고선형성 아날로그 광커플러는 다양한 아날로그 절연 요구를 만족시킬 수 있는 다용성을 제공한다. 고전압 어플리케이션 설계자들은 고선형성 아날로그 광커플러로 왜곡 없이 매우 높은 전압 영역과 매우 낮은 전압 영역모두에 걸쳐 아날로그 신호를 신뢰성 있게 전송할 수 있다. 이 기사글에서는 고선형성 아날로그 광커플러의 내부 작동 방식과 서보 제어 방식을 자세히 살펴볼 예정이다.
글│Chen Hong Lei, Avago Technologies
고선형성 아날로그 광커플러는 다양한 아날로그 절연 요구를 만족시킬 수 있는 다용성을 제공한다. 고전압 어플리케이션 설계자들은 고선형성 아날로그 광커플러로 왜곡 없이 매우 높은 전압 영역과 매우 낮은 전압 영역에 모두에 걸쳐 아날로그 신호를 신뢰성 있게 전송할 수 있다. 이 기사글에서는 고선형성 아날로그 광커플러의 내부 작동 방식과 서보 제어 방식을 자세히 살펴볼 예정이다. 모터 제어 전류 감지에서부터 기존의 프로세스 제어 전류 루프 통신에 이르기까지 다양한 어플리케이션 예도 제시한다.
고전압 어플리케이션에 이상적인 광커플러 선택
표준 디지털 광커플러는 오랫동안 고전압 어플리케이션에서 광절연 요구를 처리하기 위해 사용되고 있다. 디지털 광커플러를 신호 처리 회로와 결합하면 고전압 절연 요구를 만족시킬 수는 있지만 설계가 복잡해져 아날로그 입/출력을 필요로 하는 어플리케이션에 알맞지 않게 된다. 시장에 출시되어 있는 선형 광커플러 중에는 아날로그 절연을 제공하는 것들도 있으나 충분히 높은 작동 절연 전압과 함께 선형성이나 게인 정확도와 같은 필수 성능을 제공하지 못한다. 절연 증폭기 광커플러를 고려해볼 수도 있으나 설계자들은 가격과 성능 간 상쇄 효과를 고려해야 한다.
고선형성 아날로그 광커플러는 우수한 안정성, 선형성 및 대역폭을 요하는 수 많은 어플리케이션에서 아날로그 신호를 분리하는 데 적합하다.
최적의 설계한 회로라면 단극성/양극성, AC/DC 및 반전/비반전 등과 같은 여러 가지 신호를 처리할 수 있다. 어플리케이션 중에는 매우 높은 절연 전압을 요하는 것들도 있다.
예를 들어, 모터 구동 고측면 전류 감지 및 위상 전류 감지 어플리케이션에서 작동 전압은 1kV로 높다. 광커플러는 이렇게 가혹 조건에서 작동할 수 있도록 특수 제작해야 한다.
다음 예에서는 아바고 테크놀로지스의 `HCNR200/201` 광커플러를 통해 고선형성과 최고 1.4kV 작동 절연 전압을 이용하는 다양한 절연 어플리케이션을 보여준다.
전류 감지 및 전압 모니터링 어플리케이션
고선형성은 모터 제어 드라이브, 전원 공급 피드백 루프 스위칭, 인버터 시스템과 같은 여러 어플리케이션 영역에서 전류 감지 및 전압 모니터링에 절대적으로 중요하다.
모터 제어 드라이브의 일부인 변속 모터 드라이브는 산업용 어플리케이션뿐만 아니라 가정용 가전제품에서도 용도가 늘어나고 있다. IGBT/MOSFET, 게이트 드라이버, 그리고 당연히 MCU(Micro-Controller Unit)와 같은 핵심 구성요소 중에서 안정적이고 안전한 시스템 제어를 위해 MCU로 피드백을 전송하는 데 아날로그 전류 및 전압 센서가 절대적으로 중요하다. 고전압이 흐르기 때문에 모터와 저전압 디지털 전자제품을 작동시키는 사람들을 전류 절연을 통해 보호하는 것이 중요하며 이 사항은 보통 안전 및 규제 기관에서 처리한다.
절연 전압이 매우 높은(5kVrms/1분) 광커플러가 있어야 온도 및 위치 감지뿐만 아니라 DC 버스 전압 모니터링, DC 버스 전류 감지, AC 위상 전류 감지를 처리할 수 있다.
그림 1은 일반 모터 드라이브 블록 다이어그램에서 사용하는 어플리케이션(Analog Isolation Block 상자)을 보여준다. 이 그림에서 보면 저항기 R2와 R5가 HV DC 버스 전압 및 DC 버스 전류를 각각 측정하는 데 이용되는 반면, R3와 R4는 모터 위상 전류를 측정하는 데 이용되는 것을 볼 수 있다.
온도나 위치와 같은 파라미터는 모터에 연결된 해당 센서에서 감지하며 그 출력은 다른 아날로그 절연 블록으로 공급된다. 그 후 모든 파라미터가 절연 격리판을 거쳐 전송되어 MCU가 이를 수집하게 된다. 그림 2a와 b 단극성/양극성 입력 회로 각각에 대한 간추린 아날로그 절연 블록 회로도를 보여주며, 이는 다음 단원에서 논의하도록 하겠다.
작동 이론
그림 2a, 특히 회로의 입력부에서는 회로의 작동을 바로 명확히 확인할 수는 없다. 광증폭기는 항상 선형 피드백 폐쇄 루프 연결 시 두 입력에서 입력 전압을 같은 상태로 유지하려고 한다. 따라서 입력측 광증폭기 A1은 항상 포토다이오드 PD1 전체에 0의 전압을 보내려고 한다. 이제 입력에 일정 양의 전압 VIN+를 적용하면 광증폭기 출력이 음의 레일로 바뀌어 LDE 전류가 흐르도록 할 것이다.
이 VIN+는 전류가 R1을 통과하도록 하며 LED 표시등 출력을 PD1이 감지하여 `+` 단자에서 GND1으로 전류 IPD1이 흐르도록 한다. 이 때, A1은 완벽한 광증폭기이므로 A1의 입력으로는 전류가 흐르지 않는다는 사실을 전제로 한다. 따라서 R1을 통해 흐르는 모든 전류는 PD1을 통과할 것이다. A1의 `+` 입력은 0V이므로 R1을 통과하는 전류 그리고 IPD1도 VIN+/R1 또는 VIN+/R1과 동일하다.
IPD1은 입력 전압과 R1 값에 따라서만 변하며 LED의 표시등 출력 특성과는 무관하다.
LED 표시등 출력은 온도에 따라 변하므로 증폭기 A1이 IF 를 조절하여 PD1에서 정전류를 보정 및 유지한다. 또한 IPD1은 VIN+와 정비례하여 입력 전압과 포토다이오드 전류 간에 매우 선형적인 관계를 형성한다. 입력 광전력과 포토다이오드의 출력 전류 간 관계는 매우 선형적이다. 따라서 IPD1을 안정시켜 선형화하면 LED 표시등 출력도 안정되고 선형화된다.
그리고 LED 표시등은 양쪽 포토다이오드가 동일하므로 IPD2도 안정화 된다.
PD1과 PD2는 서로 같기 때문에 IPD2는 IPD1과 같은 것이 이상적이나 실제로는 계숙 K3에 따라 변화한다. 따라서 IPD2 = K3 x IPD1인데, 여기서 K3은 데이터 시트에서 정의하는 전송 게인이다.(K3 = IPD2/IPD1 = 1). 증폭기 A2와 저항기 R2는 전달저항 증폭기를 형성하여 IPD2를 다시 전압 VOUT으로 변환하는데, 여기서 VOUT = IPD2 x R2이다.
위 세 방정식을 결합하면 출력 전압과 입력 전압의 전체 관계식이 만들어진다.
VOUT/VIN+ = K3 x (R2/R1)
따라서 VIN+와 VOUT 간의 관계는 일정한 선형적 관계이며 LED의 표시등 출력 특성과는 무관하다. 아날로그 절연 블록 회로의 게인은 R1에 대한 R2의 비를 조절하여 간단히 조정할 수 있다. 그림 2a는 양의 전압 입력만 수용하는 단극성 구성이다. 그림 2b는 양극성 입력(양의 값과 음의 값 사이를 오가는 신호)을 수용하도록 구성해 놓은 것이다. 두 전류 소스 IOS1과 IOS2가 추가되어 신호를 상쇄하므로 광커플러 입장에서는 단극성인 것처럼 보인다. 전류 소스 IOS1은 오프셋을 충분히 제공하여 IPD1이 항상 양의 값을 유지하도록 한다.
두 번째 전류 소스인 IOS2는 오프셋을 제공하여 해당 값의 순회로 오프셋 전압을 얻는다(예: 양의 전원과 음의 전원을 모두 사용할 경우에는 0V가 바람직할 수 있으나 양의 전원 회로 하나만 사용할 경우에는 중도 전압이 더 적합할 수 있다). 전류 소스 IOS1과 IOS2는 저항기를 적절한 전압 소스에 연결한 것으로 간단히 구현할 수 있다. 오프셋 성능은 IOS1과 IOS2의 조합에 따라 달라지며 광커플러의 게인에 따라서도 달라진다.
전류 루프 통신 어플리케이션
프로세스 제어 산업에서 전류 루프는 센서 신호 전송의 표준 방법이 되었다. 이 방법은 장거리 전송(최고 10km)일 경우에 특히 유용하다. 전류 루프는 매우 유연성 높은 통신 인터페이스이다. 전류 루프에는 몇 가지 종류가 있는데, 아날로그(선형 전류가 아날로그 신호를 나타냄), 로직(높은 로직 레벨과 낮은 로직 레벨이 각각 MARK와 SPACE 상태를 나타냄) 그리고 HART£(Highway Addressable Remote Transducer) 통신 프로토콜을 사용하는 아날로그/디지털 복합 전류 루프가 있다. 전압 신호와 비교할 때, 전류 루프는 다음과 같은 장점이 있다.
- 노이즈에 민감하지 않으며 라인 임피던스로 인한 오류에 영향을 받지 않음
- 진폭 손실 없는 장거리 전송
- 저렴한 2-와이어 케이블
- 보다 낮은 EMI 감도
- 오프라인 센서, 전송 라인 파열, 기타 장애 감지
4mA~20mA 전류 루프에 절연을 추가하는 것은 일반적으로 산업용 프로세스 모니터링 어플리케이션에서 발생하는 전기 노이즈 및 Transient로부터 시스템 전자부품을 보호하는 데 중요하다.
절연 격리판이 있어서 트랜스듀서를 수백 또는 수천 개 전압으로 전기적으로 구분할 수 있다. 아바고의 HCNR200과 HCNR201은 최고 수준의 안전성과 규격 성능을 제공하고 있으며 따라서 이러한 어플리케이션에 적합할 수 있다. 4mA~ 20mA 아날로그 전류 루프 송수신기의 블록 다이어그램 예제가 그림 3과 그림 4에 각각 나와 있다.
아바고는 20mA 로직 전류 루프를 사용하는 시스템을 위해 광학 커플링 20mA 전류 루프 송/수신기(HCPL-4100 및 HCPL-4200)도 공급하고 있다.
요소 및 패키지 구성
고선형성 아날로그 광커플러의 우수한 성능과 설계 유연성으로 인해 이를 채택하고 있는 어플리케이션이 늘고 있다. 현재 많은 신형 고선형성 광커플러가 출시되어 서로 유사한 장점을 내세우고 있으나 설계자들에게 있어서 알맞은 제품을 선택하는 일이 여간 까다롭지 않다. 일부 광커플러는 LED와 PIN 포토다이오드로 구성되어 있으나 LED와 광 트랜지스터가 내장된 것들도 있다. 이들 제품은 보다 나은 선형성 성능을 위해 서보 피드백을 활용할 수 있도록 모두 요소들이 비슷하게 배치되어 있다.
아바고 테크놀로지스의 고선형성 아날로그 광커플러는 고성능 AlGaAs LED로 구성되어 그림 5a에서와 같이 밀접하게 정합된 포토다이오드 PD1과 PD2에 조명을 비춘다. 입력 포토다이오드 PD1은 LED의 표시등 출력을 모니터링하고 따라서 이를 안정화하는 데 사용한다.
따라서 LED의 비선형성과 드리프트 특성을 사실상 제거할 수 있다. 출력 포토다이오드 PD2는 LED의 표시등 출력과 비례하는 광전류를 발생시킨다. 포토다이오드와 고급 패키지 설계의 밀접한 정합으로 광커플러의 고선형성과 안정적인 게인 특성을 보장한다.
이러한 고급 요소들이 모두 고유한 와이드바디 패키지에 담겨있다(그림 5b참조). 아바고는 리드 간격이 400mm, 내부 간극이 1mm(절연 거리를 통과), 외부 연면거리가 10mm, 외부 간극이 9.6mm인 HCNR200/201을 설계했다.
이는 까다로운 외부 연면거리와 간극 요구사항도 만족시킨다. 이러한 부품은 CSA, UL의 5kVrms/1mm 정격 공인, IEC/EN/DIN EN 60747-5-2 작동 절연 전압 1414 Vpeak 등 전세계 안전성 승인을 받는다. 이러한 디바이스는 절연을 강화해야 하는 어플리케이션뿐만 아니라 안전 설계가 필요한 어플리케이션에도 적합하다.
선형 입력 범위
선형성 성능 외에도 구성요소 선택 중 마지막으로 고려해야 하는 요소는 바로 회로의 선형 입력 범위(LIR-Linear Input Range)이다. 회로의 LIR은 시트에서 제기하고 있는 선형성을 누릴 수 있는 입력 신호의 다이나믹 레인지를 결정하며, 이 다이나믹 레인지는 결과적으로 데이터 시트에서 명시하고 있는 특정 광커플러의 선형 응답 범위로 나타난다.
예를 들어, HCNR200 및 HCNR201 데이터 시트를 보면 HCNR200의 `DC 비선형성(가장 적합)`의 일반 값은 0.01%이고 `5 nA < IPD < 50μA, 0V < VPD < 15 V` 테스트 조건에서 최대값은 0.25%인 것으로 명시되어 있다. 각각의 데이터 시트에 나와있는 광검출기 전류나 검사를 마친 광검출기 전류(LED 전류가 정해져 있는 경우)의 테스트 조건을 이용하여 회로의 LIR을 계산한다.
여러 공급업체들의 선형 아날로그 광커플러의 LIR을 비교할 수 있도록 어플리케이션 회로 토폴로지를 전제로 하고 있다. 이 경우, 그림 2A에 있는 어플리케이션 회로는 입력 전압의 LIR을 계산하는 데 사용되었다. 그림 6에 있는 비교 차트를 보면 HCNR200/201의 선형 응답 범위가 훨씬 더 넓은 것을 알 수 있는데, 이는 HCNR200/201를 적용한 회로가 그렇지 않은 회로에 비해 훨씬 더 넓은 선형 입력 전압 범위를 이용한다는 것을 의미한다(Comp A보다 60dB 더 넓고 Comp B보다 66dB 더 넓음).
요약
일반 고선형성 아날로그 광커플러 어플리케이션에서는 PD1과 함께 외장형 피드백 증폭기를 사용하여 LED 표시등 출력을 모니터링하고 LED 전류를 자동으로 조절하여 비선형성이나 LED 표시등 출력 변화를 보정할 수 있다. 피드백 증폭기는 LED 표시등 출력을 안정화하고 선형화한다. 그러면 출력 포토다이오드가 LED의 안정적인 선형 표시등 출력을 전류로 변환하고, 이 전류는 다른 증폭기에 의해 다시 전압으로 변환된다. 알맞은 어플리케이션 회로 설계를 통해 이 효율적으로 구성된 다용도 아날로그 광커플러는 여러 모드로 작동하여 다양한 아날로그 절연 요구를 만족시킬 수 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 10월호>