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옵토커플러를 업그레이드하자

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인터뷰/김태호 부장, TI 코리아 개인전자장비 부문 아날로그 기술지원 담당

글/이공흠 기자(leekh@seminet.co.kr)

TI는 고전압 어플리케이션에서 수명을 40년 이상 연장 할 수 있는 새로운 절연 디바이스 포트폴리오인 신제품을 출시했다. 예전부터 절연 제품들이 계속해서 출시되었고 또 인더스트리얼 쪽에서 25년 정도 관련 제품들을 출시하였데 이번에 내놓은 제품은 1970년도 부터 나왔던 옵토커플러를 핀투핀으로 대체할 수 있는 제품이다.

새로운 절연 디바이스가 어떤 점들이 개선되었고 기존 제품보다 어떤 점이 좋아졌는지 간단하게 설명하면, 우선 신호 무결성을 개선하고 최대한 80% 정도의 전력 소비를 절감시켜 준다. 또한 신규 옵토에뮬레이터는 SiO2 기반 절연 기술을 통해 제품으로 기존 옵토커플러에서 사용하고 있던 에폭시라든지 몰드 타입에서 좀 더 개선된 제품이라고 할 수 있고 이런 기술 덕분에 수명에 대해서도 성능 향상이 있었다.

우리가 알고 있는 고전압 기술이란 일반 노트북 어댑터 그리고 핸드폰 어댑터, TV나 셋톱박스 어댑터, SMPS 등이 있다. 이런 고전압 기술들이 어떤 부분에서 이슈를 맞이하고 설계시 문제점이 무엇일까? AC전원을 DC전원으로 바꿔서 낮은 전압으로 낮추고 그 전압을 가지고 TV나 핸드폰이나 노트북에 적정 전원으로 제공한다. 이때 필요한 기술이 고전압 절연이라는 기술인데, 이 기술을 이용해서 메인 보드단과 AC 입력단을 물리적으로 분리하고 그것을 신호화시켜서 계속 센싱을 하면서 동작을 해야 하는 조건이 필요하다.

실시간 제어를 하기 위해서 이런 절연 제품들이 꼭 중간에 들어가야 하고 그 중간에 들어간 것들로 인해서 이런 모든 고전압 제어를 실행할 수 있고 감지할 수 있고 그걸 통해서 전력 변환을 일으킬 수 있는 것이 바로 고전압 절연이 필요한 이유이다. 고전압 절연은 기존에는 옵토커플러라는 부품을 많이 사용하였고 TI에서도 아이솔레이터라는 제품으로 디지털 신호를 제어하는데 사용되었다. 

그런데 옵토커플러에 당면하는 문제점들이 발생하게 되는데, 우선은 고전압 과제들 중에 보면 산업용, EV 충전장치, 각종 어댑터가 있는데 이런 제품들이 AC전원의 입력을 받아서 DC로 바꿔주는 것이 꼭 필요하고 앞으로도 증가 추세이다. 

그러면서 산업용 및 차량용 애플리케이션에서 충전장치들에 대한 더 높은 신뢰도, 더 긴 수명주기, 더욱 개선된 신호 무결성에 대한 요구가 증가하고 있다. TI는 요구된 개선사항에 대해 고민했다. 그중 하나가 옵토커플러에 들어가는 LED 노후화에 대한 내용이다. 옵토커플러는 원래 LED 발광 단자를 이용해서 신호를 내보내게 되는데 LED 사용시간이 길어지면 전류의 소모가 점점 줄거나 아니면 LED 노화에 의해서 점점 성능이 떨어지게 된다. 

그런 이유 때문에 처음부터 설계자들은 디자인을 할 때 좀 더 과잉 설계를 하게 되는데 그런 과잉 설계 때문에 반대로 전류를 많이 소비하게 된다. 전기차의 배터리 전원이라면 대기 전력의 이슈도 생기고 배터리를 많이 소모하게 되면 그와 함께 수명도 줄어들게 된다. 또한 기존 옵토커플러의 절연재는 고전압 스트레스 발생시 장벽에 고장을 일으킬 수 있다는 단점도 존재한다. 그래서 그런 이슈들을 좀 더 방지하고 LED 노화를 최소화시키는 방법의 솔루션으로 더 개선된 옵토에뮬레이터라는 제품을 출시하게 되었다. 

TI는 옵토에뮬레이터를 출시하면서 옵토커플러를 핀투핀이라는 방식으로 쉽게 대체할 수 있게 되었다. 예를 들어 옵토커플러를 사용하고 있는 보드에서 직접 디바이스만 바꾸면 해결될 수 있도록 설계했다. 물론 전력 소비 또한 낮은 IF 임계값 및 공급전류를 사용하여 최대 80%까지 낮출 수 있게 되었다. 전세계적으로 대기전력에 대한 규제가 강화될텐데 큰 장점이 있다.

그와 함께 공통 모드 과도 내성(CMTI)이라고 하는 특징이 있는데 아이솔레이션이 되어 있음에도 불구하고 1차측 노이즈가 2차측으로 넘어가는 현상이다. 이런 현상들을 최대한 막아주는 것이 옵토커플러와 옵토에뮬레이터의 역할인데 에뮬레이터가 견딜 수 있는 공통 모드 내성이 높으면 높을수록 당연히 큰 노이즈 파형(글리치)으로 뜨는 것들을 막아 줄 수 있다. 

실제 옵토커플러 같은 경우엔 100kW인데 TI의 옵토에뮬레이터는 150kW로 큰 전압을 막을 수 있다. TI의 ISOM8710은 디지털에 좀 더 특화된 제품이다. ISOM8710의 장점은 최대 25Mbps 데이터 속도로 디지털 신호를 위한 높은 데이터 스루풋을 제공한다. 이런 높은 데이터 전송률을 가지고 있기 때문에 일반적인 아날로그가 아닌 데이터 센터라든지 그리고 다양한 데이터를 주고 받는 자동차에서도, 즉 이러한 데이터 속도를 요청하는 SPI나 UART, CAN, LIN의 데이터 통신에서도 사용하실 수 있는 제품군이다. 

또 다른 ISOM8110이라는 아날로그 신호에 좀 더 특화된 제품도 가지고 있다. 그럼 왜 이 제품은 680kHz을 지원하냐면 현재 쓰고 있는 아날로그 신호에 대한 제품들이 앞에서 언급한 어댑터, 그리고 SMPS, 온보드 차저 등은 제어회로에 200kHz 제품군이 많고 거의 대부분 제품들이 500kHz 이하에서 사용하고 있기 때문이다. 아직 아날로그 신호는 크게 메가 대역까지는 필요없는 상태이기 때문에 이런 제품군을 출시했다. 아마도 고주파수 제품군들이 필요하게 되면 점점 TI도 로드맵을 늘려가는 추세로 갈 것이다.

TI의 옵토에뮬레이터는 온도 및 수명 모두에 걸쳐 안정적이고 엄격한 전류 전송비(CTR)를 제공한다. 그리고 최대 동작 온도 범위 또한 일반 옵토커플러보다는 좀 더 넓은 범위를 가지고 있다. -55℃ ~ +125℃까지인데 동작 온도 범위도 아주 안정적으로 제공하고 있고 또한 CMTI도 안정적으로 유지하면서 동작을 한다라는 것이 최대 장점이라고 설명할 수 있다. 

이제 두가지 절연 기술에 대한 설계 방식을 살펴보자. 포토 다이오드 같은 경우엔 LED가 내부에 있다. 그리고 그 안에 디텍터 다이가 따로 있는데 이 두 사이에 절연 공간이 있다. 그 절연 공간에는 공기, 에폭시와 몰드 컴파운드 기반의 유전체가 들어가 있다. 이런 구조의 옵토커플러가 1970년에 나온 기술이고 계속해서 유전체에 대한 재질 특성은 개선이 되었다. 그럼에도 불구하고 수치로 보면 여전히 재질의 특성은 크게 변화되지 않고 여전히 유지되고 있다. 

그렇지만 옵토에뮬레이터는 SiO2(이산화규소) 유전체를 사용하고 있고 현재까지 나온 재질들 중에서 절연에 대해선 아주 특화된 특성을 가지고 있다. 500VRMS/µm의 아주 큰 전압으로 절연시킬 수 있다. 그림을 보면 실제 공간 분리가 되어 있고 그 공간 분리가 얼마만큼 되어 있느냐에 따라 좀 더 절연의 세기를 증가시킬 수 있다. 

그러면서 TI가 수명 테스트를 했는데 기존 옵토커플러 같은 경우는 10년이 지나면 LED의 노화가 생기면서 점점 성능이 떨어진다라고 업계에서도 이야기를 하고 실제로도 그것 때문에 과잉 설계를 많이 하고 있다. 그러나 옵토에뮬레이터 같은 경우에는 고전압 테스트할 때 30년 정도 이상은 문제없이 동작을 했고, 또한 2배 이상의 고전압 테스트를 했을 떄도 수명에서 문제가 없는 수준으로 나왔다는 것을 확인할 수 있었다.

옵토애뮬레이터가 어디에 많이 쓰게 되느냐? 실제 많이 쓰게 되는건 아주 간단한 전원 공급 피드백 루프 쪽이다. 앞에서도 다양하게 이야기드렸지만 어댑터, 온보드 차저 그리고 서버의 파워 서플라이, 다양한 SMPS 제품들은 무조건 사용을 해야 되는 제품이다. 

파워 변환시 AC 전원을 DC 전원으로 만드는 회로이다. 기준 전압을 제공하는 션트 레귤레이터가 필요하고 그걸 가지고 다시 온오프 하는 시그널을 보내야 하는데 레퍼런스가 기준점이 돼서 옵토에물레이터가 들어가고 거기서 AC시그널을 만들고 그 AC 시그널을 SiO2 통해서 이제 넘겨주고 넘겨준 걸 리시버가 받아서 다시 이제 PWM 컨트롤러가 그걸 컨트롤 하면서 전력변환이 일어나게 된다. 이게 제일 간단한 전원 공급의 되먹임 회로이다. 만약에 PWM 컨트롤러가 엄청 빠른 주파수를 원하고 피드백 루프 응답도 좋게 원하는데 옵토에뮬레이터가 그런 것들을 지원을 안한다면 문제가 생긴다. 그런 것들을 지원할 수 있다는게 TI의 강점이다.

옵토에뮬레이터는 온도와 습도의 변화에 따른 환경의 영향을 훨씬 덜 받으면서 안정적인 동작을 하고 있다. 그 이유는 유전체 재질의 특성이 안정적이고 유전체 자체가 일반적인 공기나 몰드 타입보다는 좀 더 안정적으로 특징이 유지가 되기 때문에 온도의 변화에 크게 영향을 받지 않는다. 

옵토애뮬레이터는 아주 넓은 대역폭을 가진 제품이기 떄문에 부하에 변화에 따라 출력 전압을 적절하게 유지한다. 만약 출력 전압의 변동이 심하면 핸드폰이나 노트북이 다운되거나 달리던 자동차가 고장이 나든지 에러를 발생한다. 그런 것들을 최대한 지원할 수 있느냐를 넓은 대역폭으로 설명할 수 있는데 피드백 반응을 좋게 높은 대역폭으로 데이터 레이트를 지원하기 때문에 큰 문제없이 사용할 수 있다는게 장점이다. 그리고 계속해서 언급한 바와 같이 SiO2 절연은 장벽의 수명도 개선이 된다. 왜냐하면 재질의 특성이 높은 전압을 지원을 하고 기존 다른 재질보다 좋은 장점이 있다.

TI가 가지고 있는 제품군은 TI.COM에서 모두 구매가 가능하다. 또한 고객이 설계한 샘플 디자인을 실제로 어떤 특성이 있는지 테스트해 보려면 TI.COM을 통해서 신청 가능하다. 기술문서도 아주 자세하게 정리된 자료가 준비되어 있으니 참고하면 될 것 같고, 다른 문서들도 TI.COM에서 옵토에뮬레이터라고 치고 검색하면 다른 많은 자료들을 열람할 수 있다.

옵토에뮬레이터를 TI가 갑자기 출시한 디바이스가 아니고 25년 정도 이상의 절연 기술 아이솔레이터라고 하는 제품들을 계속해서 내놓고 있었다. 그 제품들은 대부분 서버 파워나 데이터 센터에서 많이 사용되었다. 이렇게 오랫동안의 기술 축적을 통해서 만들어진 제품군이라는걸 이해하면 될 것 같고 실제로 사용자들도 이 제품들을 사용하셨을 때 큰 이슈 없이 10 ~ 20년 계속해서 동작하는데 문제 없이 잘 사용하고 있었다. 그리고 시스템 비용 절감 부분에서도 아까도 말씀드린것처럼 옵토커플러 같은 경우에 좀 더 과도한 설계 그리고 대기 전력을 많이 소모시켜 주는 그런 설계를 꼭 해야 한다. 왜냐하면 LED 노후화를 최소화시키기 위해 전류를 증가시켜서 과잉설계를 하여 수명연장을 하다보니 비용도 증가하게 된다. 

옵토에뮬레이터는 핀투핀으로 옵토커플러를 대체하고 옵토커플러의 모든 단점을 보완하는 혁신적인 제품이다. 

leekh@seminet.co.kr
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