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스마트 팩토리의 전원관리 ②


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글/맥심 인터그레이티드 코리아 기술사업부


과제 2: 솔루션 크기 소형화

사례 분석: 소형 센서로 더 높은 전력을 제공하면서 더 낮은 온도로 동작
산업에 센서의 사용이 폭발적으로 늘고 있다. 갈수록 더 정교해지고 크기는 소형화되는 센서가 인더스트리 4.0을 가능하게 하는 토대가 되고 있다. 그러기 위해서 센서 장치가 점점 더 복잡해지고 있으며, 열 발생은 최소화하면서 전력을 더 효율적으로 제공하기 위해 온보드 전압 레귤레이터가 필요하게 되었다. 그러면 고전압 산업용 환경에서극히 작은 크기의 센서로 저전압 전력을 안전하게 제공하려면 어떻게 해야 할까? 솔루션 크기는 최소화하면서 효율을 극대화하려면 어떻게 해야 할까?
다음은 주요 산업용 센서 아키텍처와 거기에 사용될 수 있는 간편한 솔루션들을 소개한다.

산업용 센서 애플리케이션
산업용 장비는 혹독한 환경으로 동작한다. 센서(그림 14)는 다양한 파라미터를 검출 및 진단하고 의사결정을 할 수 있다. 어떤 환경에서든 내구성과 신뢰성이 뛰어나야 한다. 식음료, 화학, 석유, 가스, 제약, 제조, 건설, 상하수도, HVAC, 냉장 시스템, 유압식 및 공압식 애플리케이션을 비롯한 수많은 다양한 산업 분야에 근접 센서, 온도 센서, 압력 센서 같은 다양한 센서들이 사용된다.

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[그림 14] 근접 센서가 동작하고 있는 모습

센서 시스템
센서는 공장 내의 어디에든 설치될 수 있다. 센서 박스는 프론트 엔드 트랜시버를 포함하고, 이 트랜시버는 데이터를 처리하고 스텝다운 전압 레귤레이터로 전력을 전송한다. 그러면 이 레귤레이터는 ASIC/마이크로컨트롤러/FPGA와 센싱 소자로 적절한 전압을 제공한다.
디지털 센서 시스템의 예로는 IO-LinkⓇ 점-대-점 통신 프로토콜에 기반한 것을 들 수 있다(그림 15). 공장 자동화에는 다수의 점-대-점 필드 버스 표준이 사용되고 있다. IO-Link는 센서 및 엑추에이터와 통신에 사용되는 것으로서, 국제 표준(IEC 61131-9)으로 제정되었으며 점점 더 인기가 높아지고 있다. USB와 마찬가지로 IO-Link 버스도 전력(24V)과 데이터를 둘 다 전송할 수 있다. 디지털 센서는 트랜시버나 바이너리 인터페이스를 사용하며, 아날로그 센서는 4-20mA 루프를 사용한다.

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[그림 15] IO-Link 기반 센서 시스템

센서로부터 정보를 받아 표준 I/O 필드 버스를 통해서 엑추에이터로 적절한 명령을 전송한다. 센서 박스는 IO-Link 트랜시버 인터페이스를 포함하며, 트랜시버가 데이터를 처리하고 스텝다운 전압 레귤레이터로 24V 전력을 전송한다. 레귤레이터는 마이크로컨트롤러와 센싱 소자로 5V를 제공한다.

안전한 저전압 동작
센서는 통상적으로 24V dc 전원을 사용해서 동작한다. 그런데 공장은 매우 혹독한 환경이며, 긴 케이블과 강한 전자기 간섭으로 인해서 고전압 트랜션트가 발생될 수 있다. 그러므로 센서 내의 스텝다운 컨버터가 센서의 동작 전압보다 훨씬 높은 42V 또는 60V까지 이르는 전압 트랜션트를 견딜 수 있어야 한다. 위에서도 언급했듯이, 24V 레일에는 42V 이상 동작할 수 있는 디바이스를 선택해야 한다. SELV/PELV/FELV(Safety/Protection/Functional Extra Low Voltage) 규정에 따르면, 60V 이하의 절연형 디바이스이면 만져도 안전한 것으로 간주된다. 60V 이상을 보호하기 위해서는 TVS(트랜션트 전압 억제) 디바이스를 사용해야 한다.

센서의 전류 소모
표 1a부터 1d까지는 대표적인 센서 및 모터 인코더와 이들의 정격 전류 소모를 보여준다. 이들 센서와 인코더는 마이크로컨트롤러와 인터페이스를 사용해서 지능을 높이고 있으며, 그만큼 전류 소모가 높다. 현재로서 가장 많이 사용되는 센서 유형은 근접 센서이며(표 1a), 근접 센서는 다시 광학, 인덕티브, 커패시티브, 광전, 초음파 방식으로 구분된다.

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[표 1a] 근접 센서의 전류 소모

압력 센서(표 1b)는 압전 효과를 사용하는 한 것과 스트레인 게이지를 사용하는 것으로 구분된다. 압전 센서는 크리스털이 압력에 비례한 전압을 발생시킨다. 스트레인 게이지 센서는 압력에 따라서 실리콘 저항이 변화되는 것을 활용한다.

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[표 1b] 압력 센서의 전류 소모

전기 모터의 속도 및 위치 검출에는 회전식 및 선형 인코더(표 1c)가 주로 사용된다. 인코더 장치는 모터의 회전 부품에 가깝게 자리잡기 때문에 최대 +125℃까지 동작할 수 있어야 한다.

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[표 1c] 모터 인코더의 전류 소모

온도는 센싱 소자로서 100Ω 플래티넘 저항(RTC)을 사용해서 측정할 수 있다(표 1d).

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[표 1d] 저항 온도 검출기(RTD)

센서의 구동
대부분의 산업용 센서는 디지털 및 아날로그 IC를 구동하기 위해서, 시스템으로부터 공급되는 것보다 훨씬 낮은 입력 전압을 필요로 한다. 위에서 보았듯이 전류가 더 높아짐에 따라서 과도한 열 때문에 기존의 LDO 레귤레이터를 사용하는 것은 더 이상 적합하지 않게 되었다. 그림 16은 LDO를 사용해서 24V 시스템 전압을 마이크로컨트롤러와 센싱 소자를 구동하기 위한 5V로 스텝다운하는 것을 보여준다. 이것은 손실이 심한 방식으로서 (η = 21%) 1.3W의 입력 전력을 소모한다.

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[그림 16] LDO를 사용한 센서 구동

그림 17에서는 간편한 스위칭 레귤레이터를 사용해서 50mA로 85% 효율로 전압 스텝다운을 하고 있다. 벅 컨버터가 LDO보다 더 높은 효율로 전력을 전달한다. 336mW의 입력 전력만을 소모한다.

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[그림 17] 벅 컨버터를 사용한 센서 구동

맞춤화된 벅 컨버터 제품군
MAX15062 및 MAX15462 고효율 고전압 동기 스텝다운 DC-DC 컨버터 제품 역시 히말라야 제품군에 속하는 제품들이다. 이들 제품은 MOSFET을 통합하였으며 각각 4.5V~60V 및 4.5~42V 입력 전압으로 동작한다. 최대 300mA의 출력 전류를 제공하므로 센서 애플리케이션 용으로 적합하다. 저항이 낮은 내부 MOSFET 은 최대 부하에서도 높은 효율을 달성하며 PCB 레이아웃을 간소화한다. 또한 이들 제품은 스위칭 주파수를 프로그램 가능하므로 솔루션 크기와 효율 요구에 따라서 최적화할 수 있으며, 컴팩트한 8핀 (2mm x 2mm) TDFN 패키지로 제공된다.
또한 시뮬레이션 모델을 지원한다. 다음은 MAX15462에 대해서 좀더 자세히 살펴보자. MAX15462와 MAX15062는 핀 호환이 가능하고 기능이 동일하다. 다만 최대 입력 전압만 다르다. 그림 18은 최대 300mA에 이르는 부하로 5V를 제공하는 회로 예를 보여준다. 이 구성은 PCB 크기를 소형화하고자 할 때 사용하기에 적합하다. A 버전 제품은 3.3V 고정 출력 전압을 제공하고, C 버전 제품은 출력 전압을 조절 가능하다.

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[그림 18] MAX15462B를 사용한 애플리케이션 회로 예

그림 19는 다양한 입력 전압으로 5V 출력을 제공할 때의 효율 곡선을 보여준다. 24V 입력일 때 피크 효율은 90%이다. 위에서 살펴보았듯이, 이들 제품은 전력 절약 면에서 어떤 LDO 기반 솔루션보다 확실히 유리하다는 것을 알 수 있다.

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[그림 19] MAX15462B를 사용할 때의 효율 곡선

그림 20은 MAX15462를 사용해서 24VIN으로 300mA 출력을 제공할 때의 PCB 레이아웃을 보여준다. 히말라야 IC가 크기 소형화 측면에서 업계에 일대 변혁을 일으킨 것은 맞지만 일차원적인 레이아웃과 수동 소자의 크기는 여전히 넘어야 할 과제이다(부품들이 차지하는 총 면적 28.12mm2). 150mA만을 제공하는 기존의 동기 벅 레귤레이터 솔루션과 비교해서 이 솔루션은 12.5% 더 작다.

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[그림 20] MAX15462 벅 컨버터를 사용한 레이아웃 (부품들이 차지하는 총 면적 28.12mm2)

여기에다 부품들 사이의 간격에 관한 제조 가이드라인을 따르려면 추가적인 면적이 필요할 것이다. 또한 부품 값/크기를 최적화하기 위해서 스위칭 레귤레이터 설계/테스트에 관한 지식이 필요할 수 있다.

기존 모듈 솔루션
사용 편의성을 높이고 설계 및 테스트에 소요되는 시간을 단축할 수 있도록 많은 업체들에서 스위칭 레귤레이터 모듈 제품을 내놓고 있다. 그림 21은 벅 컨버터 IC와 인덕터를 단일 패키지로 통합한 스위칭 레귤레이터 모듈을 보여준다. 이 솔루션은 설계를 쉽게 하고 효율에 대한 요구를 충족하기 위한 것인데, PCB 면적을 활용하는 면에서는 부족하다는 것을 알 수 있다. 이 모듈 솔루션은 차지하는 총 면적이 47.2mm2으로서, 그림 20에서 보는 디스크리트 DC-DC 레귤레이터 솔루션에 비해서 68% 더 많은 면적을 차지한다.

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[그림 21] 기존 벅 컨버터 모듈 레이아웃(차지하는 총 면적 47.2mm2)

사례 분석: 소형 센서로 더 높은 전력 밀도 제공
전자 산업은 같은 크기로 계속해서 더 많은 데이터를 집적할 수 있는 방법을 끊임 없이 모색해 왔다. 지금까지는 실리콘에서 ‘무어의 법칙’이 지배해 왔다면, 이제는 정교한 다차원 IC 패키징 기술을 적용해서 ‘모어 댄 무어(More than Moore)’의 시대로 접어들고 있다. 동일한 평방 밀리미터로 더 높은 와트를 집적함으로써 전력 밀도를 끌어올릴 수 있다. 그러면 다음은 혁신적이며, 크기가 작고, 설계하기 쉬운 고성능 솔루션을
사용해서 어떻게 산업용 센서로 전력 밀도를 끌어올릴 수 있
는지 살펴보자.
히말라야 uSLIC™ 패키징 기술
효율과 신뢰성은 그대로 유지하면서 히말라야 기반 전원 솔루션보다도 더 작은 솔루션 크기로 더 높은 전력을 제공할 수 있을까? 다시 말해서 LDO와 같은 크기로 스위칭 레귤레이터의 모든 이점을 제공하려는 것이다. 그러기 위해서 개발된 혁신 기술이 최신 히말라야 벅 컨버터와 수동 소자들을 통합한 uSLIC (micro-sized system-level IC)이다. 히말라야 uSLIC 전원 모듈 제품은 이전 보다 훨씬 작은 크기로 더 높은 전력을 제공하므로 더 높은 효율을 달성하고, 사용 편리성을 높이며, 개발 시간을 단축한다.
uSLIC 전원 모듈
uSLIC 전원 모듈은 인덕터와 벅 컨버터 IC를 수직으로 집적함으로써, 일반적인 벅 컨버터 솔루션이 차지하는 PCB 공간을 크게 줄일 수 있다. 그러면서도 높은 전압을 견딜 수 있는 능력과 고온 동작에 대한 요구를 충족한다. MAXM17532 모듈(그림 22)은 작은 크기의 로우프로파일 10핀 2.6mm x 3mm x 1.5mm uSLIC 패키지로 제공되며, -40℃~+125℃의 넓은 온도 범위로 동작한다. 그림 22에서는 MAXM17532 100mA 42V 벅 컨버터 uSLIC 모듈이 크기가 얼마나 작은지 알 수 있다. 또 신뢰성 뛰어난 이 제품이 시장의 다른 제품들과 차별화되는 점은, 최대 42V로 동작할 수 있고(절대 최대 사양이 아니고) 1.8V 미만의 출력 전압을 지원할 수 있다는 것이다(최신 디지털 IC 지원 가능). 더 높은 부하인 경우에는, 동일한 폼팩터로 최대 300mA 출력을 제공하는 MAXM15462를 사용할 수 있다.

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[그림 22] MAXM15462 uSLIC 벅 컨버터는 풋프린트가 8mm2 미만이다.

크기 소형화
그림 23은 MAXM17532 스위칭 레귤레이터 모듈을 사용한 전체적인 전원 장치 솔루션의 PCB를 보여준다. 인덕터를 수직으로 통합함으로써 전체 면적이 14.3mm2에 불과하다.

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[그림 23] MAXM17532 uSLIC 5VOUT, 100mA 벅 솔루션 (차지하는 총 면적 14.3mm2)

그림 20의 IC 솔루션과 비교해서 이 uSLIC 모듈 솔루션은 면적이 2배 더 작다. 그림 21의 기존 모듈과 비교해서는 3.3배 더 작다.
그림 24는 소형 M8 크기 근접 센서로 uSLIC를 채택한 것을 보여준다. 이 애플리케이션에서 uSLIC 모듈이 최소한의 공간만을 차지한다는 것을 알 수 있다.

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[그림 24] 근접 센서 애플리케이션으로 벅 IC, 인덕터, 센서 크기 비교

높은 효율
그림 25는 MAXM17532를 사용해서 다양한 입력 전압으로 5V 출력을 제공할 때의 효율을 보여준다. 작은 크기에도 불구하고 이 벅 컨버터가 최대 90%의 높은 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다.

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[그림 25] MAXM17532 uSLIC 전원 모듈의 효율

낮은 방사
uSLIC 모듈의 PCB 레이아웃은 트레이스 길이를 최소화하고 접지 루프를 제거하도록 설계됨으로써 복사 방사를 최소화한다. 또한 고주파 세라믹 커패시터를 사용해서 전도 방사를 최소화할 수 있다. 그림 26은 MAXM17532의 복사 방사가 CISPR22 Class B 요건을 완벽하게 충족한다는 것을 알 수 있다. 그림 27은 MAXM17532의 전도 방사로서, 역시 CISPR22 Class B 요건을 완벽하게 충족한다.

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[그림 26] MAXM17532의 복사 방사

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[그림 27] MAXM17532의 전도 방사

낙하, 충격, 진동에 대한 내구성
전원장치는 열, 전기, 전자기적 성능이 우수해야 할 뿐만 아니라 기계적 스트레스 또한 잘 견뎌야 한다. 히말라야 uSLIC 모듈은 낙하, 충격, 진동에 관한 JESD22-B103/B104/B111 표준을 충족하므로 혹독한 산업용, 의료용, 방위, 컨슈머 애플리케이션에 사용되는 센서로 안전한 동작을 보장한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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