직렬/병렬 선택가능 인터페이스 탑재한
새로운 모노리딕 옥탈 하이사이드 스위치로 PLC 출력 모듈 구현
VNI8200XP는 공장 자동화, 프로세스 제어, 방직 장비 등을 위해 PLC 출력 모듈을 구현하는 이상적인 전력 스테이지이다.
이 디바이스는 시장에 나와 있는 타사의 유사한 하이사이드 스위치들과 비교해 온칩의 보호/진단 기능뿐만 아니라전력 소모면에서도 최상의 성능을 보여준다.
글/주세페 디 스테파노(Giuseppe Di Stefano), 미켈란젤로 마르키스(Michelangelo Marchese), ST마이크로일렉트로닉스
프로그래머블 로직 컨트롤러(programmable logic controller; 이하 PLC)는 다양한 산업 분야 및 기계의 공장 자동화에 이용되는 디지털 컴퓨터이다. PLC는 다중 입력 및 출력 방식, 확장 온도 범위, 전기적 잡음에 대한 내구성, 진동과 충격에 대한 견고성을 위해 설계됐다.
PLC 출력에서 예기치 않은 동작을 방지하기 위해서는 제한된 시간 안에 입력 조건에 응답할 수 있도록 해야 한다. 프로세스 제어 및 분산 제어 시스템은 PLC가 매우 성공적으로 광범위하게 사용되는 두 가지 애플리케이션 분야이다. PLC 시스템의 중요한 특징 중의 하나는 다중의 입력 및 출력(I/O)을 제공한다는 것이다. 이들 입력 및 출력(I/O)은 PLC 내부에 설계되거나, 외부적인 I/O 모듈을 이용할 수 있다. I/O 모듈은 PLC를 센서(입력)나 엑추에이터(출력)로 연결하는 역할을 한다.
엑추에이터 쪽에서 PLC는 전기 모터, 유압 실린더, 솔레노이드, 램프 등 다양한 유형의 부하를 구동할 수 있다. 시스템 동작을 위해서는 안전 동작과 실시간 모니터링이 매우 중요하다(PLC는 시스템 운영의 안전 동작 및 실시간 모니터링에 꼭 필요하다). 그러므로 출력 단계에서는 다양한 진단프로그램뿐만 아니라 부하 및 결과 스테이지를 위해 가능하면 많은 보호기능을 통합해야 한다. 아울러 전자기 간섭(electro-magnetic disturbance)과 정전기 방전(electro-static discharge)에 관한 엄격한 산업 규정을 충족해야 한다. 또한 환경과 운영 두 측면 모두 다 IP 보호정도(위험 부분 접근 및 고체형 유입 물질의 접근으로부터 보호하는 정도)가 높고, 에너지 소모가 낮은 에너지 효율적인 출력 상태가 매우 중요하다.
그러면 ST마이크로일렉트로닉스의 VNI8200XP를 이용해서 PLC 출력 모듈을 구현하는 것에 대해서 살펴보자.
작동 원리
그림 2에서는 잠재적 사용자들이 자신의 솔루션을 디버그할 수 있도록 특별 개발된 데모 보드를 이용해 간단하지만 완벽한 PLC 시스템을 보여준다. 이 PLC 시스템은 STEVAL-PCC009V2와 STEVAL-IFP022V1의 2개 평가 보드를 이용해서 구현하였다.
STEVAL-PCC009V2는 ARM STM32F103 마이크로 프로세서를 포함한다. 이 보드는 USB 커넥터를 통해 곧바로 PC로 연결되고 멀티 와이어 케이블을 통해 출력 모듈로 연결된다. STEVAL-IFP022V1은 이 PLC 시스템의 출력 모듈이다. IFP022V1의 핵심적 부품들은 SPI와 병렬 중 선택 가능한 인터페이스와 광전자 소자를 이용해 출력 측을 제어 측으로부터 절연(단절)하는 VNI8200XP를 통합한 옥탈(8진법) 하이 사이드 스위치이다. 또한 STEVAL -IFP022V1은 국제 전기 표준 회의(IEC) 64000 규격을 준수하는 디바이스 애플리케이션 검증 및 EMC 테스트를 위한 내부(intermal) 테스트 모듈이다.
온 칩 SPI를 통합한 옥탈(8진법) HSS를 이용해서 출력 모듈을 구현할 때의 이점
그러면 PLC 출력 모듈의 전력 스테이지로 VNI-8200XP를 이용할 때의 이점에 대해서 살펴보도록 하자. VNI8200XP는 ST의 첨단 VIPowerⓡ M0-6 기술을 적용하고 있다. 이는 독보적인 스마트 파워(Smart Power) 기술로서, 동일 칩으로 로직 기능, SPI 인터페이스, 보호 기능, 진단 기능, DC/DC 컨버터, LED 매트릭스 드라이버, 전력 스테이지를 통합할 수 있다. VNI8200XP는 PSSO36 전력 패키지로 제공된다.
그림 4는 매우 높은 동작 전압(36V)과 0.5A 공칭 출력전류로 대형 유도성 부하(0.4H)의 반자화(demagnetization)에 대해서 보여주는 파형이다. VNI8200XP 디바이스는 각 채널의 Rds(on)가 낮기 때문에(125℃일 때 200mΩ) 매우 높은 효율을 유지할 수 있다. PCB 구리 면적을 히트싱크로 이용해 어떠한 문제도 일으키지 않고 8개의 대형 인덕터(최대 1.15H)를 일시적으로 방전시킬 수 있다.
그림 5는 2개 출력 채널이 동시에 연속적인 과부하가 발생했을 때 이 디바이스의 열 동작(thermal)을 보여준다. 과부하 조건이 발생하면 접합부의 온도를 제어하기 위해 그 채널은 자동으로 턴오프하고, IC 온도가 온도 히스터리시스로 정한 임계값 아래로 낮아지면 자동으로 다시 턴온한다. 이 과부하 조건으로 케이스 온도가 한계치인 TCSD에 도달하면 과부하 채널들은 턴오프하고, 케이스 온도와 접합부 온도가 각자의 리셋 임계값 아래로 떨어지면 비동시적으로 재시작한다. 과부하가 아닌 채널들은 계속해서 정상적으로 동작한다. TCSD보다 높은 케이스 온도는 TWARN 개방 드레인 핀을 통해서 보고된다.
이 디바이스를 SPI 통신으로 동작하도록 선택하면 8비트 모드와 16비트 모드 두 가지 방식 중 하나를 택할 수 있다.
기본 모드는 8비트 모드 동작이다. 이 모드에서는 8개 출력 구동과 각 채널의 결함 상태 전송만 가능하다. 향상모드인 16비트 모드에서는 통신 제어(패리티 체크 코드), 전원 및 로직 면에서의 저전압 공급, 각 채널의 과열 검출, 모니터링 등을 비롯해서 다수의 향상 기능이 가능하다. 그림 6에서는 디바이스의 SPI를 통한 접합부 결함통신을 보여준다.
직렬 주변 장치 인터페이스(serial peripheral interface)를 온칩으로 통합하여 절연에 필요한 광전자 소자수를 크게 줄일 수 있으며, 케이블 배선을 간소화함으로써 구리 양을 줄이고 작업 시간을 단축할 수 있다. 온칩으로 SPI를 제공하므로 32비트 모듈을 구현할 수 있는 4개의 VNI8200XP 디바이스를 데이지 체인(daisy chain) 방식으로 구성할 수 있다.
요약
VNI8200XP는 공장 자동화, 프로세스 제어, 방직 장비 등을 위해 PLC 출력 모듈을 구현하는 이상적인 전력스테이지이다. 이 디바이스는 시장에 나와 있는 타사의 유사한 하이사이드 스위치들과 비교해 온칩의 보호/진단기능뿐만 아니라 전력 소모면에서도 최상의 성능을 보여준다. 또한 다음과 같은 특징들을 통해 외부 부품의 소요 및 재료와 작업 비용을 줄일 수 있다.
- IC 통신에 이용하기 위한 8비트 및 16비트 SPI 인터페이스
- 통합 부트 다이오드를 탑재한 100mA 고효율 스텝다운 스위칭 레귤레이터
- 4 x 2 다중화를 구현하는 채널 출력 상태 LED
<반도체네트워크>