단일 전원 공급 장치 산업용 로봇 시스템에서 고전압을 분리하는 방법

산업 자동화 응용 분야에서 다중 시스템의 연결은 많은 이점을 제공하지만, 시스템 간 전압 차이가 큰 경우 설계자가 전압 불일치를 관리해야 합니다. 시스템 접지의 큰 차이도 여기에 포함됩니다.

이러한 아날로그 및 디지털 전기적 분리 문제를 다루는 하드웨어 기술은 광학적, 자기적, 정전 용량 장벽이 있습니다. 분리 전송 신호의 유형에는 아날로그 신호, 전력, 디지털 신호가 포함됩니다.

이 기사에서는 적절한 산업용 전압 분리 솔루션과 각각의 응용을 소개합니다.

전기적 분리 장벽

전기적 분리는 전압과 접지 사이의 전류 흐름을 방지함으로써 전기 회로를 분리하는 것입니다. 다음은 직접 연결된 두 개 이상의 회로에서 발생하는 전류 흐름입니다(그림 1).

그림 1: 산업용 로봇에 대한 이 세부 이미지는 제어 장치, 모터 구동기, 전력 섹션 간의 통신과 함께 이러한 블록의 분리 요구사항을 보여 줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

전기적 분리의 경우 직접적인 전도 경로가 없습니다. 이러한 회로 유형의 장점은 광학계, 자계 또는 전계를 사용하여 전기적 장벽을 통해 아날로그 또는 디지털 정보를 교환할 수 있다는 것입니다. 이러한 광학계, 자계, 전계는 많은 기회를 열어줍니다. 우선 여러 시스템이 서로 다른 접지와 전압 전위에서 안전하고 올바르게 작동할 수 있습니다. 또한 아날로그 또는 디지털 정보를 교환할 수 있으며, 프로세스에서 서로 간섭하거나 훼손하지 않습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 설계자는 각자의 회로에 적합한 전기적 분리 기술을 찾아내야 합니다. 광학적(LED, 광 다이오드), 전기적(커패시터) 또는 자기적(인덕터) 옵션 중 선택할 수 있습니다. 여기에서는 실리콘 또는 반도체 패키지의 일부에 모든 분리 장벽이 구현되어 있음을 알 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 광학적 결합에는 LED와 광 다이오드가 필요합니다. 유도적 결합에는 절연기로 분리된 두 개의 권선이 필요합니다. 정전 용량적 결합에는 절연기로 분리된 두 개의 컨덕터가 필요합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

광학적 분리

광학적 분리에는 송신 LED와 수신 광검출기 사이의 분리가 필요합니다. 전기적 분리의 경우, LED는 투명한 폴리이미드와 같은 절연 재료를 통해 광 다이오드로 향하게 됩니다.

그림 3: 광 커플러에는 리드 프레임에 에폭시된 송신기(LED)와 광 다이오드(수신기)가 포함되어 있으며, 이들 사이에는 투명 폴리이미드가 있어 분리 장벽을 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

광학적 분리의 장점은 전기장과 자기장의 영향을 받지 않는다는 것입니다. 그러나 LED는 수명 주기에 걸쳐 성능이 저하됩니다.

광학적 장벽을 위한 아날로그 신호 응용

광학적 분리 장치의 장벽은 아날로그 또는 디지털 신호를 전송할 수 있습니다. Vishay Semiconductor Opto Division의 IL300 선형 광 커플러는 패키지 내부에 하나의 LED와 두 개의 광 다이오드가 있는 선형 광학적 분리 장치로, 모두 서로 전기적으로 분리되어 있습니다. IL300 칩에서, LED 조명은 두 개의 광 다이오드에 똑같이 비추어 동일한 전류를 생성합니다(I_P1 및 I_P2)(그림 4).

그림 4: IL300 LED와 광 다이오드 1(I_P1)은 분리 장벽의 왼쪽에 있습니다. 광 다이오드 2(I_P2)는 분리 장벽의 오른쪽에 있습니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductor Opto Division)

그림 4에서, U1 증폭기는(Texas Instruments, TLV9064IDR) IL300 LED 를 구동하여 피드백 광 다이오드 전류를 생성합니다(I_P1). 피드포워드 광 다이오드 전류(I_P2)는 분리된 R2 저항기를 통해 보내지는데, R2 저항기는 분리된 U2 증폭기의 피드백 루프에 있습니다. 이 회로에서, 이득은 R2/R1입니다. 또한, V_out 신호는 V_CC1 대 V_CC2의 변화와 두 접지에 영향을 받지 않습니다.

LED 밝기는 시간이 지남에 따라 감소합니다. 그러나 그림 4의 시스템은 LED의 밝기 레벨의 영향을 받지 않으므로 LED가 켜져 있기만 하면 됩니다. 광 다이오드 두 개가 모두 동일하게 캡처됩니다. 그림 1의 제품 구성도에 IL300을 사용하려면, 인간 기계 인터페이스(HMI)와 로봇 컨트롤러 사이에 배치하는 것이 적절합니다.

광학적 장벽을 위한 디지털 신호 응용

광 커플러의 또 다른 응용은 장치를 디지털 송신기로 사용하는 것입니다. Vishay Semiconductor Opto Division의 SFH6750-X007T 이중 채널 광 커플러와 QT Brightek의 QTM601T1 단일 채널 광 커플러는 개방 드레인 NMOS-트랜지스터 출력을 가진 고속 광 커플러로서, 아날로그 디지털 컨버터(ADC)의 3채널 디지털 출력을 쉽게 분리합니다(그림 5).

그림 5: SFH6750 이중 채널 광 커플러와 QTM601T1 단일 채널 광 커플러는 24비트 ΔƩ ADC를 분리하는 분리 장벽을 만듭니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 5에서, 24비트 델타 시그마(ΔΣ) 컨버터의 직렬 출력 코드는 회로의 분리된 측면에서 시스템 측면으로 통신합니다. SFH6750은 이 전송을 디지털 도메인에서 광학적으로 수행합니다.

SFH6750과 QTM601T1 구성은 10메가보드(Mbd)에 달하는 전송 속도를 제공하여 고속 데이터 응용 제품에 적합하도록 합니다. 그림 1의 제품 구성도에서, ADC 인터페이스는 인간 기계 인터페이스(HMI)와 로봇 컨트롤러 사이에 배치하는 것이 적합할 수 있습니다.

유도적 분리

유도적 분리는 서로 포개져 있으면서 그 사이에 분리 유전체 물질이 있는 두 개의 코일을 사용합니다. AC 신호를 인가하면 자기장이 생성되며, 이 자기장으로 인해 2차 코일에 전기장이 유도됩니다(그림 6).

그림 6: 변압기 구성에는 폴리이미드로 분리된 두 개의 권선이 사용됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

유도 분리는 효율성이 높습니다. 그러나 자기장의 영향을 받기 쉽습니다.

유도성 코일 기반 장벽을 위한 전력 응용

자기적 분리 장벽은 아날로그 및 전력 분리 응용에 유용합니다. 전력 컨버터 Analog Devices의 ADP1621ARMZ-R7 분리형, 승압 DC-DC 컨트롤러를 위한 인덕터 및 외부 전력 FET는 각각 T1과 Q3입니다(그림 7).

그림 7: ADuM3190 자기적 분리 증폭기와 ADP1621 승압 DC-DC 스위칭 컨트롤러를 사용한 참조 설계입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 7에서, Analog Devices의 ADUM3190ARQZ-RL7 안정성 높은 선형 분리 에러 증폭기는 T1의 2차측에서 1차측으로 아날로그 피드백 신호를 제공합니다. 전체 회로는 5V ~ 24V에서 작동하므로 표준 산업용 전원 공급 장치에 적합합니다.

정전 용량 분리

정전 용량 분리 소자를 구성하려면 가까이 인접해 있는 두 개의 판이 필요하며, 이 두 개의 판 사이에 유전체 재료가 있어야 합니다. 이 분리 현상을 생성하기 위해 정전 용량 판 사이에 이산화규소(SiO₂) 재료를 주입할 수 있습니다. 이 구성에서 SiO₂의 분해는 500V/µm ~ 800V/µm에서 일어납니다. 이러한 유형의 절연기에 대한 일반적 거리는 27mm이며, 분리 장벽은 13.5kV ~ 31.6kV가 됩니다(그림 8).

그림 8: 정전 용량 판 사이의 유전체는 이산화규소(SiO₂)이며, 500V/mm ~ 800V/mm의 분리 보호를 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

정전 용량 분리는 작은 공간에 적합합니다. 그러나 주변 회로망의 복잡성이 광학 및 자기 솔루션보다 훨씬 더 중요합니다.

정전 용량 장벽을 위한 아날로그 응용

Texas Instruments의 AMC1301DWVRQ1 또는 AMC1311DWV와 같은 일반적인 커패시터 아날로그 절연기는 아날로그 신호를 받아 디지털 표현으로 변조하고 이렇게 디지털화된 신호를 장벽을 통해 전송합니다(그림 9).

그림 9: AMC1311DWV 정전 용량 완전 차동 아날로그 절연기는 장벽을 통해 2차 델타-시그마(Δ) 변조기 신호를 장벽을 통해 전송합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

장벽의 수신기 측에서는 신호가 차동 출력 아날로그 신호로 다시 복조됩니다.

모터 제어기 환경에서의 유도성 부하는 높은 스위칭 전압 스윙에 쉽게 영향을 받습니다. 올바른 작동을 보장하기 위해서는 이 불안정한 환경을 계속해서 모니터링해야 합니다. 분리 전압 감지는 산업용 모터 구동 회로에서 높은 공통 모드 전압을 줄이기 위해 저항 분배기를 사용하며, AMC1301와 AMC1311 분리 증폭기에 적합한 모터 제어 응용입니다(그림 10).

그림 10: AMC1301은 유도 브리지에 흐르는 FET 전류를 감지합니다. AMC1311은 주파수 인버터에서 DC 버스 전압을 감지합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

그림 10에서, 위상 전류 측정은 션트 저항기 R_SHUNT와 AMC1301 분리 증폭기를 통해 수행됩니다. MC1311의 높은 임피던스 입력과 높은 공통 모드 일시 내성은 시스템 구성의 안정성 판독을 위해 바이어스 전압인 V_BIAS를 감지합니다. AMC1311은 모터 구동에 사용되는 주파수 인버터의 전력 스테이지와 같이 잡음이 많은 환경에서도 안정적이고 정확하게 작동합니다.

AMC1301과 AMC1311은 자기적 간섭을 견딜 수 있으며 최대 7kV_PEAK의 전기적 분리를 제공합니다. AMC1301와 AMC1311는 분리형 전원 공급 장치와 함께 사용하면 공통 모드 고압선 상의 잡음 전류가 로컬 접지로 들어가서 민감한 회로를 방해하거나 손상을 입히는 것을 막을 수 있습니다.

정전 용량 장벽을 위한 디지털 응용

전형적인 정전 용량 디지털 절연기는 디지털 신호를 수신하여 적절한 AC 신호로 변조한 후, 이 신호를 복조기로 보내 DC 신호를 출력 핀으로 전송할 수 있도록 합니다(그림 11).

그림 11: 정전 용량 디지털 절연기는 High DC 입력을 AC 신호로 변조해야 합니다. AC 신호는 분리 장벽을 통과하여 원래의 High DC 값으로 다시 복조됩니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

그림 11에서, 전송된 신호가 High 상태를 유지하는 한 수신기 측에서 High 디지털 송신 신호를 생성할 수 있습니다. 이 논리의 충돌점은 전하가 커패시터 판에서 소멸되거나 수신기 측에 전력 차단이 발생하는 경우 입력 상태가 High여도 출력이 0으로 바뀔 수 있다는 것입니다. 이런 경우, 수신기의 디지털 High 상태가 손실됩니다. 이 문제를 해결하기 위해 변조기는 디지털 '0' 상태를 위해 단일 저전압을 생성하고, 디지털 '1' 상태를 위해 빠른 AC 레일 투 레일 신호를 생성합니다(그림 12).

그림 12: 디지털 정전 용량 절연기는 입력 코드가 '1'일 때, AC 신호를 장벽을 통해 전송해야 합니다. 입력 코드가 '0'인 경우에는 이 AC 신호가 필요하지 않습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

정전 용량 디지털 분리 예제에서는 Silicon Labs의 SI8422 및 SI8423 디지털 결합기를 사용하여 마이크로 컨트롤러와 ADC 사이의 디지털 회선을 연결합니다(그림 13).

그림 13: 4채널 분리형 SPI 인터페이스로서, 3개 채널은 왼쪽에서 오른쪽으로, 1개 채널은 오른쪽에서 왼쪽으로 신호를 보냅니다. (이미지 출처: DigiKey)

정전 용량 디지털 장치는 데이터 전송률을 높이고 전파 지연을 낮추면서 전력을 적게 소비합니다. 두 장치 모두 최대 150Mbits/s의 데이터 전송률을 지원합니다.

결론

광학적, 자기적, 정전 용량 전기적 분리 장벽은 아날로그 및 디지털 전송 신호를 처리할 때 산업 자동화 응용 분야의 다중 시스템에서 발생하는 문제를 해결할 수 있습니다. 3개 하드웨어와 2개 신호 전송 기술의 조합을 통해 적절한 산업 자동화 솔루션을 실현할 수 있습니다.