부품의 성능 저하는 피할 수 없는 문제이지만, 시스템 고장 및 사용자의 신체적 손상은 막을 수 있습니다.

회로 설계자, 특히 센서 프런트 엔드 또는 전원 공급 장치와 같은 아날로그 기능을 구현하는 설계자는 시간의 경과(노화), 활발한 사용, 전압 및 온도의 변화로 인해 드리프트/변화가 불가피한 사양을 지닌 부품을 사용하게 됩니다. 따라서 설계자는 최종 제품이 배포된 후 사양이 달라지지 않도록 그러한 변화에 대해 고려해야 합니다. 설계 단계에서 이 모든 것이 시작되어야만 합니다.

고장으로부터의 보호에 대한 필요성은 전자 제품의 등장 이전부터 이미 존재했습니다. Westinghouse의 고장 대비 안전 철도 브레이크는 1800년대 후반에 개발되어 지금까지 사용되고 있습니다. 이 아키텍처에서는 브레이크를 풀기 위해 압축 공기가 필요합니다. 압축기, 압축 공기 저장소 또는 공기 호스에서 어떤 형태로든 장애가 발생하는 경우, 브레이크가 풀리지 않습니다.

전자 제품에서도 그 원칙은 동일합니다. 고장의 위험 및 장애가 발생하는 경우의 손실이 최소화되도록 제품을 설계합니다. 한 가지 다른 점은, 고장 시 안전을 위한 조치 외에도 자기 회복을 위한 조치도 수행한다는 점입니다.

장애 발생 방지

성능 저하 문제가 문제되는 것을 방지하는 일반적인 방법이 몇 가지 있습니다. 이러한 방법들은 개별적으로 또는 몇 가지 조합하여 사용할 수 있습니다.

1: 노화, 온도 변화 및 작동 지점의 변화로 인한 드리프트와 관련된 중요한 파라미터에 대해 적절하게 엄격한 사양을 갖춘 부품을 선택합니다. 이는 비교적 많은 비용이 드는 방식입니다. 충분히 엄격한 사양을 지닌 부품이 제공되지 않을 수도 있고, 있다 하더라도 이용 가능성이 매우 제한될 수도 있습니다.

2: 제품 이용 중 주기적으로 보정 절차를 수행합니다. 이를 위해서는 기준 전압과 같이 시간과 온도에 대해 우수한 안정성을 갖는 '매우 안정적인' 부품이 최소 한 가지는 필요합니다. 이 부품을 표준으로 사용하여 보정 절차를 수행할 수 있습니다. 이러한 최상의 등급의 부품 역시 비싸거나 구하기 어려울 수 있습니다. 또한 전체 시스템 아키텍처와 소프트웨어에는 고해상도 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 및 해당 보정 소프트웨어와 같은 추가 보정 회로가 포함되어야 합니다.

3: 많은 오류가 자체적으로 삭제되는 아키텍처 또는 토폴로지를 사용합니다. 이를 위한 한 가지 방법은 아날로그 프런트 엔드(AFE)의 두 '다리'의 변경이 서로 추적이 되는 차동 회로를 사용하는 것으로, 차동이 상당히 낮습니다. 이 방법은 특히 증폭기의 입력 저항기가 동일한 다이에 배치될 수 있는 경우에 특히 유용합니다(예: Texas Instruments의 INA133UA 차동 증폭기 및 R1과 R3(그림 1)).

그림 1: 최상의 성능을 위해, INA133UA 차동 증폭기의 입력 저항은 온칩이므로 온도 및 기타 작동 조건의 변화가 있어도 상호 추적합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이 예에서는 각 최상의 조건에서 내부 저항에서 ±3Ω의 왜곡, 공칭 25kΩ 값에서 ±0.012%의 비정합이 있습니다. 실질적으로 제품 단위에 걸쳐 ±15%의 정확도만이 보장됩니다. ±0.012%의 비정합은 매우 적어 보이지만, 필요한 성능 정확도에 대해 허용 가능한 한계이며, 최악의 경우 ±15%의 부정확성(설계 한도를 훨씬 넘게 됨)으로 인해 제품의 성능이 제대로 발휘될 수 없습니다. 그러나 더 중요한 요소는 두 저항기가 온도 및 기타 작동 변화에 걸쳐 거의 동일하게 상호 추적하고, 차동 비율이 변경되지 않아 고정밀 회로가 제공된다는 점입니다.

이와 유사하게, 기존의 휘트스톤 브리지는 부품의 절대값보다 비율이 중요한 비율계량 입력/출력 관계를 사용합니다(그림 2). 이러한 비율 관계를 사용하면 정확하고 일관성 있는 성능을 유지하기가 훨씬 더 쉽습니다.

그림 2: 잘 알려진 휘트스톤 브리지는 저항기 암의 비율(저항기 절대값 아님)을 사용하여 신호를 측정 및 무효화합니다. 이 비율은 원치 않는 변화로부터 비교적 독립적입니다. (이미지 출처: PEIO.org)

우수한 부품의 성능 저하: 고장 시 안전 및 자기 회복

부품이 드리프트되거나 사양이 노후되는 것은 여러 문제 중 하나일 뿐입니다. 또 다른 문제는 부품에 부분적으로 장애 발생하거나 제조 결함으로 인해 내부 장애가 발생하는 경우입니다.

대부분의 경우 이러한 문제는 해결하기가 쉽지 않습니다. 미션 크리티컬하거나 위험한 전압 응용 제품의 경우, 설계자는 잠재적인 장애의 영향 및 이를 완화하거나 추가 보호 계층을 제공하는 방법(이는 보통 규제 표준에서 정의함)을 고려해야 합니다.

예를 들어, 라인 구동 의료 전자 장치는 내부 부품이나 절연에 장애가 발생하는 경우 아주 작은 전류라도 접지로 흐르는 것을 방지하기 위해 분리 변압기가 필요할 수 있습니다. 이와 유사하게, 이제 라인 구동(배터리 구동 아님) 전동 공구는 사용자가 만질 수 있는 전도성 부품이 없는 이중 절연 인클로저를 사용합니다. 이러한 방법을 통해, 내부 고전압선으로 인해 케이스에 쇼트가 발생한 경우에도, AC 전력 코드에 안전 접지 전력선이 없는 경우에라도 위험한 전류가 사용자에게(그리고 사용자를 통해) 흐르는 일이 없게 됩니다.

다른 경우에는, 설계자가 부분적 장애 후 복구되도록 설계되거나 최소한 성능이 경미하게 저하되도록 설계된 커패시터와 같은 부품을 선택할 수 있습니다. 예를 들어, Electronic Concepts Inc.의 5MPA2475E와 같은 금속화 폴리프로필렌 필름 커패시터는 높은 과부하 또는 과도 전압으로 인해 발생하는 유전체의 장애 후 자기 회복합니다(그림 3).

그림 3: 5MPA2475E와 같은 금속화 폴리프로필렌 필름 커패시터는 서지 또는 과도 전압으로 인해 발생할 수 있는 부분적 장애(쇼트)로부터 자기 회복합니다. (이미지 출처: Electronic Concepts Inc.)

절연이 중단될 경우, 해당 부위에 단기간의 고도로 국부적인 아크가 형성됩니다(그림 4.1). 이 아크에 의해 생성되는 강렬한 열은 아크 부근의 금속화를 기화시키며(그림 4.2), 이와 동시에 전극을 재절연하고 커패시터의 작동 및 무결성을 유지합니다(그림 4.3).

그림 4: 자기 회복의 과정은 장애 지점에서 장애에 대한 아크가 금속 계층(a)와 폴리프로필렌 필름(b) 사이에 형성됨으로써 시작됩니다(1). 해당 부위의 금속화가 기화됩니다(2). 해당 계층 사이의 분리를 유지하고 커패시터 기능이 계속되도록 하는 절연 영역을 남겨둡니다(3). (이미지 출처: Schneider Electric, Bill Schweber 수정)

다른 커패시터의 경우에는 회복되지 않지만, 그 대신 '경미한 장애 모드'라고 불리는 기능이 있습니다. 예를 들어 단락 고장의 이벤트가 발생한 경우에도 AVX의 TCOD106M050R0150E와 같은 탄탈룸 고분자 커패시터에서는 원치 않는 '과도 열 이벤트'(아크 또는 강렬한 플레어업)가 발생하지 않는데, 다수의 이산화망간(MnO₂) 음극 탄탈룸 커패시터에서는 이러한 현상이 발생할 수 있으며 이로 인해 연소 및/또는 화재가 발생할 수도 있습니다.

결론

설계자는 제품을 사용하는 동안 발생 가능한 전체적 또는 부분적 장애가 제품 성능에 미치는 영향을 고려해야 합니다. 스마트폰의 전원 서브 시스템 부품의 고장이 사용자나 시스템을 위협할 일은 없겠지만, 라인 작동 공급 장치의 단락은 쉽게 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 그러한 종류의 공급 장치에는 거의 과전류 및 과전압 조건, 부하에서의 단락에 대한 보호 부품 및 과열 조건에서의 열 차단 기능을 갖추고 있습니다.

이상적으로는, 혹은 미래에는, 고장난 부품이 자기 회복을 시작하게 될 수도 있습니다. 마치 사람의 피부, 뼈와 기타 조직이 손상 정도가 아주 심하지 않으면 대부분의 경우 저절로 회복하듯이 말입니다. 현재로서는, 일종의 자동 또는 수동 전환 배열이 있는 중복 회로와 같은 시스템 수준에서 복잡한 방식을 사용해야만 자기 회복과 비슷한 효과를 거둘 수 있습니다.

그러나 자기 회복 전선과 수동 회로 소자만이 아닌 능동 회로 소자를 고안하는 것에 대한 어려움은 많은 대학의 연구원들이 해결하고자 하는 문제 중 하나입니다(참고 문서 참조). 아마도 언젠가는 개별 부품이 자기 회복 모드를 시동하는 일이 제품의 설계 밎 작동의 표준이 될 수도 있습니다.

추천 자료

1:“Understanding Polymer and Hybrid Capacitors(고분자 및 하이브리드 커패시터 살펴보기)”

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-polymer-and-hybrid-capacitors

2: “제작자 및 엔지니어: 정확한 IoT 데이터 캡처를 위한 계측 증폭기 파악하기”

https://www.digikey.com/en/articles/makers-engineers-get-to-know-instrumentation-amplifier-accurate-iot-data-capture

3: “센서 및 센서의 올바른 조정: 1부 - 압전 저항 브리지 센서”

https://www.digikey.com/en/articles/sensors-and-their-proper-conditioning-part-1---piezoresistive-bridge-sensors

외부 참고 자료

• Texas Instruments, “Difference Amplifiers—the need for well-matched resistors”
• European Passive Components Institute, “When benign is better: fail safe capacitor technology”
• European Passive Components Institute, “The self-healing characteristics of metallized film capacitors”
• AVX, “Technical Summary and Application Guidelines”
• AVX, “MLCC & Tantalum Interchangeability”
• AVX, “Conductive Polymer Capacitors Basic Guidelines”
• Kemet Electronics Corporation, “New Reliability Assessment Practices for Tantalum Polymer Capacitors”
• Kemet Electronics Corporation, “Evaluation of Polymer Counter-Electrode Tantalum Capacitors for High Reliability Airborne Applications”
• Vishay, “Conductive Polymer Capacitors: Frequently Asked Questions (FAQs)”
• Schneider Electric, “What is Self-healing for capacitors?”
• Electronic Concepts, Inc, “The Self-Healing Affect of Metallized Capacitors”
• University of Texas, “New ‘Self-Healing’ Gel Makes Electronics More Flexible”
• Tech Briefs, “Scientists Invent Self-healing Battery Electrode”
• Tech Briefs, "Self-Healing Wire Insulation"