고전압 상의 미소 신호를 측정하고 센서 접지 루프 방지하기

작성자: Art Pini

Digi-Key 북미 편집자 제공

설계자는 특히 전원 공급 장치 및 모터 구동 관련 작업을 할 때 공통 모드 전압이 높은 상태에서 소량의 전압을 측정해야 할 경우가 종종 있습니다. 이는 센서를 사용할 경우의 접지 루프 문제와 연결되는데, 이 문제는 모두 절연 증폭기의 효율적인 사용을 통해 해결할 수 있습니다.

절연 증폭기는 입력과 출력 사이에 전기적 분리를 제공하므로 원하는 신호만 전송하고 높은 공통 모드 전압은 제거할 수 있습니다. 센서 기반 모니터링 시스템에서는 접지 루프를 제거하기 위해 센서 간의 접지 분리를 유지합니다. 일반적인 응용 분야는 전원 공급 장치, 모터 컨트롤러, 원격 전압 감지, 생의학 측정, 원격 데이터 취득 등에서 찾을 수 있습니다.

절연 증폭기가 작동하는 방식과 효과적으로 응용하는 방법을 설명하기 위해, 이 기사에서는 먼저 분리가 필요한 일반적인 시나리오를 소개한 후 변압기 결합, 광 결합, 정전 용량 결합 등 세 가지의 공통된 분리 방법을 설명합니다. 그 과정에서 참조 설계를 이용한 최종 예시와 함께 각 방법에 대한 실용적인 솔루션을 소개합니다.

일반적인 전원 공급 장치 시나리오

첨단 전원 공급 장치와 모터 구동을 사용하려면 공통 모드의 전압이 높은 상태에서 미소 신호를 측정해야 합니다. 설계자는 어떻게 300V 이상의 전압에서 바이어스된 FET가 있는 저항성 션트를 이용해 푸시풀 FET 전력 구동기의 부하 전류를 측정할 수 있을까요(그림 1a)?

푸시풀 FET 전력 구동기에서 소량의 전압 강하를 측정하는 구성도

그림 1: 공통 모드의 전압이 높은 상태에서 소량의 전압 강하를 측정하고(a) 접지 루프를 제거(b)하는 것은 분리를 필요로 하는 일반적인 회로 응용 분야입니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

위(a)의 회로는 모터나 모터 위상을 제어하기 위한 일반적인 전력 구동기입니다. 이는 부하에 대한 펄스 파형의 듀티 사이클을 변경하는 방식으로 전력을 제어합니다. 공급 전압(HV+ 및 Hv-)은 수백 볼트 수준입니다. 션트 저항기 RSHUNT 전반의 전류 감지 전압은 수십 밀리볼트 정도이지만 이는 HV+와 HV- 사이를 오가는 펄스 파형을 탑니다. 이 전압을 접지된 계측 또는 전류 감지 증폭기의 입력에 적용하면 공통 모드 전압 제한을 초과할 수 있으며 장치를 파손할 가능성이 있습니다.

같은 맥락에서, 설계자는 어떻게 여러 전지로 구성된 스택 상단에서 단일 태양광 전지의 전압 출력을 측정할 수 있을까요? 공통 모드 전압이 80V를 초과하면, 여기에서 원하는 신호를 분리하기 위해 일종의 전기적인 분리가 필요합니다.

접지 루프 문제로부터 회로를 분리하는 방법에 대한 문제도 고려해 보십시오(그림 1b). 신호는 동축 케이블을 이용해 왼쪽의 송신기 소스에서 오른쪽의 수신기로 연결됩니다. 다른 회로의 부유 접지 전류는 두 접지를 연결하는 동축 실드를 통과하는 접지 귀로를 찾을 수 있습니다. 이는 케이블 실드 계열 임피던스 전반에 전압을 생성해 VG2가 VG1과 달라지게 함으로써 수신기 입력에서 오차를 유발합니다.

이러한 두 응용 분야에는 신호 연결을 분리하는 기능이 필요합니다. 해결책은 입력과 출력 사이에 전기적 분리를 제공하는 절연 증폭기에 있습니다. 절연 증폭기는 원하는 신호만 전송하고 높은 공통 모드 전압을 제거합니다. 시스템에서 접지 루프를 제거하는 데 인가되어 회로 소자 간의 접지 분리를 유지합니다.

절연 증폭기의 작동 원리

절연 증폭기는 연결된 전원 공급 장치를 포함하는 입력 회로와 출력 회로 사이를 전기적으로 분리하는 증폭기입니다. 이는 입력과 출력 섹션 간이 전도 경로가 존재하지 않도록 보장합니다. 높은 유전체 항복 전압 사양과 더불어 섹션 간에 매우 낮은 누설을 보입니다. 입력 단계는 공통 모드 전압을 감쇠시키는 차동 증폭기입니다. 입력이 서로 1V 내에 있고 증폭기가 부동 상태이며 레퍼런스가 접지되어 있지 않으므로 전압 감쇠가 가능합니다. 신중한 설계 및 레이아웃을 통해, 분리를 감소시킬 수 있는 섹션 사이의 부유 정전 용량 결합이 최소화됩니다. 섹션 간의 분리는 변압기, 정전 용량 또는 광 결합을 통해 제공됩니다(그림 2). 이러한 결합 방법은 일반적으로 신호의 DC 및 저주파 부품을 차단할 수 있습니다. 이러한 단점은 입력 신호를 이용해 반송파를 조정하고 장치의 출력 부분에서 복조를 통해 복원된 전체 신호 스펙트럼을 전송하여 방지할 수 있습니다. 입력 및 출력 부분 모두 분리형 전원 공급 장치를 사용합니다.

일반 절연 증폭기 구성도

그림 2: 변압기, 정전 용량 또는 광 결합을 포함한 보편적으로 사용되는 3가지 분리 방법을 보여주는 일반 절연 증폭기. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

주파수, 펄스 폭 또는 시그마-델타 변조가 자주 사용되기는 하지만 사용된 변조 기술은 장치에 따라 다릅니다. 일반적으로 시그마-델타 변조가 가장 많이 사용됩니다. 입력은 차동이며 출력 구성은 단일 종단 또는 차동일 수 있습니다. 절연 증폭기의 입력 및 출력 섹션에는 별도의 전력 연결이 있음에 유의하십시오. 일반적으로 입력 섹션은 접지 레퍼런스가 아닌 ‘부동’ 공급 장치를 사용합니다. 우수한 분리를 유지하기 위해서는 공급 장치가 잘 분리되어 있어야 합니다.

인가된 입력 및 출력 간의 최대 전압 차이에 대한 절연 증폭기 정격은 보통 지속적인 DC 및 AC 전압에 대해 지정됩니다. 과도 상태에 대한 최대 인가 전압은 과도 상태의 타이밍과 별도로 규정됩니다. 이러한 사양은 물리적 레이아웃이 규격서에 엄격하게 규정된 장치 입력과 출력 핀 사이의 권장 간격을 유지하는 한 적용됩니다.

변압기(자기) 결합

변압기 결합 분리는 역사적으로 가장 오래된 회로 분리 방법입니다. Analog Devices AD202JY는 자기적으로 결합된 절연 증폭기입니다(그림 3).

AD202JY의 구성도

그림 3: Analog Devices AD202JY는 단일 15V 비분리 공급 장치를 사용하여 1000V DC 분리를 달성하기 위해 변압기 결합을 이용합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

AD202JY는 60Hz에서 750V RMS AC의 최대 분리 전압 정격을 보유하고 있으며 1000V DC 및 AC를 연속 제공할 수 있습니다. 이 장치는 이중 변압기를 사용하며 그중 첫 번째는 신호 경로를 위한 것입니다. 두 번째 변압기는 출력의 25kHz 반송파를 입력 부분으로 연결하며 변조기를 위한 반송파입니다. 이는 또한 입력 섹션을 위해 이중 분리 전력 출력을 생성하는 데도 사용됩니다. 이는 별도의 분리형 전원 공급 장치에 대한 필요성을 충족합니다.

증폭기의 이득은 1V ~ 100V 범위에서 사용자가 설정할 수 있으며 전체 전력 대역폭은 5kHz입니다. 출력 단계는 ±5V를 공급할 수 있는 비완충 차동 출력입니다.

광 결합

광 결합은 절연 증폭기의 입력과 출력 간에 분리를 제공하기 위한 또 다른 방법입니다. 절연 증폭기의 입력 섹션은 LED(발광 다이오드)를 구동하며 여기에서 나온 빛은 출력 섹션의 광 트랜지스터에 의해 포착됩니다(그림 4). 이 링크는 LED와 광 트랜지스터 사이에 전기적 연결이 없이 완전히 광학적으로 이루어집니다.

Broadcom ACPL790X 절연 증폭기 제품군의 기능 구성도

그림 4: Broadcom ACPL790X 절연 증폭기 제품군의 기능 구성도는 광 링크를 사용하여 입력과 출력 간에 전기적 분리를 제공합니다. (이미지 출처: Broadcom Limited)

Broadcom ACPL790 절연 증폭기 제품군은 시그마-델타 컨버터 기술과 초퍼 안정화 증폭기를 통해 탁월한 광 결합을 수행하여 고전압 분리, 차동 출력, 200kHz의 대역폭을 제공합니다. 이 제품군은 891V(피크)의 IEC/EN/DIN EN60747-5-5 작동 절연 전압을 제공합니다. 이 제품군에는 정확도 사양이 다른 세 가지 제품이 있습니다. ACPL-7900은 3% 정확도를, ACPL-790A는 1% 정확도를, ACPL-790B는 0.5% 정확도를 제공합니다.

정전 용량 결합

Texas Instruments AMC1301 절연 증폭기는 주로 정전 용량 결합에 해당하는 세 번째 분리 확보 방법을 나타냅니다(그림 5).

각 레그에서 2개의 직렬 커패시터를 사용하는 TI AMC1301의 구성도

그림 5: TI AMC1301은 정전 용량 분리를 제공하기 위해 강화된 분리 장벽의 각 레그에서 2개의 직렬 커패시터를 사용합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

AMC1301은 1500V(피크)의 분리 전압 정격을 제공하는 차동 출력 절연 증폭기입니다. 절연 증폭기의 입력 단계는 델타-시그마 변조기를 구동하는 차동 증폭기로 구성됩니다. 분리된 클록(반송파)은 내부적으로 도출됩니다. 송신기(TX) 구동기는 이중 커패시터 분리 장벽을 가로질러 데이터를 전송합니다. 수신된 변조 데이터는 차동 신호로서 클록 및 출력과 함께 로우사이드에서 복조 및 동기화됩니다. AMC1301의 고정 이득은 8.2이며 공칭 대역폭은 200kHz(일반)입니다.

앞에 설명된 내용과 같이 AMC1301의 입력 및 출력 부분에는 분리형 전원 공급 장치가 필요합니다.

AMC1301 참조 설계

Texas Instruments는 TINA-TI 시뮬레이션으로 AMC1301 절연 증폭기의 참조 설계 예시를 제공합니다(TINA-TI는 Texas Instruments에서 제공하는 무료 회로 시뮬레이터임). 이 회로는 200mV(피크)를 제공하며 시뮬레이션된 입력으로 500V 공통 모드 전압 상에 5kHz 신호가 있습니다. 차동 출력은 피크 진폭이 1.6V(0V 오프셋, 10킬로옴 부하)입니다. 이 예시에서는 이 경우 500V에 해당하는 대량의 공통 모드 오프셋을 입력 신호로부터 제거하는 절연 증폭기의 작동을 보여줍니다.

AMC1301을 위한 Texas Instrument 참조 설계 구성도

그림 6: TINA-TI에서 시뮬레이션으로 실행된 AMC1301을 위한 Texas Instrument 참조 설계는 500V 공통 모드 DC 오프셋에 대한 분리를 제공하는 AMC1301의 한 가지 예시입니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

접지 루프 분리

절연 증폭기의 입력 출력 간 분리는 그림 1b에 묘사된 것과 같이 접지 루프를 분해하는 데 사용될 수 있습니다. 송신기와 수신기 사이에 절연 증폭기를 배치하면 동축 케이블을 통해 둘 간의 접지 연결이 분리되며 둘 사이에 어떠한 직접적인 접지 경로도 없습니다(그림 7).

송신기와 수신기 사이의 절연 증폭기 구성도

그림 7: 송신기와 수신기 사이에 절연 증폭기를 삽입하면 원래의 동축 케이블 연결로 인해 접지 루프가 제거됩니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

결론

자기, 광학 또는 정전 용량 결합 중 무엇을 토대로 하든, 절연 증폭기는 높은 공통 모드 고전압 상의 미소 신호를 측정하거나 최대 200kHz 대역폭의 시스템에서 접지 루프를 제거하기 위해 회로 접지를 분리하는 데 유용한 도구입니다. 이러한 장치는 일반적으로 전원 공급 장치, 모터 컨트롤러, 원격 전압 감지, 생의학 측정, 원격 데이터 취득 등의 응용 분야에서 사용됩니다.

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

Art Pini

Arthur(Art) Pini는 Digi-Key Electronics의 기고 작가입니다. Art는 뉴욕시립대에서 전기공학 학사 학위를 취득하고 뉴욕시립대학교에서 석사 학위를 취득했습니다. 그는 전자 분야에서 50년 이상의 경력을 쌓았으며 Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek, Nicolet Scientific에서 주요 엔지니어링 및 마케팅 역할을 담당했습니다. Art는 오실로스코프, 스펙트럼 분석기, 임의 파형 생성기, 디지타이저, 전력계와 관련된 측정 기술과 폭넓은 경험에 관심을 갖고 있습니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자