디지털 절연기를 사용한 테스트 장비 보호

개인적으로 그동안 불량 시제품 회로망을 경험하는 불상사가 몇 번 있었습니다. 그런 일이 비교적 흔하기는 하지만, 그 중에 몇 번은 회로망이 값비싼 테스트 장비에 연결되어 있었기 때문에, 그 장비마저 다 고장이 나고 말았죠. 인증되지 않은 회로망으로부터 우리의 도구 및 테스트 장비를 보호하는 것은 매우 중요하며, 가장 좋은 방법은 분리를 활용하는 것입니다.

손상된 장비와 관련된 문제가 처음으로 발생했을 때 제가 모니터링하던 시스템은 심하게 망가져 버렸고, 너무 많은 전압 및 전류가 회로로부터 USB-USART 컨버터를 통해 제 컴퓨터의 USB포트로 이동함을 알 수 있었습니다. 망가진 컴퓨터를 경험하고 나서야 "어떻게 했어야 이 컴퓨터를 지킬 수 있었을까?"라는 생각을 하게 됩니다.

USART에서는 그 해답이 꽤 간단하면서도 저렴했습니다. 저는 SparkFun의 브레이크 아웃 기판을 사용하고 있었는데, 이는 DEV-09873 USB 브리지 모듈과 매우 유사합니다. 또한 STMicroelectronics STISO621WTR 이중 채널 디지털 절연기를 내장형 시스템의 Tx/Rx 라인과 USB 브리지의 Tx/Rx 라인 사이에 설치하기만 하면 됩니다(그림 1). 커넥터 몇 개와 시제품 기판까지 20불이 안 되는 돈과 10분 정도의 납땜 작업으로 수천 달러의 장비를 아낄 수 있었을 것입니다.

그림 1: STMicroelectronics STISO621WTR 이중 채널 디지털 절연기는 두 개의 단방향 커뮤니케이션 채널을 보호함으로써 제 장비를 보호할 수 있었을 것입니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

STISO621WTR의 흥미로운 점은 USART를 보호하기 위한 구성으로 이미 설정되어 있다는 것입니다. 그림 1은 반대 방향으로 통신하기 위한 두 채널을 설정하여 레이아웃 또는 작성 문제를 줄이는 방법을 보여주고 있습니다. 이 절연기는 6kV의 전기적 분리 및 50kV/µs 이상의 공통 모드 과도 보호를 제공합니다. 절연기가 최대 100Mbits/s의 데이터 전송률도 처리할 수 있다는 것은 고속 응용 제품에서도 이를 사용할 수 있음을 의미합니다.

절연기가 종종 추가로 필요한 또 다른 영역은 논리 분석기의 입력 부분입니다. 논리 분석기는 수백 달러에서 수천 달러에 이르지만, 입력 부분에 성능이 매우 좋은 절연기가 없는 경우도 있습니다. 안타깝게도 제가 10년 이상 가지고 있던 논리 분석기를 망가뜨린 적이 한 번 있었는데, 피로가 쌓였던 어떤 날에 최대 10V까지만 작동하는 회로 입력 보호기를 실수로 12V 신호에 연결했었기 때문입니다. 이 일로 장치가 고장나지는 않았지만, 다른 논리 분석기를 장만하느라 돈이 많이 들었습니다.

설계자는 논리 분석기의 입력을 꽤 간편한 방법으로 보호할 수 있는데, 이 역시 디지털 분리기를 사용하는 방법입니다. 테스트 장비 보호는 보통 이보다 약간 더 복잡한데, 왜냐하면 절연기에 외부 전원 공급 장치가 반드시 필요하기 때문입니다. 절연기의 양쪽 부분을 구동하기 위해서는 테스트 회로망 뿐만 아니라 다른 소스로부터 점퍼 몇 개가 추가적으로 필요하기 때문입니다. 통신 인터페이스에서도 그렇긴 하지만, 여기에는 전력 및 접지가 이미 제공되어 있습니다.

제가 테스트 장비를 보호하기 위해 사용했던 절연기는 Texas Instruments’ ISOW7844DWE 4채널 범용 디지털 절연기입니다(그림 2). 이 절연기는 최대 100 Mbits/s의 데이터 전송률을 지원하는데, 이는 테스트 장비에의 연결에 있어 중요한 점입니다. 10Mbit/s 논리 분석기의 프런트 엔드에 2Mbit/s 디지털 절연기를 설치하는 것은 의미가 없습니다. 또 하나의 중요한 사실은 테스트 장비에 절연기를 추가하려는 경우 절연기가 반대로 측정 시스템에 영향을 미쳐서는 안 된다는 것입니다. 새로운 아티팩트나 문제를 일으킬 수 있으니 주의해야 합니다.

그림 2: 장치를 보호하는 데 사용되는 디지털 절연기에서 데이터 전송률은 중요하며, ISOW7844DWE는 최대 100Mbits/s를 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

몇몇 디지털 절연기는 거의 모든 응용 제품에서 사용될 수 있으며, 설계에 적합한 절연기를 찾는 과정은 꽤 쉽습니다. 장비의 보호를 위해, 솔루션의 시제품을 빠르게 제작할 수 있도록 브레이크 아웃 기판을 통해 절연기의 풋프린트를 상호 참조하기도 합니다. 어떤 경우에는 논리 분석기를 보호하기 위해 좀 더 열심을 내어 직접 분리 보드를 구축하기도 합니다.

결론

테스트 장비 및 도구는 보통 값비싸고 중요한 자산입니다. 많은 설계자들이 단 하나의 테스트 장비만을 보유하고 있는데, 최악의 상황이 닥치면 유일한 테스트 장비의 사용이 불가해질 수도 있습니다. 그러므로 디지털 절연기를 사용하십시오. 절연기가 측정 시스템 자체에 영향을 미치지 않도록 주의하기만 하면 됩니다. 이러한 보호가 보장된다면, 마음을 다소 놓을 수 있습니다. 결함이 있는 회로 또는 부주의로 인해 장비가 고장날 가능성이 현저히 줄기 때문입니다.