단일 설계로 고전압 및 저전압을 결합하는 방법

전력을 줄이기 위해 저전압에 더 많은 중점을 두는 경향이 있긴 하지만, 설계자로서는 동일한 설계에 저전압과 고전압을 모두 통합해야 하는 경우가 종종 있습니다. 이 경우 고전압 DC 레일 개발, 고전압 아날로그 증폭기/구동기 기능 제공, 고전압 시스템과 관련된 안전 및 규제 준수 요건 충족이라는 세 가지 과제가 발생합니다.

서브 5V를 작동하면, 저전압의 장점이라고 할 수 있는 낮은 전력 소비, 열 발생으로 인한 손실 감소, 높은 IC 기능 밀도, 연장된 실행 시간 및 긴 수명 등을 누릴 수 있습니다. 하지만 수백 볼트 이상의 고전압을 필요로 하는 응용 분야가 많습니다. 압전 모터, 촉각 장치, 인쇄 헤드 구동기, 특수 센서 및 과학 기기와 같은 응용 분야에는 보수적으로 전류를 사용한다 하더라도 최대 수백 mA(밀리암페어)에 달하는 고전압이 필요합니다.

이 때문에 저전압 회로와 훨씬 높은 전압을 혼합하여 설계자가 관련 과제를 관리할 수 있게 해주는 시스템 설계가 도입되게 되었습니다.

이 기사에서는 규제 및 안전 요구 사항 충족에 대한 토론을 마무리하기 전에 고전압 레일을 생성하고 필요한 아날로그 구동기를 제공하는 방법에 대한 실제 솔루션 예제와 이론을 통합하여 제공합니다.

고전압 레일 제공

고전압 DC 레일 제공을 위해 설계자는 고전압 공급 장치를 설계하여 개발하거나 구입할 수 있습니다. 이론적으로, 특히 저전류의 경우 고전압 공급 장치를 개발하는 것은 어렵지 않습니다. 다음 두 가지 기본 방법이 있습니다.

• 저전압 DC 전원만 사용할 수 있는 경우 설계자는 이러한 목적으로 설계된 부스트 모드 DC/DC 스위칭 조정기를 기반으로 한 회로를 구현할 수 있습니다.
• AC 라인을 사용할 수 있는 경우 전압 이중 회로를 한 개 이상 사용할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 기본 전압 이중 회로는 다이오드 및 커패시터를 사용하여 120V_AC(RMS)(피크 전압: 170V_AC)를 피크 전압의 두 배 DC로 변환합니다. (이미지 출처: Lewis Loflin, Bristol Watch)

기본 배전류는 AC의 피크 값을 두 배의 DC 전압 값으로 변환합니다. 배전류가 제공할 수 있는 전류의 양은 커패시터 크기의 함수이므로 높은 전류일수록 더 높은 정전 용량이 필요합니다. 일반 저전압 장치는 고장이 나고 폭발할 위험까지 있으므로  이러한 커패시터는 특수한 고전압 장치여야 합니다.

부스트 모드와 전압 배전류 접근 방식 모두 작동하지만, 두 방식 모두 같은 문제가 있습니다. 즉, 고전압을 처리하여 설계자가 레이아웃, 아크, 사용자 안전 및 규제 표준에 주의해야 합니다.

이러한 이유로, 많은 엔지니어가 XP Power의 EMCO Series AG01P-5와 같이 상용으로 이용 가능한 고전압 공급 장치의 사용을 선호합니다(그림 2). 이 pc 기판이 마운트된 소형 폼 팩터 장치는 높이가 0.128인치(3.25mm)이며 부피가 0.100입방인치(1639 입방 mm) 이하입니다. 공급 장치는 0.7V와 5V 사이의 DC 전원에서 작동하지만, 10mA에서 100V를 제공합니다. 또한 전기적으로 500V로 분리된다는 이점이 있는데, 이는 적절한 시스템 작동 및 사용자/장비 안전을 위해 많은 상황에서 요구되는 사항입니다.

그림 2: XP Power의 소형 EMCO Series AG01P-5 DC/DC 컨버터는 0.7V와 5V 사이의 DC 전원을 사용하고, 10mA에서 100V DC를 제공합니다. 또한 500V의 절연도 포함합니다. (이미지 출처: XP Power)

더 높은 전압이나 전류가 필요한 응용 분야의 경우 XP Power 및 다른 판매업체에서 수백 mA에서 수백, 수천 볼트까지 공급할 수 있는 기본 장치를 제공합니다. 일부는 DC 레일에서 작동하지만 대부분이 AC 라인으로 전원이 공급됩니다. 신뢰할 수 있는 판매업체의 표준 규격 고전압 공급 장치를 사용하면 공급 장치와 관련된 모든 기술적 성능 및 규제 문제가 효과적으로 해결됩니다. 따라서 설계자는 공급 장치에서 전원 공급 회로로 고전압 출력 경로를 지정하는 방법에 중점을 둘 수 있습니다.

물론 OEM으로 설계된 고전압 공급 장치가 적합하거나 유일한 옵션인 경우도 있습니다. 예를 들어, BOM 비용 측면에서 장점이 있고, 표준 공급 장치에 필요한 전압/전류 쌍이 없으며, 고유한 공간 제약 조건이 있는 대량 응용 제품과, 고유한 공간 제약이 있거나 폼 팩터가 일반적이지 않거나 OEM에 고전압 공급 장치 설계 및 구현 경험이 이미 있는 시스템 등이 있을 수 있습니다. 그러나 대부분의 엔지니어의 경우 기술 요구 사항 조합 충족, 비정상적인 구성 요소 선택 및 공급, 규제 문제 관리로 인해 고전압 공급 장치 설계에 많은 어려움을 겪게 됩니다.

아날로그 드라이브 제공

전원 레일 공급 방법을 설정했으면 부하에 필요한 고전압 아날로그 증폭을 제공하는 방법을 결정해야 합니다. 바이어스 및 유사한 회로 요구 사항에 대해 정적 DC 전압만 필요하고 고전압에서 제어 가능한 동적 증폭 신호가 필요하지 않은 상황이 있습니다. 이러한 경우에는 조정 가능한 공급 장치만 있으면 됩니다.

설계자는 고전압 연산 증폭기 기능을 구현할 세 가지 방법을 선택할 수 있습니다. 첫 번째 방법은 표준 저전압 연산 증폭기를 사용하되 출력에 부스터 트랜지스터를 추가하는 것입니다(그림 3). 이 방법은 저전압 출력 스윙을 더 넓은 고전압 범위로 변환하는 효과가 있습니다. 여기서 아날로그 장치인 LT1055의 정밀도, 고속 연산 증폭기가 증폭기 코어로 사용되었으며, 세 쌍의 PNP/NPN 트랜지스터를 통해 출력이 양극 ±125V 레일 투 레일 스팬으로 증폭되었습니다.

그림 3: 고전압 연산 증폭기 출력을 생성하는 한 가지 방법은 교정용 부스터 트랜지스터를 LT1055와 같은 기본 장치에 추가하여 연산 증폭기의 입력 특성을 활용하는 것입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 방법은 실행 가능하고 효과가 있지만, 상당히 많은 능동 및 수동 개별 부품이 추가로 필요합니다. 또한 선택한 NPN/PNP 트랜지스터 유형이 이득, 슬루 및 기타 파라미터에 대해 유사한 사양이나 보완 사양과 일치해야만 양극 작동 시 대칭됩니다. 따라서 구성 요소 허용 오차 범위의 영향을 포함하여 Spice 또는 유사한 모델링의 세심한 설계가 필요합니다.

두 번째 옵션은 고전압 작동을 위해 기본적으로 설계된 연산 증폭기를 사용하는 것입니다. 이러한 부품은 반도체 공정의 한계로 인해 보통 모놀리식 부품이 아니지만 소형 모듈로 패키징되어 있으며 단일 구성 요소에 "포함"됩니다. 이러한 장치는 주로 신호 버퍼로 작동하는 더 작은 저전압 연산 증폭기와 함께 사용됩니다.

한 가지 예는 Apex Microtechnology의 PB64 중복 고전압 부스터 증폭기입니다. 전압 및 전류 이득에 미소 신호, 범용 연산 증폭기를 제공하도록 설계(그림 4)되었으며, 12핀 전기 절연 SIP에 하우징되어 있고, 스루홀 핀을 제외한 크기는 1.2인치(31mm) × 0.8인치(20mm) × 0.27인치(7mm)입니다. 일반적인 응용 분야로는 과학 기계뿐만 아니라 전력 반도체와 LED/LCD 어레이 테스트가 있습니다.

그림 4: 모놀리식 IC는 아니지만 Apex Technology의 PB64 고전압 증폭기와 같은 장치는 저전압 장치만큼 쉽게 통합할 수 있습니다. (이미지 출처: Apex Microtechnology)

PB64의 최대 출력 전압은 ±75V이므로 앞에서 설명한 개별 방법만큼 높지는 않지만 두 가지 상대적인 이점이 있습니다. 버퍼와 함께 사용할 경우 필요한 비중요 수동 부품 개수가 매우 적고, 상당한 양의 전력인 ±2A까지 공급할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 대부분의 응용 분야에서 고전압 PB64 증폭기는 입력 버퍼로 표준 연산 증폭기와 함께 사용되어 입력 신호 시나리오와 부하의 일관성을 유지합니다. (이미지 출처: Apex Microtechnology)

규격서를 검사할 때 SOA(안전 작동 영역) 및 펄스 응답과 같은 중요한 정적 및 동적 성능 특성을 찾습니다(그림 6). 등가 데이터 및 사양을 개발하는 데 이전 설계 방식을 사용하면 시간이 많이 걸리고 훨씬 어렵습니다.

그림 6: PB64 고전압 증폭기의 펄스 응답 (이미지 출처: Apex Microtechnology)

다양한 고전압 응용 제품은 물론 다양한 조합의 전압과 전류가 필요합니다. 촉각 압전 트랜스듀서와 같은 응용 제품의 경우, 필요한 전압은 Apex 장치가 제공할 수 있는 전압보다 높을 수 있지만 전류 요구량은 훨씬 낮습니다. 이러한 상황에서는 고전압 프로세스를 기반으로 하지만 소비 전력 용량이 훨씬 적은 IC를 선택할 수 있습니다.

예를 들면 통합된 Texas Instruments DRV8662 압전 촉각 구동기는 3.0~5.5V의 전원 공급 장치에서 최대 ±200V까지 늘어나 100나노패러드(nF)로 상승할 수 있습니다(또한 용량 부하가 높아지지만 스윙은 감소함)(그림 7).

그림 7: 주로 촉각 설계용 압전 액추에이터를 구동하는 틈새 응용 분야를 대상으로 하는 Texas Instruments의 DRV8662 IC는 내부 부스트 DC 컨버터를 사용하는 단일 숫자 전압 소스의 용량 부하에 최대 ±200V를 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이 IC는 몇 개의 외부 수동 구성 요소만 필요하며 28.8dB, 34.8dB, 38.4dB 및 40.7dB의 GPIO 제어 이득을 지원합니다. ±200V 정격에도 불구하고, 소형 4mm × 4mm × 0.9mm QFN 패키지에 하우징되어 있어 크기가 중요하고 사용 가능한 DC 전압 레일의 전압이 낮은 휴대용 응용 제품에 적합합니다. 압전 트랜스듀서를 작동기로 사용하는 기본적인 촉각 응용 제품에서 구동 신호는 프로세서에 의해 차례로 제어되는 DAC(디지털 아날로그 컨버터)에 의해 설정될 수 있습니다(그림 8).

그림8: DRV8662에는 기본 아날로그 고전압 구동기로 작동하는 것 외에도 원하는 출력 범위를 설정하기 위해 사용자가 선택한 이득 값 4개가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

표준, 규제 준수: 주요 문제

사용자 및 시스템 안전을 위한 산업 및 정부 표준이 최소이거나 전혀 없는 저전압 설계와 달리, 고전압 설계의 경우 엄격한 표준들이 다양하게 적용됩니다. 전세계 지역 및 최종 응용 제품에 따라 구체적인 표준은 다르지만, 일반적으로 50V~60V 미만의 설계에는 제한이 전혀 또는 거의 없습니다(이러한 이유로 아직 사용되고 있는 48V 레일에 전화 시스템이 정착됨). 다양한 표준 설정 기관이 있으며 대표적으로 UL, IRC 및 IPC가 있습니다.

하지만 전압이 높아질수록 실제 설계 배열에 대한 엄격한 요구 사항과 설계상의 전기적 고장 모드와 기계적 구조에 대한 주의가 점차 주요 문제가 되었습니다. 회로망과 사용자에게 주된 위험 요인은 전압이므로, 대부분의 규제 표준은 전류가 아닌 전압 수준에 중점을 두고 있습니다. 전기(전압) 및 기계적 설계 고려 사항을 엄격하게 규정하고 있습니다.

이러한 안전 표준은 다음을 비롯한 여러 문제에 중점을 두고 있습니다.

• 내부 배치를 통해 아크나 플래시오버가 가능하고 물질의 연소도 허용합니까?
• 기계적 고장 또는 포장 문제(충격 후 응력 균열 또는 균열)로 인해 사용자가 잠재적인 위험에 노출됩니까?
• 사용자가 더 높은 내부 전압에 노출될 수 있습니까?

표준은 여러 전압 수준에서 "연면거리 및 공간거리"에 대한 최소 크기를 정의합니다(그림 9). 연면거리는 기판 표면을 따라 측정된 pc 기판에 노출된 두 지점 사이를 분리한 것이지만, 공간거리는 공기를 통해 측정된 두 전도성 부품 사이의 최단 거리를 말합니다. 전압이 높아지만 최소 거리도 늘어납니다.

그림 9: 연면거리와 공간거리는 고전압 회로 및 시스템의 레이아웃 및 기계적 설계에 영향을 주는 주요 고려 사항입니다. 기본적인 최소 크기는 가장 기본적인 고려 사항이며, 전압 및 기타 요인도 고려됩니다. (이미지 출처: PCB Design Tech Guide)

그러나 간단한 "전압과 거리" 표 외에도, 연면거리와 공간거리 최소값에 영향을 미치는 요소는 매우 다양합니다. 표준에서는 회로 작동 환경(먼지, 습기 및 기타 입자), 사용되는 재료 및 기타 요인에 대한 조정을 요구하여, 상당히 복잡하고 혼란스러울 수 있습니다. 따라서 표준 및 관련 지침을 검토하십시오.

관련 표준을 충족하지 않는 설계는 주요 인증을 받을 수 없습니다. 필수 요건을 충족하기 위해 PC 기판에서 노출된 지점이나 부분을 단 1밀리미터라도 옮기는 일은 어려운 경우가 많으며 설계에 바람직하지 않은 파급 효과가 있을 수 있습니다.

따라서 비용과 시간이 많이 드는 전기 및 기계적 재설계와 재테스트를 방지하기 위해 직원 중에 고전압 표준 전문가가 있거나 초기 단계에서 프로젝트를 평가하고 안내할 수 있는 컨설턴트를 이용하는 것이 중요합니다.

결정하기

고전압을 개발하는 데 사용할 방식(부스트 트랜지스터, 하이브리드 모듈 또는 IC)은 여러 요인에 의해 결정됩니다. 첫째, 선택한 접근 방식이 전압, 전류, 슬루율 등과 같은 최상위 파라미터를 지원할 수 있습니까? 둘째, 전자적인 관점에서 고전압 아날로그 증폭기 설계를 디자인하고 자격을 부여할 때 팀이 사용할 기술은 무엇입니까? 셋째, 설계 팀이 관련 규제 표준과 설계에 미치는 영향을 파악하고 이해할 수 있습니까?

논의한 옵션과 솔루션은 고전압과 전류의 다양한 조합을 제공할 수 있습니다. 하지만 기본 회로 설계 외에도, 초기 단계에서 해결해야 하는 많은 외부 레이아웃 및 배치 문제가 있습니다. 이러한 문제는 최종적으로 선택한 고전압 증폭기 접근 방식에도 영향을 미칩니다.

결론

저전압에서 작동하면 여러 가지 장점이 있지만, 저전압 회로와 고전압 회로를 결합해야 하는 경우가 종종 발생합니다. 보신 바와 같이 확립된 표준을 올바르게 준수하고 제품 선택 및 구현에 주의하여 올바른 접근 방법을 수행할 경우 이 작업을 성공적으로 안전하게 수행할 수 있습니다.