고급 디지털 아이솔레이터를 사용하여 격리 및 성능을 최적화하는 방법

전자 시스템 설계자는 사용자 및 장치 안전에 대한 규제 지침을 충족하면서 성능 요구 사항을 충족하기 위해 전력 및 신호 격리를 통합해야 합니다. AC 전력 경로의 격리는 변압기를 사용하여 쉽게 수행할 수 있습니다. DC 전력 레일을 격리할 때에도 더 많은 회로망이 필요하기는 하지만 궁극적으로는 변압기에 달려 있습니다. 그러나 디지털화된 아날로그 신호 격리와 디지털 직렬 데이터 스트림 격리는 주어진 과제와 복잡성이 다릅니다.

이 경우, 격리에 사용된 에너지 전달 기술은 시스템 성능을 유지하기 위해 격리 장벽에 걸쳐 신호 무결성을 유지해야 합니다. 격리를 구현하는 방법은 여러 가지가 있지만 설계자는 더 높은 데이터 전송률과 더 까다로운 환경에서 신호 무결성을 유지해야 합니다. 따라서, 150Mbps(초당 메가비트)로 데이터를 전송할 수 있는 디지털 아이솔레이터를 사용하는 설계자들이 점점 더 증가하고 있습니다.

이 기사에서는 격리가 필요한 이유를 간단히 알아보고 센서 기반 회로의 필요성을 중점적으로 살펴보겠습니다. 그런 다음 Analog Devices의 최첨단 디지털 아이솔레이터를 사용하여 격리의 다양한 측면을 살펴보고 그 사용 방법을 소개합니다.

격리 이유와 위치

센서 기반 회로에 격리가 필요한 이유에는 여러 가지가 있습니다.

1. 격리를 통해 공통 모드 전압 변동을 제거하고 일부 유형의 전자기 간섭(EMI)을 최소화할 수 있습니다. 또한 외부 잡음원이 수집된 신호를 손상하지 않도록 방지함으로써 더 깨끗하고 정확한 측정을 보장하며 높은 공통 모드 전압을 가진 소신호도 측정할 수 있습니다.
2. 회로 접지 간 전위 차이로 인해 접지 루프는 측정된 신호를 왜곡하는 전압 차이를 야기할 수 있습니다. 격리를 수행하면 접지 루프가 끊깁니다.
3. 격리를 통해 위험한 전압 스파이크, 과도 현상 또는 서지가 민감한 측정 부품에 도달하지 않도록 방지할 수 있습니다. 이로써 측정 회로망, 연결 장치, 사용자를 보호할 수 있습니다.
4. 격리는 서로 다른 회로 기능 간에 안전한 레벨 변환을 지원합니다. 격리 장벽의 한쪽 회로망은 트랜스듀서 전압이고 다른 쪽 회로망은 논리 수준 신호에 대해 3.3V 또는 5V일 수 있습니다.

예를 들어, 고전압 배터리 스택에서 시스템이 안전하게 작동하고 가능한 가장 긴 배터리 수명을 달성하도록 보장하기 위해 개별 셀 전압을 알아야 하는 경우가 많습니다. 직렬로 연결된 배터리 스택을 따라 수백 볼트의 공통 모드 전압이 존재하더라도 단일 셀 양단의 전압을 측정해야 합니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 아날로그 회로망 및 아이솔레이션 증폭기를 사용할 수 있지만 이러한 접근 방식은 시스템 정확도, 선형성, 일관성을 유지하면서 더 높은 대역폭과 분해능으로 측정해야 하는 필요성을 충족하지 못합니다.

대신, 이러한 측정을 수행하는 가장 정확하고 경제적이며 효율적인 기법은 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함한 전체 측정 프런트 엔드를 격리한 다음 시스템의 나머지 부분에 대해 디지털화된 데이터의 격리된 직렬 링크를 사용하는 것입니다(그림 1).

그림 1: 고전압 스택에서 단일 셀의 전압을 측정할 때 격리된 프런트 엔드를 사용하면 공통 모드 전압의 문제를 극복할 수 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

이 접근 방식은 결함 발생 시 위험한 고전압이 데이터 링크 사이드 또는 사용자에게 이동하지 않도록 방지하면서 배터리 스택의 공통 모드 전압을 격리합니다.

격리되지 않은 저력 레일은 신호 격리를 부정하고 무효화하므로 신호 격리가 필요한 경우에는 항상 격리된 전력을 제공해야 합니다. 필요한 전력 격리는 별도의 전력 격리 회로를 통해 또는 격리된 독립적인 전원으로 배터리를 사용하여 구현할 수 있습니다.

격리를 제공하는 방법

격리 성능을 정의하는 여러 파라미터 가운데 격리 장벽이 견딜 수 있는 최대 전압이 있습니다. 응용 제품에 따라 일반적으로 수천 볼트의 필요한 최대 전압이 규정되어 있습니다.

디지털 신호를 격리하기 위해 여러 고유한 기술을 사용할 수 있습니다. 여기에는 정전 용량 방식 결합, 광 결합(LED 및 광 트랜지스터), '마이크로' 규모의 RF 전송 및 자기 결합이 포함됩니다.

자기 결합의 경우 여러 긍정적 특성을 가진 신뢰할 수 있는 기술이지만 역사적으로 상대적으로 크고 비용이 많이 드는 신호 변압기가 필요했습니다. 이러한 상황은 Analog Devices의 iCoupler 기술이 등장하면서 달라졌습니다. 이 접근 방식은 폴리이미드 절연층으로 생성된 격리 장벽에 의해 분리된 칩 규모의 1차 및 2차 변압기 코일을 사용합니다(그림 2). 고주파 반송파는 격리 장벽을 가로질러 2차 코일에 데이터를 전송합니다.

그림 2: iCoupler 기술은 고주파 반송파를 사용하여 1차 코일에서 두꺼운 폴리이미드 절연을 가로질러 2차 코일로 데이터를 전송합니다(이미지 출처: Analog Devices).

작동 중 1차 변압기는 1차 코일을 통해 펄스형 전류에 의해 구동되어 국부적이고 작은 자기장을 형성하며 이러한 자기장에 의해 2차 코일의 전류가 유도됩니다. 전류 펄스는 약 1ns(나노초)로 짧기 때문에 평균 전류가 낮으므로 낮은 전력 소비를 보장할 수 있습니다. 또한 펄스 발생에 사용되는 on/off 키(OOK) 기술과 차동 아키텍처는 매우 낮은 전파 지연과 고속 성능을 제공합니다.

iCoupler에 사용되는 중합체 재료는 거의 모든 응용 제품에서 검증된 재료로 견고한 격리를 제공합니다. 의료 장치 및 중공업 장비와 같이 가장 까다로운 사용 사례의 경우 이러한 성능의 이점을 가장 많이 얻을 수 있습니다.

폴리이미드도 대체 장벽 재료인 이산화규소(SiO₂)보다 응력이 낮으며 필요에 따라 두께를 늘릴 수 있습니다. 반면, SiO₂ 두께와 격리 성능은 제한적입니다. 15μm(마이크로미터)를 초과하는 두께에 응력이 가해지면 처리 중 웨이퍼에 균열을 일으키거나 아이솔레이터의 수명에 걸쳐 박리를 발생시킬 수 있습니다. 폴리이미드 디지털 아이솔레이터는 26μm 두께의 격리층을 사용합니다.

Analog Devices는 변압기 기반의 다양한 iCoupler 디지털 아이솔레이터를 제공합니다. 여기에는 CAN, RS-485, SPI 인터페이스에 대한 ADUM340E0BRWZ-RL, ADUM341E0BRWZ-RL, ADUM342E1WBRWZ 3000V rms, 150Mbps 아이솔레이터가 포함됩니다.

이 세 개의 디지털 아이솔레이터는 통칭적으로 ADuM34xE 장치라고 하며 주로 채널 방향성이 다릅니다. ADuM340E에는 4개의 포워드 채널이 있고 ADuM341E에는 3개의 포워드 채널과 1개의 리버스 채널이 있으며, ADuM3421에는 2개의 포워드 채널과 2개의 리버스 채널이 있습니다(그림 3).

그림 3: ADuM34xE 계열에 포함된 3개의 4채널 디지털 아이솔레이터는 유사한 사양을 가지지만 채널 방향성이 다릅니다(이미지 출처: Analog Devices).

3개의 아이솔레이터 각각은 두 개의 페일 세이프 모드 중 선택할 수 있습니다(그림 4). 즉, 입력측이 off이거나 작동하지 않는 경우 출력 상태를 low로 설정하거나(low 페일 세이프) 입력측이 off이거나 작동하지 않는 경우 출력 상태를 high로 설정할 수 있습니다(high 페일 세이프). 이렇게 하면 중요 응용 제품에 사용될 경우 아이솔레이터를 알려진 상태로 되돌릴 수 있습니다.

그림 4: low 페일 세이프(상단) 및 high 페일 세이프(하단) 옵션을 보여주는 ADuM34xE 장치 단일 채널에 대한 작동 블록 다이어그램이 나와 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

입력측(그림 3의 V_DD1 핀) 공급 장치와 출력측(V_DD2) 공급 장치 간에는 관계가 없습니다. 이러한 공급 장치는 지정된 작동 범위 내 모든 전압에서 임의 순서의 시퀀스로 동시에 작동할 수 있습니다. 아이솔레이터는 이 기능을 사용하여 2.5V, 3.3V, 5V 논리의 전압 변환을 수행할 수 있습니다.

ADuM34xE 성능 특성의 미묘한 차이

ADuM34xE 아이솔레이터의 높은 격리 전압, 빠른 속도, 낮은 전력, 낮은 전파 지연은 직접적 응용성을 제공하지만 그 아키텍처에는 설계자가 사용할 수 있는 미묘하게 다른 더 많은 이점이 있습니다. 예를 들어, 총 전력 소비량은 작동 주파수에 따라 달라지고 전력 요구 사항은 장치가 작동하는 속도에 대략적으로 비례합니다. 따라서 유휴 상태의 채널이나 매우 낮은 속도로 스위칭되는 채널은 전력 소비량이 거의 없습니다. 결과적으로 대체 격리 기술과 비교할 때 전력 소비량이 한 자릿수에서 두 자릿수 정도 상대적으로 감소됩니다.

또한 설계자가 응용 제품의 최대 직렬 클록 속도를 결정하면 이 속도를 지원하기에 충분한 전류만 공급하도록 관련된 격리 전원 공급 장치를 선택할 수 있으므로 아이솔레이터의 최대값을 넘어 과도하게 지정할 필요가 없습니다.

고속 직렬 링크에서 타이밍 및 전파 지연의 중요성을 고려할 때 디지털 아이솔레이터 성능은 시간 및 온도에 따라 떨어지거나 달라지지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 파형 기간과 비교하여 오차가 작은 낮은 신호 속도에서는 지터가 그다지 문제가 되지 않지만 데이터 전송률이 높은 경우 타이밍 지터가 신호 간격의 큰 부분을 차지합니다. 지터가 가장 낮은 아이솔레이터를 선택하면 격리 회로의 신호대 잡음비(SNR) 및 효율성을 증폭할 수 있습니다.

iCoupler 아키텍처의 이러한 특징으로 인해 이 장치 규격서에서는 -40°C ~ +125°C의 전체 작동 온도 범위에 대해 보장된 최소 및 최대 전력 소비량, 전달 지연, 펄스 왜곡 사양을 정의합니다. 설계자가 이러한 완전한 사양을 확보하면 최악의 시스템 성능과 관련된 계산을 간소화할 수 있습니다.

전파 지연(최대 10ns)(그림 5), 스큐, 채널 간 정합과 관련된 디지털 아이솔레이터의 보장된 수치를 통해 다른 디지털 IC와 마찬가지로 최고 수준의 시스템 타이밍 사양을 모델링하고 평가할 수 있습니다.

그림 5: iCoupler 기술은 전체 작동 온도 범위에서 10ns 미만의 매우 낮고 완전히 특성화된 전파 지연을 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices).

공통 모드 과도 내성(CMTI)은 잘 알려지지 않았을 뿐만 아니라 쉽게 간과되는 사양입니다. 전기 차량(EV) 및 하이브리드 EV(HEV) 충전 회로망, 태양광 전력 시스템 및 모터 구동기와 같은 고전압 응용 분야에서의 연속적인 스위칭은 링잉 및 잡음과 같은 공통 모드 과도 현상을 일으킵니다. ADuM34xE 장치의 격리 기술은 격리 장벽의 각 측면에서 잡음에 대한 저임피던스 경로를 제공하는 백투백 중심 탭 변압기 아키텍처를 활용합니다. 이를 통해 최소 100kV/µs(마이크로초당 킬로볼트)의 CMTI 정격을 달성하여 격리된 신호의 무결성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

자기학에 익숙한 설계자라면 이러한 아이솔레이터가 자기 간섭의 영향을 받아 격리 장벽을 가로질러 전송 펄스를 손상시키고 오류를 일으킬 수 있다고 우려할 수 있습니다. 변압기의 작은 반지름과 에어 코어는 결함이 발생하려면 매우 큰 자기장과 매우 높은 주파수가 필요함을 의미하므로 이러한 우려는 잘못된 것입니다. 장치에서 불과 5mm 떨어진 전선의 500A(암페어)(1MHz 기준)도 디지털 아이솔레이터에 영향을 미치지 않습니다.

디지털 아이솔레이터 평가

이러한 아이솔레이터의 기능은 간단하지만 이 아이솔레이터를 사용하려면 기판 레이아웃 같은 세부 사항에 주의를 기울여 고전압 격리 성능 및 고속 작동이 손상되지 않도록 해야 합니다.

설계자가 장치를 사용하고 평가하는 데 도움을 주기 위해 Analog Devices는 EVAL-ADUM34XEEBZ iCoupler 디지털 아이솔레이터 인터페이스 평가 기판(그림 6)을 제공합니다. 이 기판은 각 아이솔레이터 모두에 대한 위치 및 레이아웃과 네 번째 미확정(uncommitted) 위치를 제공합니다. 이 기판은 각 부품 간에(U1 ~ U4) v형 그루브를 가지므로 사용자가 기판을 섹션으로 분할하고 브레드보드 또는 유사한 테스트 픽스처에서 특정 장치를 검사할 수 있습니다.

그림 6: EVAL-ADuM34XEEBZ 평가 기판은 3개 ADuM34xE 장치를 모두 지원하며 사용자의 핀아웃 호환 장치 선택을 위한 개방 위치를 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices).

EVAL-ADuM34XEEBZ 기판은 격리 장벽의 각 측면에 있는 접지면을 비롯하여 적절한 인쇄 회로 기판(pc 기판) 설계 사례를 따릅니다. 이 기판을 사용하여 iCoupler 장치를 평가하려면 오실로스코프, 신호 발생기, 2.25V ~ 5.5V 전원 공급 장치만 있으면 됩니다.

결론

격리는 여러 설계에서 신호의 무결성을 유지하고 사용자와 장치의 안전성을 보장하며 규정 의무를 충족하는 데 필요합니다. Analog Devices의 iCoupler 자기 결합 기술을 기반으로 하는 디지털 격리 장치는 쉽게 사용할 수 있고 신뢰할 수 있는 고속 솔루션을 제공합니다. 시간과 온도에 따른 최소한의 저하를 비롯하여 이 장치의 핵심 사양은 뛰어난 장기적 성능을 보장합니다.