견고한 디지털 절연을 통해 고전압 응용 분야의 안전 향상

전원이 인가된 전기 회로가 다른 회로, 하드웨어, 인프라와의 상호 작용할 가능성이 있는 경우라면 어디에서나, 손상을 일으킬 수 있는 과전압 상태가 발생할 수 있습니다. 잠재적 상호 작용의 지점에서 물리적 또는 전기적으로 전류를 절연하는 것(일반적으로 갈바닉 절연이라고 함)은 안전과 회로의 연속적인 기능 수행에 반드시 필요합니다. 추가적인 이점으로, 절연은 종종 출력 신호에서 원치 않는 잡음을 감소시킵니다.

절연 요구 사항은 로보틱스, 고전압 전력 그리드 장비, 공장 현장 장비, 자동차 응용 제품, 소비자 가전에서 매우 흔하게 나타납니다. 가변 입력 전압, 배터리 전력 사용, 콤팩트한 풋프린트 요구와 같은 응용 분야별 특징은 절연 시스템 설계 시 고려해야 할 추가적인 요구 사항입니다.

올바른 절연 부품을 선택하기 위해 설계자는 다양한 아이솔레이터 아키텍처의 구성뿐만 아니라 장단점을 이해해야 합니다. 설계자는 이러한 이해를 기반으로 가장 효과적이고 신뢰할 수 있는 공간 절약형 아이솔레이터를 자신의 전자 설계에 통합할 수 있습니다.

아이솔레이터 구별하기

갈바닉 절연은 여러 가지 방법으로 구현할 수 있지만 이들이 공유하는 기본 원리는 동일합니다. 즉, 1차 측의 높은 전압 입력이 물리적 장벽에 의해 2차 측의 저전압, 저전류와 분리된다는 것입니다. 장벽의 세부 사항과 이 장벽을 가로질러 전력, 신호 또는 둘 모두를 전달하는 방식은 아이솔레이터의 유형에 따라 달라집니다.

광 커플러는 1차 측의 신호를 전기 임펄스에서 광자로 변환하는 데 LED를 사용합니다. 2차 측에서는 광트랜지스터, 광다이오드 또는 포토 전계 효과 트랜지스터(FET)와 같은 광감성 부품이 광자를 받아 다시 전기 신호로 변환합니다. 1차 및 2차 회로의 물리적 절연과 함께, 광 커플러는 출력 신호에서 원치 않는 잡음을 자동으로 제거하고 접지 루프를 방지합니다.

자기 결합기에서 변압기의 1차 측 권선의 전압은 자기장을 생성합니다. 이 자기장은 2차 측 권선에 걸리는 전압을 유도하여, 갈바닉 절연을 유지하면서 전기 신호를 전송합니다. 변압기는 단일 철심에 별도의 두 권선을 감거나, 각각 자체 철심 주위에 하나의 권선을 감은 두 개의 인덕터로 구성될 수 있으며 이 두 인덕터는 유전체 물질에 의해 서로 분리됩니다. 설계자는 고전압 처리 능력, 상대적으로 빠른 응답 시간, 신호 잡음을 필터링할 수 있는 특성을 위해 자기 결합을 선택할 수 있습니다. 그러나, 아이솔레이터의 크기, 발열 가능성, 전자기 간섭 발생 가능성도 고려해야 합니다.

정전 용량성 커플러는 커패시터를 사용하는데, 커패시터는 유전체 물질로 분리된 두 전극으로 구성된 부품입니다. 입력 전압으로 인해 1차 측 전극에 전하가 쌓입니다. 이로 인해 전기장이 생성되어 2차 측 전극에 전압이 유도됩니다. 정전 용량성 커플러는 작은 크기, 낮은 전력 소모, 입력 변화에 대한 빠른 응답으로 잘 알려져 있으며, 이러한 특성 덕분에 절연 장벽을 가로질러 전기 신호를 전송할 때 편리하게 효율적으로 적용할 수 있습니다. 설계자는 해당 정격을 초과하는 과도한 입력 전압, 환경 습도, 유전체 파괴로부터 정전 용량성 커플러를 보호할 수 있도록 조치를 취해야 합니다.

디지털 아이솔레이터의 효율적 사용

위에서 논의된 모든 아이솔레이터 유형은 집적 회로(IC) 상의 디지털 아이솔레이터 시스템에 통합할 수 있습니다. 이러한 토폴로지는 단일 칩 상에 완전한 디지털 절연 시스템을 구현할 수 있도록 전력 모듈 또는 신호 전송 부품에 추가적으로 통합할 수 있습니다. 일반적인 디지털 아이솔레이터 시스템 토폴로지에는 플라이백, 하프 브리지, 푸시 풀이 포함됩니다.

플라이백 전원 공급 장치는 분할 인덕터와 벅-부스트 컨버터를 결합하여 변압기를 생성하는 자기 절연 방식입니다. 이 방식은 직류(DC) 입력 전압을 증가 또는 감소시켜 원하는 출력 전압에 맞출 수 있습니다. 벅-부스트 컨버터에 대한 피드백은 3차 인덕터 권선 또는 광 커플러에 의해 공급됩니다. 저전력 응용 제품에는 플라이백 전원 공급 장치를 사용하는 것이 좋지만 설계자는 원치 않는 EMI가 발생할 수 있음을 인지해야 합니다.

하프 브리지(H 브리지) 설계에는 H 브리지 방형파 생성기, 두 개의 인덕터와 하나의 커패시터(LLC)가 포함된 공진 회로, 원하는 DC 출력 전압을 제공하는 두 개의 정류기가 포함됩니다. 정류기를 사용하면 다른 일부 설계보다 더 높은 출력 전압을 확보할 수 있으며 H 브리지 절연 설계는 중전력 응용 분야에 권장됩니다.

푸시 풀 절연 전원 공급 장치는 자기 결합을 위해 변압기 두 개를 사용합니다. 두 개의 스위치가 입력 전압을 받는 변압기를 번갈아 선택합니다. 2차 측에 있는 두 개의 풀 브리지 정류기 다이오드는 전압 변동을 예측하여 이를 대칭 출력으로 조절합니다.

보다 정밀한 제어를 위해 설계자는 푸시 풀 설정에 변압기 구동기를 추가하도록 선택할 수 있습니다. 구동기는 발진기, 주파수 분할기, 논리 컨트롤러를 통합하여 브레이크-메이크(BBM) 패턴으로 스위치의 개폐를 조절할 수 있습니다. 이 패턴은 상대적으로 일정한 출력 신호를 생성하면서, 두 스위치가 동시에 연결됨으로 인해 내부 및 다운스트림 부품이 손상되는 것을 방지할 수 있습니다.

변압기 구동기를 갖춘 시스템은 정류기 다이오드의 기능을 대체하거나 보강하는 저드롭아웃 선형 전압 조정기(LDO)를 통해 출력을 제어할 수도 있습니다. 드롭아웃 전압은 입력 전압과 출력 전압 사이의 최소 차이로, 이 값보다 작아지면 회로가 출력을 적절하게 조절할 수 없게 됩니다. LDO에서 이 차이는 매우 작아 넓은 입력 전압에 걸쳐 신뢰할 수 있는 작동을 보장합니다.

LDO 기반

LDO에는 FET, 차동 증폭기, 밴드갭 전압 레퍼런스가 포함되어 있습니다. 차동 증폭기는 출력 전압과 레퍼런스 전압을 비교하며, 이 둘의 차이가 너무 크면 증폭기 신호가 FET를 트리거하여 회로 저항을 조정함으로써 출력 전압을 일정하게 유지합니다.

디지털 절연 응용 제품용 LDO를 선택할 때는 드롭아웃 전압 외에도 부하 및 라인 조절, 전원 공급 제거율(PSRR), 출력 잡음, 정동작 전류(I_Q) 등 여러 다른 사양을 고려해야 합니다. 부하 조절은 입력 전류의 변동을 처리하면서 안정적인 출력 전압을 유지하는 LDO의 능력이며, 라인 조절은 입력 전압의 변동을 고려합니다. 대부분의 사양에서는 정류된 교류(AC) 입력에서 리플을 관리하는 조정기의 능력을 측정한 PSRR도 인용합니다.

설계자는 또한 출력 잡음이 최소한으로 유지될 수 있기를 원합니다. 저 I_Q, 즉 조정기의 내부 회로망이 작동하는 데 필요한 전류는 시스템을 간소화하며 모바일 응용 분야에서 배터리 수명을 보존합니다.

배터리 연결 시스템을 위해 특별히 설계된 LDO의 한 예로 3PEAK의 TPL8031Q-S를 들 수 있습니다(그림 1). 이 조정기는 ±2.5%의 정확도로 3.3V 또는 5V의 고정 전압 출력을 생성합니다. 또한 720mV(5V 출력 버전) 및 900mV(3.3V 출력 버전)의 최대 드롭아웃 전압을 제공합니다.

그림 1: 저드롭아웃 선형 전압 조정기(LDO)는 자동차 전자 제어 장치와 같은 디지털 절연 시스템을 위한 신뢰할 수 있는 출력 전압을 제공합니다(이미지 출처: 3PEAK).

TPL8031Q-S 조정기는 3V ~ 42V의 입력 전압을 허용하고 최대 45V의 과도 전압을 견딜 수 있으며 최대 300mA 전류를 출력할 수 있습니다. 동시에, 매우 낮은 전력을 소모하며 I_Q도 통상 3µA에 불과합니다. 내부 회로 제한은 전압 조정을 중지하는 방식으로 접지 단락과 같은 고장 상태로부터 조정기를 보호합니다. 또한 과온 보호 기능은 내부 온도가 열 차단(TSD) 임계값에 도달하면 조정기를 차단하며, 충분히 냉각된 후에는 작동을 재개할 수 있도록 합니다.

낮은 전력 소비 및 고전압 역량과 함께 신뢰성을 갖춘 TPL8031Q-S 전압 조정기는 배터리 전력에 의존하는, 공간 제약이 있는 다양한 자동차 응용 분야에 적합한 LDO 후보입니다. 여기에는 전자 제어 장치(ECU), 도메인 및 차체 제어 모듈, 마이크로 컨트롤러 및 트랜시버, 실내외 조명, 인포테인먼트 시스템, 계기판, 그리고 차량 배터리로 구동되거나 연결된 기타 서브시스템이 포함됩니다.

결론

자동차 응용 분야는 과전압으로부터 민감한 전자 기기를 보호하고, 시스템과 접촉하는 운전자 및 탑승자 등이 위험한 전압으로부터 안전하도록 보장하기 위해 견고한 디지털 절연이 필요한 시스템의 대표적인 사례입니다. 전력 및 신호 절연을 달성할 수 있는 다양한 조합이 존재하며, LDO는 신중하게 설계된 디지털 절연 시스템의 핵심 구성 요소입니다.