가 150°C에 도달할 때 출력이 높은 임피던스 상태가 되는 자동 과열 시 전원 차단을 트리거합니다. 이는 130°C로 식을 때까지 과열 시 전원 차단을 유지하다가 해당 온도에서 전원이 켜집니다. 이 이력 현상은 열 제한 주변의 켜짐/꺼짐 출력 발진을 방지합니다.

손실 한계는 정적 출력 전력의 함수뿐만 아니라 작동 주파수 및 슬루율에 의해서도 영향을 받습니다. 이로 인해 출력 스테이지의 과열이 야기될 수 있습니다. ADHV4702-1의 정적 SOA로 시작하는 그러한 모든 구동에 대한 안전한 작동 영역(SOA) 그래프를 반드시 검토해야 합니다(그림 8).

그림 8: 안전한 작동 영역(SOA) 그래프를 검토해야 합니다. ADHV4702-1의 DC SOA는 20V 및 ±110V 공급 이득으로 25C 및 85C의 주위 온도에서 곡선 아래 영역으로 표시됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

동적 SOA도 우려 사항입니다. ADHV4702-1에는 19MHz 소형 신호 대역폭 및 74V/s 슬루율을 달성하기 위한 내부 슬루율 부스트 회로가 탑재되어 있지만 이 부스터 회로는 신호에 따라 많은 양의 전류를 소비할 수 있습니다. 이러한 이유로 차동 입력 전압을 제한할 수 있도록 ADHV4702-1과 함께 외부 다이오드를 사용할 수 있습니다(그림 9).

그림 9: ADHV4702-1 입력에서의 외부 다이오드는 차동 입력 전압을 제한해 부스터 회로의 높은 전류로 인한 열로부터 장치를 보호합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이는 동적 작동에서 증폭기를 보호하지만 슬루율과 대형 신호 대역폭을 제한하며 따라서 슬루 부스팅 회로에 의해 생산된 전류를 제한하고 내부 내전력을 감소시킵니다(그림 10).

그림 10: 정적 SOA와 동일한 조건에서 클램핑 다이오드를 포함하거나 포함하지 않은 상태에서 주위 온도 25°C 및 85°C에서의 동적 SOA. (이미지 출처: Analog Devices)

폭넓은 SOA는 내부 회로를 너무 제한적으로 만들기 때문에 모든 고전압 구동기에 열 차단이 포함되지는 않습니다. 예를 들어, Apex Microtechnology의 PA52는 200V의 단극 또는 양극 전압 스윙 전반의 50V/s 슬루율에서 최대 40A(연속)/80A(피크)를 제공할 수 있는 고전압, 고전력 증폭기입니다. 손실 수준이 너무 높을 수 있으므로 이 장치의 SOA 차트는 DC 및 펄스 모드 모두를 포괄하는, 시스템 설계의 중대한 요소입니다.(그림 11).

그림 11: 고전압(±100V), 고전류(80/40A) 증폭기를 위한 SOA(예: Apex Microtechnology의 PA52)는 안정 상태 또는 펄스 모드 중 어디에서 작동하는지에 따라 다양한 변형을 제공합니다. (이미지 출처: Apex Microtechnology)

PA52의 경우, 설계자는 출력과 부하 사이에 외부 하이사이드 전류 감지 저항기를 추가하여 출력 전류를 측정할 가능성이 높고 따라서 전력을 평가하게 됩니다. 이 저항기의 크기를 조정하는 것은 언제나 높은 저항값과 낮은 저항값 사이의 트레이드오프입니다. 저항이 높을수록 더 큰 신호와 더 큰 신호대 잡음비(SNR)를 제공하는 반면 더 낮은 저항은 저항기의 자체 손실과 제공된 출력 전력의 감소를 최소화합니다.

최대 부하 전류에서 전압 100mV가 발생하도록 저항기 값을 선택하는 것으로 시작하는 것이 좋습니다. 또한 감지 회로는 높은 공통 모드 전압(CMV)과 호환되어야 합니다. 대부분의 경우 감지된 신호 무결성, 나머지 회로망 보호, 사용자 안전 등 여러 이유로 분리된 감지 회로가 필요합니다.

공급 및 규제 문제

고전압 증폭기는 물리적 레이아웃의 구체적 사항이 매우 중요해지므로 단순한 회로도 및 BOM 이상의 제품입니다. 약 60V 이상에서 작동하는 회로의 경우, 구현 안전성 및 표준 문제가 있습니다(실제 값은 최종 응용 제품 및 국가/지역에 따라 다름). 이러한 고전압 설계의 경우 사용자가 고전압 제품을 더 낮고 안전한 제품과 분리하는 방법을 결정해야 합니다. 여기에는 장벽, 인터로크, 절연 또는 간격 확보 등의 하나 이상의 기계적 수단이 포함될 수 있습니다.

또한 레이아웃은 아크나 플래시오버가 발생할 수 없도록 부품 및 회보 기판 트레이스의 최소 연면거리 및 공간거리 크기에 대한 규제 의무 사항을 충족해야 합니다. 이러한 크기는 전압 및 예상 작동 환경의 함수입니다(습도 및 먼지와 깨끗하고 건조한 환경). 표준이 중요한 세부 요소들이 포함되어 복잡하므로 이러한 영역의 전문가인 컨설턴트를 이용하는 것이 합리적일 수 있습니다. 공식 승인 프로세스에는 설계 레이아웃, 구성, 소재는 물론, 테스트용 증명 모델에 대한 분석이 모두 필요합니다.

원칙적으로 저-고 전압의 AC/DC 또는 DC/DC 공급 장치는 단순하며 다이오드 및 커패시터로 구성된 전압 배율기와 함께 전파장 정류기(AC용)를 사용해 구축될 수 있습니다. 하지만 고전압 공급 장치 설계에는 이러한 수동 소자가 적절한 전압 등급을 보유하도록 보장하는 것 등의 수많은 실용적 문제가 수반됩니다.

공급 장치의 배치마저도 문제가 됩니다. 저전압 공급 장치만 보유한 응용 제품에서(수십 볼트 미만) 저전압 전선을 고전압 연산 증폭기 기능 근처에 있는 차단 전압 배율기에 연결하는 것이 합리적일 수 있습니다. 하지만 저전압에서의 전류 소모는 추가적인 전류-저항(IR) 강하 및 그러한 전선에서의 I²R 전력 손실을 의미하며 분리의 장점보다 더 클 수 있습니다. 다른 옵션은 해당 거리에 대해 고전압 전선을 연결해 손실을 줄이는 대신 안전성 및 규제 제약을 추가하는 것입니다.

제작 및 구매 결정

배치와 상관없이 설계 팀이 지식이 풍부하고 경험이 많은 경우가 아닌 한, 일반적으로 직접 설계 및 구축하기보다는 고전압 공급 장치를 구매하는 것이 합리적입니다. 이러한 공급 장치에는 수많은 문제가 있으며 인증서 확보도 어렵습니다. 전원 공급 장치는 입력 전압을 취해 이를 원하는 출력으로 변환하는 것보다 훨씬 더 많은 작동을 수행합니다.

• 장치는 정밀하고 안정적이어야 합니다.
• 리플 및 과도 성능 목표를 충족해야 합니다.
• 다양한 보호 및 전력 차단 기능을 통합해야 합니다.
• EMI 표준을 충족해야 합니다.
• 또한 전기적 분리가 되어야 할 수도 있습니다.

저전류 모델부터 여러 암페어나 그 이상을 제공할 수 있는 모델을 아우르는 수많은 사용 가능한 고전압 공급 장치가 마련되어 있습니다. 예를 들어, XP Power EMCO 고전압 부분인 FS02-15는 PC 기판 실장, 분리형 고전압 모듈입니다(그림 12). 길이 x 너비 x 높이는 57mm × 28.5mm × 12.7mm(2.25인치 × 1.1인치 × 0.5인치)로, 15V DC 공급 장치에서 작동하며 50mA에서 200V(±100V)를 제공합니다. 이 모듈은 이제 모든 기능을 갖춘 공급 장치에서 예상되는 표준 기능을 통합하여 모든 성능 및 규제 요구 사항을 충족합니다.

그림 12: 12V 공급 레일로, 50mA에서 ±100V를 제공하는 XP Power의 FS02-15 등의 기성품 공급 장치는 고전압 연산 증폭기를 위한 안전한 분리형 전원 제공과 관련된 설계 및 규제 문제를 없애줍니다. (이미지 출처: XP Power)

결론

고전압 연산 증폭기는 계측기, 의학, 물리, 압전 트랜스듀서, 레이저 다이오드 등의 수많은 전자 시스템에 필요합니다. 설계자는 이러한 전압과 호환되는 연산 증폭기를 선택할 수 있지만, 100V 초과 작동 시 성능, 열, 규제 및 안전 영향을 고려하여 그 속성과 한계를 명확하게 이해해야 합니다.