래칭 SSR로 온도 조절기, HVAC, 보안, 경보 패널 접점 스위칭 설계 간소화

온도 조절기, HVAC 시스템, 화재 경보 패널, 보안 시스템, 건물 자동화 및 산업 제어와 같은 일반적인 응용 제품에는 감독되는 인접 회로에서 AC 또는 DC 전력의 흐름을 제어하기 위한 간단한 신호가 필요합니다. 전통적으로는 전기 기계 계전기(EMR)가 이러한 응용 제품을 지원해 왔지만, 점점 더 많은 설계에서 더 작은 폼 팩터, 더 높은 장기 안정성, 더 뛰어난 구성 가능성 및 기능, 전체적으로 더 낮은 잡음이 요구되고 있습니다. 소형 IC 패키지로 제공되는 무접점 계전기(SSR)가 이러한 요구 사항을 해결합니다.

이 기사에서는 다양한 2선 및 3선 응용 제품에서 계전기를 사용하여 전원을 스위칭할 때 발생하는 문제들을 살펴봅니다. 그런 다음 Littelfuse의 래칭 SSR을 소개하고 이러한 문제들을 해결하기 위해 이 제품이 어떻게 사용되는지 알아봅니다.

간단해 보이는 문제부터 시작하기

숙련된 설계자라면 기술 솔루션, 부품 명세서(BOM), 인쇄 회로 기판(PC 기판) 공간, 비용 및 사용자 경험과 관련하여 가장 기본적인 문제가 가장 해결이 까다로운 경우가 많다는 것을 알고 있습니다. 그 좋은 예로, 가정이나 기타 환경에서 이미 설치되어 있는 기존의 2선식 배선을 활용해 난방 시스템을 작동시키도록 적용하는 경우가 있습니다. HVAC 산업에서는 이를 '난방 요청(call for heat)'이라고 합니다.

일반적으로, 온도 조절기 제어형 난방과 같은 시스템은 설계와 구현이 매우 간단했습니다. 기존의 T-86(그림 1)과 같은 온도 조절기는 감지된 온도가 설정값 아래로 떨어지면 스위치(금속 또는 수은 습식)를 닫습니다. 그 긴 수명을 증명하듯, 1953년 출시 이후 수천만 개가 판매되어 왔으며 여전히 많이 사용되고 있습니다.

그림 1: 그림은 고전적인 2선식 T-86 온도 조절기입니다(이미지 출처: Cooper-Hewitt Museum).

'건식' 접점이라고 하는 이 접점 폐쇄는 AC 라인에서 강압된 24V_AC가 EMR의 코일에 전원을 공급하도록 하며, 그로 인해 보일러나 기타 열원을 작동시킵니다. 온도 조절기는 완전히 수동적이며 전력을 필요로 하지도 공급하지도 않습니다. 또한 이 계전기는 24V_AC 온도 조절기 제어 루프와 난방 시스템에 전원을 공급하는 AC 라인 사이에 갈바닉 분리를 제공합니다. 간단하고, 안정적이며, 문제 해결이 간편합니다.

이러한 오랜 방식은 디지털 설정값 설정과 온도 판독 기능을 갖춘 온도 조절기가 등장하면서 변화하게 되었습니다(그림 2, 왼쪽). 곧이어 사용자가 날짜과 시간을 설정할 수 있는 스마트 온도 조절기, 그리고 연결성과 정교함을 더한 사물 인터넷(IoT) 장치가 등장했습니다(그림 2, 오른쪽). 패시브 온도 조절기에서 액티브 온도 조절기로 전환되면서, 예상치 못한 새로운 요구 사항, 즉 전원이 필요하게 되었습니다. 기존의 패시브 온도 조절기는 전선이 2개밖에 없기 때문에 필요한 전력을 쉽게 공급할 수 없습니다.

그림 2: 고전적인 스위치 폐쇄 루프는 기본 디지털 온도 조절기(왼쪽) 또는 연결된 IoT 버전(오른쪽)에 전력을 공급할 수 없으므로, 이러한 부하에 전력을 공급하는 방법에 대한 의문을 제기합니다(이미지 출처: PRO1iaq, Ecobee).

이와 같은 전력 문제는 기존의 온도 조절기 및 HVAC 시스템 뿐만 아니라 보안 시스템, 빌딩 자동화, 산업 제어, 계측 응용 제품, 그리고 '활성화'를 위해 단순한 스위치 폐쇄가 적용되는 모든 곳에서도 동일하게 발생합니다.

이 딜레마를 해결하기 위한 2가지 전력 공급 솔루션이 있는데, 각각 단점이 있습니다. 하나는 온도 조절기에 교체 가능한 배터리를 사용하는 방법인데, 이는 주거 및 산업 환경 모두에서 불편합니다. 다른 하나는 온도 조절기에 24V_AC 전력을 공급하기 위해 새로운 세 번째 전선을 연결하는 것입니다. 이 전선을 '공통'(C) 전선이라고 합니다.

많은 실제 환경에서, 특히 가정에서는 온도 조절기에서 난방 시스템으로 새로운 전선을 추가하는 작업이 까다로운데, 전선을 연결하여 배치하고, 벽에 구멍을 뚫으며, 벽에 있는 공간에 화재 방지 장치를 설치해야 하기 때문입니다.

배터리 및 C선의 딜레마를 해결하는 SSR

다행히도 이에 대한 솔루션이 존재합니다. CPC1601M(그림 3)은 2선식 시스템의 한계를 해결하기 위해 설계된 기능을 갖춘 SSR입니다.

그림 3: 부하에 의해 구동되는 CPC1601M 비분리형, 1폼-A 무접점 래칭 계전기입니다(이미지 출처: Littelfuse).

CPC1601M은 낮은 작동 전류의 비분리, 1-Form-A 무접점 래칭 계전기로, 8개의 접점이 있는 소형 3mm × 3mm DFN 패키지에 통합되어 있습니다. 이 IC에는 계전기를 켜는 SET 입력, 펄스가 걸리면 계전기를 끄는 RESET 핀, 그리고 계전기를 번갈아 켜고 끄는 TOGGLE 입력이 포함되어 있습니다.

CPC1601M 계전기 IC는 두 가지 전력 모드를 지원하며, HV_cc 입력 핀을 모니터링하여 개방 회로 부하 또는 시스템 전원 공급 장치에서 필요한 작동 전력을 얻을 수 있다는 점이 중요한 혁신 기능입니다.

부하 전원 작동 모드는 24V_AC 2차측 전압이 있는 변압기와 같은 AC 전원에 적용됩니다. 부하가 전력을 공급하는 경우, 계전기는 시스템 공급 장치에서 전력을 소비하지 않으므로 배터리 수명이 연장됩니다. 계전기는 주기적으로 개방되어 개방 회로 부하 전압에서 전력을 '수확'할 수 있습니다. 대부분의 응용 제품에서, 이 짧은 중단은 시스템 작동에 영향을 미치지 않습니다. 부하 전원 모드에서는 보조적인 전원 공급 장치가 필요하지 않으므로 온도 조절기 C 리드가 필요하지 않습니다.

일반적인 HVAC 시스템에서, 온도 조절기는 접촉기 계전기(K1)를 구동합니다. 접촉기는 일반적으로 고전류 EMR이며, HVAC 부하를 제어합니다. 계전기 K1은 CPC1601M 계전기를 켜고 끄는 방식으로 제어됩니다.

CPC1601M이 OFF 모드인 경우, 변압기 T1의 전체 개방 회로 전압이 부하의 출력 핀(RLY1 및 RLY2)에 나타납니다. 이 교류 전압은 내부 DMOS 바디 다이오드(D1 및 D2)와 외부 다이오드(D3 및 D4)에 의해 정류되어 전파 정류기를 형성합니다. 그런 다음 정류된 출력은 필터 커패시터(C_FILT)로 전달되어, 이는 부하 전원 모드에서 작동할 때 에너지 저장용 커패시터 역할을 하게 됩니다.

CPC1601M은 또 다른 전력 관련 기능을 제공하는데, 관련 마이크로 컨트롤러 장치(MCU) 및 외부 회로에 전력을 공급하는 전압 출력을 제공합니다. 또한 이 출력 전압이 사용자가 선택한 MCU의 전압 레일 범위 내에 있는 경우, 별도의 저드롭아웃 조정기(LDO)가 필요하지 않을 수 있습니다. 이러한 응용 제품에서 실제로 발생하는, 유도 부하 스위칭 시의 역방향 과도 전류로부터 스위치 출력을 보호하기 위해, 과도 전압 억제기(TVS) 다이오드가 RLY1 및 RLY2에 배치됩니다.

시스템 전력 작동 모드(그림 4)에서, CPC1601M의 전력은 부하가 아닌 전원 공급 장치에서 파생됩니다. 일반적인 온도 조절기 응용 제품에서, 전원은 배터리입니다. CPC1601M은 전력 소비가 매우 낮으므로, 배터리 수명 연장이 중요한 응용 제품에 적합합니다.

그림 4: CPC1601M은 시스템 전원으로 작동하도록 구성할 수도 있습니다(이미지 출처: Littelfuse).

이 배열에서, CPC1601M의 V_CCIN/P_OUT 핀은 시스템 배터리에 연결되고 HV_CC 핀은 열린 상태로 유지됩니다. 여기서 CPC1601M은 SET 및 RESET 또는 TOGGLE 모드에서 제어할 수 있는 단순한 래칭 계전기의 역할을 합니다.

분리는 어떨까요?

지금까지 설명한 기본 CPC1601M 회로에는 갈바닉 분리가 포함되어 있지 않지만, 변압기 리턴이 서로 분리되어 절연된 이중 변압기 HVAC 시스템과 같이 적절한 시스템 작동을 보장하기 위해 갈바닉 분리가 필요한 경우도 있습니다. 분리를 구현하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 각 방법마다 장단점이 있습니다.

펄스 폭 변조(PWM) 신호의 간단한 정전 용량 방식 결합을 사용하여 CPC1601M으로 분리를 구현하는 방법은 간편하며 비용 효율적입니다(그림 5). 시스템 MCU는 분리 커패시터(C1)를 통해 정전 용량 방식으로 결합되는 여러 주기의 PWM 신호를 생성합니다. 일반적으로 50% 듀티 사이클 방형파의 200kHz인 이 PWM 신호는 R2와 C2에 의해 필터링됩니다. 그러면 CPC1601M의 SET 입력을 트리거하는 DC 신호가 생성됩니다.

그림 5: 커패시터와 몇 가지 수동 부품을 CPC1601M 회로에 추가하여 갈바닉 분리를 구현할 수 있습니다(이미지 출처: Littelfuse).

주요 전기 사양 살펴보기

효율적인 기능을 제공하는 것도 중요하지만, 실행 가능한 장치는 시스템에 필요한 전압, 전류 및 기타 정격과 특성도 제공해야 합니다. 이를 위해 CPC1601M은 다음과 같은 기능을 제공합니다.

• 공급 입력 전력 전압: 3V ~ 5.5V
• 1µA 미만의 시스템 전원형 대기 전류
• 308밀리옴(mΩ)의 낮은 일반 '온' 저항
• TTL/CMOS 호환 가능 논리 입력
• 양방향 부하 연결형 RLY1/RLY2 접점, 최대 60V _피크 AC/DC 작동에 사용 가능
• 2A, AC 또는 DC의 연속 부하 용량을 지원하는 RLY1 및 RLY2 접점
• 외부 회로에 최대 10mW 전력을 공급하는 부하 하베스팅 전력 핀
• SET/TOGGLE 펄스 적용 후 턴온 시간 최대 1µs, RESET/TOGGLE 펄스 적용 후 대응되는 턴오프 시간 최대 1µs
• 부하 전원 모드에서 제로 전류로 스위칭하여 전자파 장해(EMI) 감소
• EMR 클릭 없는 조용한 작동

결론

기존의 패시브 온도 조절기 제어 루프에 사용되는 것과 같은 건식 접점 스위치 폐쇄 배열을 로컬 배터리 또는 제3의 전선을 통해 액티브 온도 조절기에 전원을 공급하도록 업데이트하는 작업은 개념적으로는 간단하지만 실제로는 까다롭습니다. Littelfuse CPC1601M과 같은 SSR은 이러한 문제를 해결하며, 시스템 성능과 일관성을 향상시키는 기타 유용한 기능들을 제공합니다.