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USB 전력 및 데이터 분리를 위한 기술과 솔루션

작성자: Doug Peters

Digi-Key 북미 편집자 제공

1996년에 도입된 범용 직렬 버스(USB)는 주변 장치를 PC에 연결하는 데 가장 널리 사용되는 방법입니다. 지난 24년 동안 USB 데이터 전송률이 1.5Mbits/s에서 20Gbits/s 이상으로 향상됨에 따라 테스트 및 측정 제조업체에서는 USB 기반 테스트 장비에 특히 주목하여 출시하기 시작했습니다. 또한 애호가들은 어디에서나 사용할 수 있는 USB를 활용해 다양한 측정 도구를 개발했습니다.

하지만 PC의 USB 포트에 연결된 USB 기반 장비를 사용하거나 설계할 때 잠재적 위험이 도사리고 있습니다. 부동 전력 공급을 통해 테스트 중인 장치(DUT)를 구동할 수 있지만, 접지된 PC에 DUT를 연결하면 접지 루프가 발생할 수 있습니다. 따라서 심각한 접지 전위차가 발생하여 회로가 손상되거나 부상으로 이어질 수 있습니다.

접지 루프 연결을 제거하려면 전력과 데이터 통신 경로 전체를 PC의 USB 접지로부터 전기적으로 분리해야 합니다. 데이터 전송률과 프로토콜에 따라 데이터 통신을 분리하는 몇 가지 옵션이 있습니다. 또한 정전 용량, 광학, 전자기를 비롯하여 다양한 분리 전략을 배포할 수 있습니다.

이 기사에서는 갈바닉 분리에 대해 설명하고 다양한 USB 분리 기술과 각 기술의 장단점을 살펴봅니다. 그런 다음 Texas Instruments, Würth Electronik, ON SemiconductorAnalog Devices의 실제 분리 솔루션을 소개하고 해당 솔루션을 효과적으로 적용하는 방법을 살펴봅니다.

갈바닉 분리란?

본질적으로 갈바닉 분리는 두 개 이상의 개별 전기 회로 간에 에너지 및/또는 정보의 전달은 허용하면서 전류 흐름 또는 전도를 차단하는 것입니다.

간단하게 설명하기 위해 이 기사에서는 1차측과 2차측이라는 두 개별 회로를 중심으로 살펴봅니다. 1차 회로는 USB로 구동되고 호스트 PC와 양방향 데이터 흐름을 공유합니다. 회로를 분리하는 영역을 분리 장벽이라고 하며 수백~수천 볼트의 항복 전압을 견디기 위해 이 영역을 선택합니다. 일반적으로 공기, 이산화 규소(SiO2), 폴리이미드 또는 다른 비전도성 소재로 두 회로를 분리합니다(그림 1).

1차측과 2차측의 USB 입력 간 갈바닉 분리 구성도그림 1: 회로의 1차측과 2차측의 USB 입력 간 갈바닉 분리 예시를 보여줍니다. 분리 장벽은 수백~수천 볼트의 전압을 견뎌야 합니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

분리된 데이터 전송

위에 정의된 대로 갈바닉 분리는 분리된 전기 회로 간의 데이터 또는 정보 전송을 허용합니다. 하지만 회로 사이에 전도성 소재 없이 이러한 결과를 얻으려면 어떻게 해야 합니까? 광학, 정전 용량 및 전자기 기술을 비롯하여 이 문제를 해결하는 몇 가지 실질적인 솔루션이 있습니다. 아래 설명된 대로 각 방법은 장단점이 있습니다. 설계자의 경우 사용할 전략을 결정할 때 데이터 전송률, 정전기 방전(ESD), 간섭, 전력 요구사항을 모두 고려해야 합니다.

광학: 가장 잘 알려진 분리 방법 중 하나가 광절연기(또는 광 커플러)입니다. 분리 장벽의 1차측 발광 다이오드(LED)와 2차측 광감응 트랜지스터를 사용하여 분리합니다. ON Semiconductor FOD817은 광절연기의 좋은 예입니다(그림 2). LED의 광학 장벽을 통해 광 펄스를 사용하여 데이터를 전송하면 개방형 콜렉터 구성의 광 절연기에서 데이터를 수신합니다. LED가 켜지면 광 다이오드가 2차 회로에서 전류 흐름을 생성합니다.

데이터 전송에 빛이 사용되는 경우 광 절연기는 전자파 장해(EMI)에 민감하지 않습니다. 단점은 데이터 전송률은 LED의 스위칭 속도에 따라 결정되므로 데이터 전송 속도가 느려질 수 있다는 점입니다. 또한 광절연기는 시간에 따른 LED 성능 저하로 인해 다른 기술에 비해 수명이 짧습니다.

LED가 절연 장벽을 통해 광 펄스를 방출하는 광 절연기의 구성도그림 2: 광절연기 - LED는 광 다이오드에서 수신되는 광 펄스를 분리 장벽을 통해 방출하고 2차 회로에서 전류 흐름을 생성합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

FOD817은 분당 최대 정격 속도가 5kVrms AC인 단일 채널 장치이며, 실리콘 광절연기를 구동하는 갈륨 비소(GaAs) 적외선(IR) LED로 구성됩니다. 응용 분야에는 전력 조정기, 디지털 논리 입력 등이 포함될 수 있습니다.

전자기 분리: 기술적으로 가장 오래된 회로 분리 방법입니다. 전자기 유도의 기본 사항을 활용하여 두 코일 간에 데이터와 전력(이후 설명 참조)을 전송합니다. Analog Devices와 같은 회사에서 iCoupler 기술을 사용하여 이 방법을 크게 개선했습니다. iCoupler 기술은 집적 회로에 변압기 코일을 내장하고 분리 장벽에 폴리이미드 기판을 사용합니다.

전자기 분리 방식은 광절연기보다 자기장 간섭에 더 민감하며, 제품 설계 단계에서 해결될 수 있는 고유한 임의 EMI를 생성합니다. 하지만 100Mbits/s 이상의 높은 데이터 전송률과 낮은 전력 소비는 장점입니다.

Analog Devices의 ADuM1250은 이 기술 유형의 예입니다(그림 3). 핫스왑 응용 분야와 같은 양방향 I2C 데이터 분리 응용 분야를 대상으로 하는 이 장치의 데이터 전송률은 최대 1Mbit/s이고, UL 1577에 따른 정격 속도는 분당 2500Vrms입니다. 이 장치는 5V 공급 전압(VDD1 및 VDD2)에서 1차측에서 2.8mA의 입력 전류(IDD1)를 소비하고 2차측에서 2.7mA의 전류(IDD2)를 소비합니다. ADuM1250의 각 I2C 채널(클록 및 데이터 회선)에서 양방향 기능을 실현하려면 두 개의 내장된 변압기가 필요합니다.

일반적으로 변압기 코일 간에 에지 전송 스키마를 사용하여 데이터를 전송합니다. 짧은 1나노초 펄스를 사용하여 데이터 신호의 선행 에지와 후행 에지를 식별합니다. 또한 인코딩 및 디코딩 하드웨어가 장치에 내장되어 있습니다.

Analog Devices의 ADuM1250 이중 I2C 절연기 구성도그림 3: ADuM1250 이중 I2C 절연기에서 각 I2C 회선에서 양방향 데이터 및 클록 전송을 수행하려면 두 개의 개별 변압기가 필요합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

정전 용량 분리: 이름에서 알 수 있듯이 정전 용량 분리는 커패시터를 사용하여 수행됩니다(그림 4). 정전 용량 기술의 특성으로 인해 DC 전압은 커패시터에서 차단되고, AC 전압은 자유롭게 흐릅니다.

DC 신호를 차단하는 정전 용량 특성을 활용하는 정전 용량 분리의 구성도 그림 4: 정전 용량 분리에서는 DC 신호를 차단하고 AC 신호는 분리 장벽을 통과하도록 허용하는 정전 용량 특성을 활용합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

커패시터를 통한 데이터 전송에 고주파 캐리어(AC)를 사용하여 온/오프 키잉(OOK)과 같은 변조 스키마를 통해 정보를 전달할 수 있습니다. 고주파 캐리어가 있으면 디지털 제로 출력(LOW)을 의미하고, 해당 캐리어가 없으면 1(HIGH) 출력을 나타냅니다(그림 5).

고주파 캐리어(AC) 신호를 사용하는 온/오프 키잉(OOK) 스키마 구성도그림 5: 온/오프 키잉(OOK) 스키마는 분리 장벽을 통해 전달되는 고주파 캐리어(AC)의 존재 유무를 활용하여 논리 레벨 HIGH 또는 LOW 신호를 전송합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

자기 분리와 마찬가지로 정전 용량 분리는 데이터 전송 속도가 높고(100Mbits/s 이상) 전력 소비가 낮다는 장점이 있습니다. 단점은 전기장 간섭에 매우 민감하다는 것입니다.

정전 용량 분리 기술의 좋은 예로는 최대 5000Vrms 속도로 분리되는 Texas Instruments의 ISO7742 쿼드 채널 디지털 절연기가 있습니다. 이 장치는 필요한 데이터 흐름 방향에 따라 다양한 구성으로 제공됩니다. 이 장치는 데이터 전송률이 100Mbits/s이고 채널당 1.5mA의 전류를 소비합니다. ISO7742는 의료 장비, 전원 공급 장치, 산업 자동화 등과 같은 분야에 응용됩니다.

USB 전력 분리

분리 부품의 규격서에 유의하여 설계자는 분리 부품의 각 측면에 별도의 전원이 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 1차측(VCC1)에 하나와 2차측(VCC2)에 하나의 전원이 있고 각 전원에는 분리 장벽을 유지하기 위한 해당 접지 레퍼런스가 있습니다.

고려 중인 설계에 별도의 전원, 1차측의 USB 5V 전압, 2차측을 구동하기 위한 별도의 배터리 + 접지가 있는 경우 모두 충족됩니다. 하지만 제품을 단일 소스로 설계할 경우, 예를 들어 USB 5V 입력만 지원하도록 설계할 경우 2차 분리 전압은 어떻게 공급됩니까? DC-DC 컨버터(또는 변압기 구동기)와 절연 변압기가 솔루션을 제공합니다. DC-DC 컨버터를 사용하여 전압을 올리거나 내리고, 변압기를 사용하여 갈바닉 분리를 제공합니다.

그런 분리된 전원 공급 장치의 예는 그림 6에서 Texas Instruments SN6505 구동기와 Würth Elektronik 750315371 절연 변압기(2500Vrms 분리)를 함께 사용하여 보여줍니다. 일반적으로 SN6505에 대한 USB 5V 및 500mA 입력 표준을 사용하여 데이터 전송을 위한 2차측 분리 회로와 다른 회로망(예: 센서)을 구동하는 데 충분한 전력을 공급합니다. 2차측 회로의 두 다이오드에서 출력 시 정류를 제공합니다. 대부분의 설계에서는 선명한 전압 조정을 위해 2차측에 낮은 드롭아웃(LDO) 전압 조정기를 추가합니다.

Würth Elektronik의 750315371 절연 변압기와 결합된 Texas Instruments의 SN6505 변압기 구동기 구성도그림 6: Würth Elektronik 750315371 절연 변압기와 결합된 Texas Instruments SN6505 변압기 구동기는 2차측 회로망을 구동하기 위한 분리된 전력 경로를 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

설계자에게 중요한 추가 기준: 인쇄 회로 기판(PCB)의 가용 공간. 전력 분리와 데이터 분리에 별도의 부품을 사용하면 기판에서 중요한 자산을 소비할 수 있습니다. 전력 분리와 데이터 전송 분리를 단일 패키지로 결합하는 장치가 있습니다. 그런 토폴로지의 예로는 Analog Devices의 ADuM5240 이중 채널 디지털 절연기가 있습니다(그림 7).

Analog Devices의 ADuM5240 이중 채널 디지털 절연기 구성도그림 7. Analog Devices의 ADuM5240 이중 채널 디지털 절연기는 전력 분리와 데이터 분리를 하나의 장치로 결합하여 공간을 절약합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

ADuM5240은 단일 패키지에서 전력 전송과 데이터 전송 모두에 대한 변압기 기반 자기 분리를 사용하여 전체 pc 기판 영역 요구 사항을 줄입니다. ADuM5240은 UL 1577에 따라 분당 2500Vrms의 분리와 최대 1Mbit/s의 데이터 전송률을 제공합니다.

업스트림 USB 데이터 분리

위에 표시된 모든 예에서는 1차 회로와 2차 회로 사이의 분리를 가정합니다. 데이터 분리 하드웨어 없이 설계된 주변 장치가 이미 있는 경우 설계자는 USB 인터페이스에서(예: 케이블에서) 분리할 수 있습니다. 그러면 USB 호스트와 USB 주변 장치 간에 데이터 분리 업스트림을 효과적으로 푸시합니다(그림 8).

USB 호스트와 USB 주변 장치 간에 USB 데이터 분리 업스트림을 이동하는 구성도그림 8: 데이터 분리 하드웨어 없이 설계된 주변 장치가 이미 있는 경우 설계자는 USB 호스트와 USB 주변 장치 간에 USB 데이터 분리 업스트림을 이동하여 보호할 수 있습니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

이 방법을 구현하기 위해 설계자는 분당 정격 분리 속도가 5000Vrms인 Analog Device의 ADuM4160을 사용할 수 있습니다. 이 솔루션은 위에 설명한 것과 동일한 iCoupler 기술을 사용하지만, USB 데이터 인터페이스(D+ 및 D-)를 분리 대상으로 합니다(그림 9). ADum4160의 추가 응용 분야에는 분리된 USB 허브와 의료 장치가 있습니다.

Analog Devices의 ADuM4160 구성도그림 9: Analog Devices ADuM4160은 USB 호스트와 주변 장치 케이블을 연결할 때 분리를 제공해야 하는 경우에 유용한 USB 데이터 회선(D+, D-) 분리 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

설계 시 분리 관련 고려 사항

설계자가 가장 적합한 분리 기술을 선택하려면 어떻게 해야 합니까? 위에서 설명한 대로 업무에 적합한 기술을 선택할 때 다양한 요소를 고려해야 합니다. 표 1에서는 다양한 유형의 분리 기술을 통해 몇 가지 설계 기준을 보여줍니다. 모든 설계와 마찬가지로 사용 중인 부품을 신중하게 고려하여 완벽하게 파악해야 합니다. 규격서를 철저하게 검토하고 선택된 부품으로 시제품을 제작하는 것을 대체할 수 있는 방법은 없습니다.

분리 방법을 선택할 때 고려할 주요 요소를 보여주는 표표 1: 분리 방법을 선택할 때 고려할 몇 가지 중요한 요소가 있지만, 설계자는 규격서를 신중하게 검토하여 선택된 부품으로 시제품을 제작해야 합니다. (데이터 출처: Digi-Key Electronics)

표 1에 정의된 요소 이외에 USB 기반의 분리된 주변 장치를 개발할 때 고려할 다른 요소가 있습니다. 예를 들어 2차 회로에 필요한 총 전력 예산을 계산해야 합니다. 분리 부품과 다른 장치(예: 센서, LED, 논리 부품)에 필요한 모든 전력을 공급하려면 1차측에서 분리된 2차 회로로 충분한 전력을 전송해야 합니다.

위에서 설명한 대로 전자기 분리 솔루션을 사용할 경우 방사 테스트 및/또는 EMI가 다른 회로에 미치는 영향에 대해 변압기에서 생성되는 잠재적 EMI를 고려해야 합니다.

결론

USB의 데이터 전송 속도 및 전원 공급 기능은 지속적으로 성장합니다. 하지만 USB 전력 및/또는 데이터 인터페이스를 사용하여 제품을 설계할 경우 데이터 및 전력 회로의 갈바닉 분리에 유의하는 것이 좋습니다.

갈바닉 분리를 실현하기 위해 설계자는 데이터 전송 속도, EMI, 전력 및 기판 공간 요구 사항을 비롯한 다양한 기준을 설정한 후 광학, 정전 용량 및 전자기 방법 중에서 선택할 수 있습니다. 선택한 방법에 상관없이 설계자가 회로의 무결성과 설계자와 최종 사용자의 안전을 모두 보장하는 데 도움이 되는 다양한 솔루션이 있습니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Doug Peters

Doug Peters는 미네소타주 에덴 프레리에 소재한 Bluebird Labs, LLC의 창립자입니다. 그는 보스턴의 노스이스턴 대학교에서 전기 공학 B.S. 학위를, 펜실베니아 주립대학교에서 응용 통계학 MA 및 M.S. 인증을 획득했습니다. 그는 GE의 텔레매틱스에서 10년 간 근무했으며 아주 오래 전에는 NeXT 컴퓨터에서 시스템 엔지니어로 일했습니다. dpeters@bluebird-labs.com을 통해 Doug Peters에게 메일을 보낼 수 있습니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자