결함 있는 하드웨어로부터 개발 도구를 절연하는 방법

테스트 및 디버깅을 위해 개발 도구, 랩톱, 기타 리소스를 전자 장비에 연결하는 것은 위험한 일입니다. 시스템 작동 방식을 모니터링하려면 UART, SPI, I²C 및 기타 버스를 통한 직접 연결이 필요하기는 하지만 개발 중인 하드웨어는 고장이 발생할 가능성이 높습니다. 그렇게 되면 인터페이스를 통해 원치 않는 전압과 전류를 흘려보내 도구와 랩톱을 손상시킬 수 있습니다.

도구는 고가인 경우가 많을 뿐만 아니라 머피의 법칙에 따라 하드웨어와 도구는 최악의 타이밍에 고장이 나게 마련입니다. 그 결과 프로젝트가 지연되고 작업대를 다시 정비하여 작동 가능 상태로 만들기 위한 익일 배송에 추가 비용이 들게 됩니다.

이 기사는 개발자가 30분 이내에 구축할 수 있는 저렴한 절연 IC 기반 인터페이스를 이용해 도구 투자 비용을 보호할 수 있는 방법에 대해 설명합니다. 또한 그러한 절연기를 선택하는 방법을 설명하고 하드웨어에 문제가 발생할 경우 개발 도구와 랩톱이 이에 영향을 받지 않도록 보장하는 유용한 정보도 몇 가지 제공합니다.

절연기 선택 시 고려할 사항

절연기는 회로를 절연 장벽으로 분리된 두 회로로 나눕니다. 장벽 각 측에 있는 회로는 전력 공급 및 접지가 별도로 이루어집니다. 장벽은 고전압과 과도를 차단하는 필터 역할을 하면서 결합 메커니즘을 통해 디지털 정보나 데이터만 한 쪽에서 다른 쪽으로 전송되도록 허용합니다. 결합 메커니즘은 보통 정전 용량, 자기 또는 광학적 방식으로 이루어집니다.

대부분의 경우 보호하고자 하는 인터페이스에 사용 가능한 옵션이 하나 이상이라는 것을 알게 될 것입니다. 예를 들어, I²C 절연기는 정전 용량 및 자기 변형 제품으로 제공되는 경우가 많습니다. 기술을 선택하기 전에 작업 환경을 이해해야 합니다.

정전 용량 결합은 절연 장벽 너머로 데이터를 전송하는 데 변화하는 전계를 사용하며 이로 인해 강력한 자기장이 있을 수 있는 응용 분야에서 유용합니다. 정전 용량 결합은 더 작은 기판 실장 면적을 차지하고 더 높은 에너지 효율성을 제공하는 경향이 있습니다. 두 가지 모두 수많은 응용 분야에서 유용할 수 있는 특징입니다. 하지만 정전 용량 결합은 공유 신호 경로로 인한 잡음으로 문제가 발생할 수도 있다는 점에 유의해야 합니다.

자기 결합은 절연 장벽 너머로 데이터를 전송하는 데 변화하는 자기장을 사용하며 이로 인해 강력한 전계가 있을 수 있는 응용 분야에서 유용합니다. 자기 결합은 소형 변압기를 사용하는 경우가 많아 잡음 감소에 도움이 되며 장벽 너머로 에너지를 전달하는 데 대단히 효율적입니다.

광 결합은 비전도성 장벽 너머로 빛을 전달하는 데 광학 펄스를 사용하며 이로 인해 시끄러운 전기 및 자기 환경에서 최적의 선택이 될 수 있습니다. 자기 및 정전 용량 결합 신호와 달리 광 결합은 장벽 너머로 꾸준한 상태 신호를 전송할 수 있습니다. 광 커플러 사용의 단점은 속도가 제한될 수 있고 작동에 더 많은 전력이 필요하다는 점입니다.

이러한 다양한 기술과 특성을 염두에 두고, 다음 단계에서는 다양한 몇몇 버스 프로토콜을 검토하고 다양한 인터페이스에서 개발 도구를 절연하는 방법을 알아보겠습니다.

I²C 절연기 선택

개발자가 마이크로 컨트롤러 이외의 장치를 위한 드라이버를 개발하는 좋은 방법은 일종의 버스 스파이 도구를 사용하는 것입니다. 개발자는 이러한 도구를 이용해 버스 트래픽을 모니터링할 수 있습니다. 개발자는 가격대가 더 높은 고품질의 도구를 이용해 버스에 메시지를 주입할 수도 있습니다.

짧은 일화: 전에 고객의 I²C 버스에 연결된 I²C/SPI 콤보 도구를 사용한 적이 있었습니다. 고객사 하드웨어가 고장 나 I²C 버스 전반에서 전압이 42V나 떨어져 하드웨어가 손상되면서 제 개발 도구에도 문제가 생겼습니다. 제 도구를 보호하기 위해 I²C 절연기를 사용했더라면 새 도구와 긴급 배송에 추가 비용을 지출하지 않아도 되었을 것입니다.

I²C 절연기를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 특성이 있습니다. 첫째로, 전압 분리는 최소한 2500V rms여야 합니다. 이 수준의 절연은 내장형 개발 도구 문제의 90% 이상으로부터 보호할 수 있습니다. 둘째로, 절연기의 데이터 전송률을 검토해야 합니다. 표준 I²C는 100kbps 및 400kbps로 작동하고 고속 I²C는 1000kbps로 작동합니다. 어떤 절연기 및 절연기 기술을 선택하는 것이 가장 좋은지는 도구 또는 응용 제품에 따라 결정됩니다.

개발 도구 보호에 우수한 성능을 보이는 몇 가지 범용 I²C 절연기가 있습니다. 범용 절연기의 경우 Analog Devices의 ADUM3211ARZ-RL7이 좋은 옵션입니다(그림 1).

그림 1: ADUM3211은 최대 1000kbps에서 작동할 수 있는 범용 2채널 자기 결합 절연기입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

ADUM3211은 장벽 너머로 데이터를 전송하는 데 자기 결합을 사용하며 최대 1000kbps의 데이터 전송률을 제공합니다. 따라서 이 절연기는 고속 I²C를 처리할 수 있지만 양방향 장벽을 포함하지는 않습니다. 이는 개발 도구가 버스를 모니터링할 수 있지만 버스에 쓰기 작업을 수행할 수는 없다는 의미이기 때문에, 대부분의 응용 분야에서 문제 없이 활용될 수 있습니다.

버스를 모니터링하는 한편 데이터를 주입할 수 있는 개발 도구를 보호하려면 Texas Instruments의 ISO1541DR I²C 절연기가 탁월한 선택입니다(그림 2). ISO1541은 SOIC-8 패키지에서 정전 용량 결합을 이용해 최대 1000kbps의 속도로 양방향 데이터를 전송합니다. 이 절연기에는 데이터 신호(SDA)를 위한 절연 채널과 클록 신호(SCL)를 위한 절연 채널 등 두 개의 개별 절연 채널이 포함되어 있습니다.

그림 2: Texas Instruments의 ISO1541DR I²C 절연기에는 최대 1000kbps로 작동할 수 있는 2개의 양방향 절연 채널이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

그림 1 및 그림 2를 통해, 이러한 장치에서는 도구 측에서 절연기 측에 전력을 제공하고 대상 측이 해당 측에 전력을 공급해야 한다는 것을 알 수 있습니다. 각 소스에서 이러한 항목에 전력을 공급하는 것을 잊는 것은 장벽 너머와의 통신 부족의 일반적인 원인이 되므로 양측에 대한 전력 공급을 보장하려면 설정 중에 주의를 기울여야 합니다.

SPI 절연기 선택

SPI 버스는 I²C 버스에 비해 보호하기가 다소 까다로울 수 있습니다. 버스에 연결된 장치의 개수와 상관없이 I²C 버스에는 단 2개의 통신 라인이 포함됩니다. 하지만 SPI 버스에는 마스터 출력, 마스터 입력, 클록을 위한 세 개의 데이터 회선이 있습니다. 이러한 세 개의 회선 외에, SPI 버스에 연결된 모든 장치에는 슬레이브 선택 회선이 필요합니다. 모든 SPI 절연기에는 슬레이브 선택 회선을 위한 절연 라인도 몇 개 포함해야 합니다.

SPI 개발 도구를 보호하는 데 매우 적합한 몇 가지 옵션이 있습니다. 첫 번째 옵션은 Analog Devices의 ADUM3154 SPI 절연기입니다. ADUM3154는 자기 결합을 이용해 최대 17Mbps로 절연 장벽 너머로 데이터를 전송합니다. 이는 대부분의 마이크로 컨트롤러 SPI 주변 장치의 최대 보드 속도인 4Mbps를 능가할 뿐만 아니라 메모리 인터페이스 컨트롤러로서도 일반적인 데이터 전송률입니다. ADUM3154도 최대 4개의 절연 슬레이브 선택을 지원합니다(그림 3).

그림 3: ADUM3154는 Analog Devices의 4채널 SPI 절연기로 최대 17Mbps의 데이터 전송률을 감당할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

17Mbps가 충분히 빠르지 않다면 Analog Devices에서 제공하는 ADUM3151BRSZ-RL7도 사용할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: ADUM3151은 Analog Devices의 7채널 SPI 절연기로 최대 34Mbps의 데이터 전송률을 감당할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

ADUM3151도 자기 결합을 이용하나 최대 34Mbps의 데이터 전송률을 감당할 수 있습니다. 또한 슬레이브 선택에 사용할 수 있는 4개의 채널이 있습니다.

직렬 와이어 디버그(SWD) 절연기 선택

내장형 소프트웨어 엔지니어가 일반적으로 보유하는 개발 도구 중 가장 고가에 속하는 제품 중 하나가 바로 디버그 프로브입니다. 좋은 디버그 프로브는 수천 달러가 넘기도 합니다. 프로그래밍 라인에 문제가 생길 가능성은 낮지만 도박을 걸 가치는 없습니다.

개발자는 모든 SWD 라인을 보호하기 위한 자체 절연 솔루션을 개발할 수도 있겠지만 시간과 비용이 너무 많이 들게 됩니다. 대신 사용할 수 있는 간단한 해결책은 바로 SEGGER Microcontroller Systems의 J-Link SWD 절연기를 사용하는 것입니다(그림 5).

그림 5: SEGGER Microcontroller Systems J-Link SWD 절연기는 디버그 프로그래머와 대상 시스템 간에 1000V의 절연을 제공합니다. (이미지 출처: SEGGER Microcontroller Systems)

J-Link SWD는 에뮬레이터와 대상 하드웨어 사이에 1000V_DC의 절연을 제공합니다.

UART 절연기 선택 및 구축

상당수의 개발자가 UART를 절연하는 것을 시간 및 비용 낭비라고 생각할 수도 있습니다. SparkFun Electronics의 BOB-12731 USB-직렬 브레이크아웃 기판과 같은 저렴한 도구는 혹시 무슨 문제가 발생해도 쉽게 대체할 수 있기 때문입니다. 하지만 일단 문제가 발생하게 되면, 이에 연결되어 있는 수천 달러 상당의 컴퓨터 장비까지 위험해질 수 있으므로 보호가 필요합니다. 추가로 투자하는 시간과 비용은 그만한 가치를 제공할 수 있습니다.

UART 보호 회로를 구성하는 것은 단순한 일이며 유사한 단계를 따라 다른 버스 인터페이스를 보호할 수도 있습니다. 우선 절연기를 선택해야 합니다. 앞에서 언급했던 ADUM3211에는 반대되는 방향에 2개의 고속 절연 채널이 있으므로 좋은 옵션입니다. 이는 서로 바로 옆에 놓이는 경우가 많은 UART의 Tx/Rx 라인에 완벽하게 적합합니다.

절연기를 선택했다면, 개발자는 Aries Electronics의 LCQT-SOIC8-8과 같은 브레이크아웃 기판을 갖출 수 있습니다(그림 6). 여기에는 이미 헤더가 포함되어 있으며 BOB-12731에 쉽게 납땜할 수 있습니다.

그림 6: Aries Electronics LCQT-SOIC8-8은 이미 기판에 점퍼가 있어 장치 대상에 빠르게 연결할 수 있는 SOCI-8 칩용 브레이크아웃을 제공합니다. (이미지 출처: Aries Electronics)

기판에 절연기를 납땜하고 UART 어댑터에 납땜할 때는 전압과 접지 핀이 적절하게 정렬되어 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 제대로 정렬되어 있지 않다면 절연기에 전력이 공급되지 않습니다. 절연기 채널 방향이 올바른 방향을 향하는지 확인하는 것도 중요합니다. 브레이크아웃 기판 또는 절연기가 적합하게 정렬되어 있지 않을 경우 기판을 맞춰야 할 수도 있습니다(그림 7).

그림 7: USB-UART 컨버터에 연결된, 조립된 UART 절연기 회로는 대상 장치와의 절연된 맞춤 통신을 제공합니다. (이미지 출처: Beningo Embedded Group)

USB-UART 컨버터가 조립되면 절연기의 도구 측에 전력을 공급하는 반면 대상 장치는 대상 측에 전력을 공급합니다. 그 결과 최대 2500V에 대해 보호되는 양방향 절연 UART 도구가 구성됩니다.

개발 도구 절연을 위한 유용한 정보

개발 도구 보호에 사용될 수 있는 기술과 절연 인터페이스는 여러 가지입니다. 다음은 이러한 투자를 보호하기 위한 몇 가지의 유용한 정보입니다.

• 규격서를 검토하고 전압 분리 사양이 요구 사항을 충족하는지 확인하세요.
• 다양한 절연 메커니즘에 대해 알아보고 응용 분야에 적합한 기술을 선택하세요.
• 잠재적으로 접지 경로를 손상시킬 수 있으므로 랩톱의 USB 포트로 다시 연결되는 모든 버스 또는 인터페이스를 절연하세요.
• 선택된 절연기에 대해 기존 개발 키트를 활용하거나 브레이크아웃 기판을 사용해 개발 시간과 비용을 단순화하세요.
• SWD 절연기를 사용해 전문 디버거를 보호하세요.

결론

대부분의 내장형 시스템 개발자는 값비싼 개발 도구를 테스트 중인 하드웨어에 연결하는 것에 대해 신중하게 고려하지 않습니다. 일반적으로는 문제가 되지 않지만 예상치 못한 일이 발생해 개발 도구가 사양을 초과하는 전압 및 전류에 노출되는 상황이 발생하면 손상이 유발됩니다. 막판에 작업대를 실행 가능 상태로 준비하기 위해 서두르게 되는 일을 방지하려면 현재 이용 가능한 여러 절연 솔루션을 이용해 도구를 적절하게 절연하는 데 몇 시간만 투자해 보세요. 더 적은 비용으로, 더 효율적으로 개발 공정을 운영할 수 있습니다.