터치 스크린 컨트롤러의 보조 입력 활용하기 - Technology

다양한 TI의 TSC 보조 아날로그 입력은 각기 다른 입력 범위와 ESD(Electrostatic Discharge) 보호 레벨을 내장했기 때문에 이들을 사용할 때에는 특정 요건 또는 제한요소를 고려해야 한다. 이 글에서는 TSC 보조 입력(배터리 및 전압 포함)의 일반적인 특수 기능들과 제한요소들에 대해 살펴볼 것이다.

터치 스크린 컨트롤러의 보조 입력 활용하기

글│Wendy Fang, 정밀 아날로그 애플리케이션, 고성능 아날로그
Tony Chang, 정밀 아날로그 애플리케이션, 고성능 아날로그
텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)

터치 스크린 컨트롤러(TSC)-DS7843/45/46, TSC2046, TSC-2003/4/5/6/7-는 터치스크린 입력 핀과 TSC2046의 배터리 전압 모니터링 핀(VBAT) 또는 TSC2007의 AUX 핀 등과 같은 하나 이상의 비터치스크린(Non touch screen) 또는 보조 아날로그 핀들을 갖추고 있다. 이러한 보조 입력은 터치스크린 입력에 따라 타임을 공유하거나 또는 터치 스크린에 접촉이 없을 경우 타임 기간을 이용하여 시스템의 배터리 레벨 또는 다른 전압 신호들의 모니터링을 가능하게 한다.

다양한 TI의 TSC 보조 아날로그 입력은 각기 다른 입력 범위와 ESD(Elec-trostatic Discharge) 보호 레벨을 내장했기 때문에 이들을 사용할 때에는 특정 요건 또는 제한요소를 고려해야 한다. 이 글에서는 TSC 보조 입력(배터리 및 전압 포함)의 일반적인 특수 기능들과 제한요소들에 대해 살펴볼 것이다.

그림 1. TSC 내부 입력 회로의 블록 다이어그램

보조 아날로그 입력

표 1은 현재 TI가 제공하고 있는 TSC의 보조 아날로그 입력 핀을 열거한 것이다. TSC 내부에서 MUX는 SPI 또는 I2C 포트를 통해 전달된 명령어를 아날로그 입력들 중 하나를 선택하여 ADC에 연결한다.

표 1. TI의 TSC 디바이스의 보조 아날로그 입력

보조 입력 모드

TI의 TSC는 차동 또는 SE(Single-ended) 입력 모드에서 동작하지만, 보조 아날로그 입력은 SE 모드에서만 측정 및 전환이 가능하다(그림 2참조).

그림 2. TSC의 SE 모드

차동 모드의 TSC는 신호 드라이버가 REF와 -REF에 직접 연결되기 때문에 어떠한 레퍼런스도 필요하지 않다. 하지만, 레퍼런스 전압 VREF는 SE 동작을 위해 반드시 있어야 하며, 따라서 AUX 또는 VBAT와 같은 보조 입력이 측정될 경우에도 항상 필요하다.

레퍼런스 전압은 외부적으로는 TSC의 ADC에, 내부적으로는 ADS7846, TSC-2046, TSC2003의 경우에 제공된다. 외부 레퍼런스가 사용되는 경우, 이들 디바이스는 2.2V에서 5.25V 사이의 공급 전압으로 VCC 핀에서 전원이 켜지며, 1.0V에서 VCC 사이의 외부 VREF가 제공된다. TSC의 내부 레퍼런스가 사용될 경우, ADS7846, TSC2046, TSC2003 등은 내부 VREF가 확실히 약 2.5V(2.45V~ 2.55V)가 되도록 2.7에서 5.25V 사이의 공급전압으로 전원이 켜져야 한다. 그 외 TI의 TSC는 빌트인 전압 레퍼런스를 장착하지 않는다. 실제 애플리케이션에서는 동일한 TSC 전원공급을 간단히 레퍼런스에 전달할 수 있다.

보조 입력 전압 범위

보조 입력에 대한 신호 범위는 항상 0V에서 VREF 내에 있어야 한다. 이 범위를 넘어서는 신호는 ADC를 포화시키고, 온도를 상승시켜 입력 회로를 손상시킨다. 배터리 모니터링 입력을 위한 신호 범위인 VBAT는 VREF 수준을 크게 넘어서기 때문에 각 VBAT 핀을 갖춘 분압기(Vol-tage divider)를 사용한다(그림 3참조). 입력 분할 회로는 ADC에 대한 신호의 범위를 0V에서 VREF 사이로 제한한다.

그림 3은 ADC에 대한 신호와 VBAT 핀에 대한 신호를 비교하여 후자가 25%에 불과하다는 것을 보여준다. 표 1에서 나타낸 바와 같이 ADS7846, TSC2046, TSC2003 등은 최대 6V까지의 신호를 모니터링하고 측정할 수 있도록 설계된 1개 또는 2개의 배터리 모니터링 입력을 가지지만, 디바이스들은 최소 2.7 VDC의 훨씬 낮은 전압으로 전원이 켜진다.

그림 3. ADC에 대한 입력을 감소시키는 분압기

TSC 보조 입력 특징

TSC 보조(배터리 포함) 입력의 주요 특성을 다음과 같이 요약할 수 있다:

- 보조 입력 신호는 SE 모드에서만 측정할 수 있다.
- 보조 입력이 측정될 경우, 레퍼런스 전압인 VREF는 ADC에 제공되어야 한다.
- 보조 입력의 신호 범위는 0V에서 VREF 사이여야 한다.
- 배터리 입력인 VBAT는 0V에서 VREF의 4배인 최대 6.0V 사이여야 한다.

특수 애플리케이션

다음 내용은 TSC의 보조 아날로그 입력 핀의 특수 애플리케이션에 중점을 두었다.

§ 미사용 입력 핀
미사용 입력 핀 TSC의 아날로그 입력 핀들이 사용되지 않는다면, 이를 아날로그 접지에 직접 연결하는 것이 좋다.
　　　　　　　
§ VBAT의 모니터링을 위해 AUX 입력 핀을 사용하는 경우

표 1과 같이, 일부 TI의 TSC는 배터리 전압 모니터링 핀(VBAT)를 갖추지 않는다. 배터리의 전압이 일반적으로 TSC의 전원 공급기의 전압보다 높아서 (더불어 VREF 또한 높아짐) 일반 보조 입력 배터리를 모니터링에 적합하도록 직접 사용할 수 없다.

그림 4와 같이 배터리와 AUX 사이에 외부 분압기를 추가한다면, AUX와 같은 TSC 보조 핀은 배터리 전압을 측정 및 모니터링하는 데 사용할 수 있다. R1과 R2 값은 AUX 핀 신호가 확실히 0V에서 VREF 사이에 있도록 충분히 넓은 여유를 두고 선택되어야 한다. 그림 4에 나타낸 분압기가 추가 전력을 소비하는 것에 유의해야 한다. 이는VCC / (R1 R2)의 전류가 지속적으로 배터리를 소모하기 때문이다. 높은 저항은 전력 소비를 줄일 수 있다.

그림 4. 배터리 전압의 모니터링을 위해 외부 분압기를 장착한 AUX 사용

TSC의 VBAT 입력 회로는 분압기와 전력(접지) 사이에 스위처가 있어서 배터리의 추가적인 전력을 소비하지 않는다(그림 3참조). 그리고 내부 분압기는 배터리를 측정하는 짧은 기간 동안에만 전원이 켜진다.

이와 같이, TSC의 AUX 핀을 배터리 전압의 모니터링을 위해 사용하는 경우, 그림 5처럼 제어 가능한 스위치를 추가하여 전력 소모를 줄인다. 그리고 TSC의 전원이 꺼진 경우에 AUX 핀에서 확실히 신호가 연결되지 않도록 한다.

그림 5. 제어 가능한 스위치를 갖춘 배터리의 모니터링을 위해 TSC AUX를 사용

전원 차단시 ESD 보호와 보조 입력 요건

시스템 전력소모를 줄이기 위해 TSC가 사용되지 않을 시, TSC의 전원을 차단하는 것은 실제 애플리케이션에서는 매우 일반적인 일이다. 이러한 경우 ‘TSC의 전원이 제거되고서도 아날로그 신호가 TSC와 연결된 상태를 유지하는 것이 가능할까?’라는 궁금증이 유발된다.

그림 6은 TSC의 전원이 꺼지기 전에 아날로그 입력이 제거되어야 하는 사례를 보여준다. TSC의 전원이 꺼진 경우(VCC = 0)에 아날로그 입력 신호가 활성화되면(AUX는 0이 아님), 아날로그 신호가 ESC 보호 다이오드를 통해 VCC에 연결될 수 있다(그림 6의 빨간색 선 참조). 이로 인해 입력 신호의 크기에 따라 TSC의 전원이 부분 또는 전체적으로 켜질 수 있으며, 보다 많은 전력을 소비하고 TSC의 고장을 야기시킬 수 있다. 따라서 그림 6과 같은 회로 구성은 피해야 한다.

그림 6. 외부 ESD 보호 회로로 TSC에 의사 전원(pseudo power) 공급가능

그림 7은 이에 대한 대안 사례이다. ESD 보호 회로를 간단하게 사용하는 것을 보여준다. 과부하의 정전기 전압 상태에서 그림 7의 a 회로는 ESD 보호 다이오드를 통과하는 제한된 전류의 흐름으로 그림 7의 b 회로 만큼 효율적이지 않다. 반면, 그림 7의 b 회로는 좌우 대칭이 일정치 않으므로 양과 음의 ESD 버스트에 동일한 보호 기능을 제공하지 않는다.

그림 7. TSC 아날로그 입력 핀에 적합한 ESD 보호 회로

TI의 TSC2004/5/6/7 등과 같은 일부 새로운 TSC는 그림 8의 단순화된 회로처럼 보강된 온칩 ESD 보호 기능을 제공하도록 설계되었다.

그림 8. AUX 입력을 위한 TSC2004/5/6/7의 내부 ESD 보호 회로

분명한 것은 이러한 디바이스들의 경우, TSC의 VCC 전원이 꺼지기 전에 AUX에 대한 TSC의 입력 신호가 제거되어야만 한다는 것이다. 그림 9는 AUX 신호를 제거하는 사례를 보여준다.

그림 9. TSC의 전원을 끄기 전, TSC2004/5/6/7의 AUX를 오프 상태로 전환되어야 함