근접 감지기 및
산업 자동화용 지능형 파워 스위치
이 글에서는 근접 감지기 및 일반 산업 자동화용 지능형 파워 스위치에 관해서 살펴본다. 지능형 파워 스위치는 외부 부품 수를 줄여 애플리케이션의 최적화를 가능하게 하고 고품질 저비용의 시스템 솔루션을 제공한다.
글│쥬세페 디스테파노, 미켈란젤로 마케즈, ST마이크로일렉트로닉스
공장 자동화 및 공정 제어 부문에서는 상이한 형태의 작동기(Actuator) 구동을 위해 각기 다른 출력 디바이스를 사용한다. 시장 및 애플리케이션 제품에 따라 출력 드라이버는 하이사이드(High Side) 설정(Load to Ground) 혹은 로사이드(Low Side) 설정(Load to Supply)로 설정될 수 있다. 임베디드 프로텍션 및 진단은 언제나 요구된다.(그림 1, 그림 2)
이 디바이스들은 수명이 다 할 때까지 대용량 유도 부하(1헨리 초과)로 수천 사이클의 스위치 ON-OFF 작동이 필요하다. 이 디바이스들은 2.5KV 버스트 테스트 등의 전자파 적합성(EMC)을 위한 IEC 규격 호환성 이외에도, 반드시 매우 작은 케이스(≤5mm) 안에 장착되어야 하므로 초소형 패키지가 필요하다.
지능형 파워 스위치(IPS) 제품군에 속하는 ST마이크로일렉트로닉스의 TDE-1708DFT 디바이스는 상기 요건에 대한 해법을 제시하고 있다. IPS는 제어 부분(로직, 인터페이스, 드라이버 및 프로텍션)을 파워 스테이지와 통합한다. TDE1708DFT는 로사이드 드라이버뿐만 아니라 하이사이드 드라이버로서도 작동할 수 있어 부하를 설정 시, 최대의 유연성을 부여한다. 
이 칩은 비정상적인 전기 상태나 결함으로부터 보호받기 위해 몇 개 블록의 프로텍션을 통합하고 있다. 칩에는 출력 상태 표시를 위한 1개의 핀이 있으며, 노출 패드 패키지의 초소형 무연(Leadless) DFN 8 Lead에 집적된다.(그림 3)
디바이스 설명
그림 4는 디바이스의 주 프로텍션 블록을 다음과 같이 명확하게 구분하고 있다: 접점 과열, 전류 제한(일반적으로 0.3A), 보조 볼티지 레귤레이
터 및 제한 전압.
접점 과열 프로텍션 및 전류 제한은 부하-접지(Load to Ground) 회로의 과부하 및 단락으로부터 디바이스를 보호한다. 외부 커패시터가 회로 단락 및(또는) 과부하 시 TURN-ON 시간을 설정하므로, 열악한 전기 상태에서 디바이스의 전력 소실을 최소화한다.
제한 전압은 전압 스파크로부터 최종 단계를 보호하고, 유도 부하의 신속한 자기 소거를 수행한다(-55V 최소 자기 소거 전압).
그림 4에서는 보이지 않지만, 역전원(-Vcc), 역출력(최대 -50V), 접지 손실 및 Vcc 손실로부터도 디바이스를 보호한다. 접지 손실 혹은 Vcc 손실의 경우 파워 스테이지는 OFF로 스위치 되어, 내부 볼티지 레귤레이터(+5V)가 제대로 작동하지 않는다.
내부 볼티지 레귤레이터는 모든 로직 블록에 전압을 공급하며, 외부 회로에도 전압을 공급할 수 있다. 출력 상태는 디바이스의 LED 드라이버 핀에 LED를 연결하여 확인할 수 있다.
기타 기능으로는 최대 50V의 공급 전압 및 높은 내잡음성을 보장하는 고임피던스 차동 입력(High Impe-dance Differential Input)이 있다.
애플리케이션
TDE1708DFT는 흔히 공장자동화, 공정제어 및 빌딩자동화 분야에서 작동기 구동을 위한 근접 감지기(Proximity Detectors)에 연결하여 사용한다(그림 5). 그림 6은 근접 감지기가 일반적으로 적용된 회로를 보여준다.
근접 감지기는 디바이스의 입력 단자에 직접 연결한다. 이 회로도는 J1 및 J2를 적절히 사용하여 감지기 본체를 접지에 연결하거나 독립 접지 방식을 이용하는 것이 최적임을 보여주고 있다. R1을 통해 입력 이력을 조절할 수 있으므로 어떤 형태의 근접 감지기도 사용할 수 있다. 디바이스와 전원 사이 긴 연결선의 연속적인 유도에서 발생하는 과전압 또는 장애를 피하기 위하여 Vreg와 Vs 핀에 필터링 커패시터를 채택하였다. 지연 커패시터는 출력 회로 단락 시 적절한 작용을 한다. 그림 7은 회로 단락 시 Vcc 및 출력 전류의 파형을 보여준다.
TDE1708DFT는 프로그램 가능 로직 컨트롤러(PLC)의 국제 규격 및 일반 산업용 전자파 적합성(EMC) 규격에 부합한다. 산업용 기기에 관한 가장 엄격한 EMC 시험 중 하나는 고속 과도(버스트) 내성 시험으로, IEC 61000-4 국제 표준에 설명되어 있다.
버스트(Burst)가 허용 한계를 초과하면 입력이 High State 상태가 되지 않더라도 출력 트랜지스터가 꺼지게 된다. TDE1708DFT의 버스트 시험은 10nF의 지연 커패시터로 실시하였으며, 최대 +2500V/-2500V의 버스트 전압에 대해 잡음 내성을 보였다.
결론
근접 감지기 및 일반 산업 자동화용 지능형 파워 스위치에 관해서 살펴보았다. 지능형 파워 스위치는 외부 부품 수를 줄여 애플리케이션의 최적화를 가능하게 하고 고품질 저비용의 시스템 솔루션을 제공한다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 06월호>