격리 기법은 속도나 성능에 지장을 주지 않고 신뢰성과 안전성을 개선할 수 있습니다

주로 산업, 의료, 항공우주 분야에서 관찰되고 있지만 보호 계층을 추가해야 하는 응용 부문이 계속 늘고 있습니다. 디지털 격리 응용 부문으로는 공유 접지 제거를 통한 전자파 간섭 완화, 유해 전압 수준 차단 그리고 용도에 따라 다르겠지만 데이터 손상, 접속 두절, 불안전하고 예측 불가한 작동 상태를 야기할 수 있는 과도 현상 없는 데이터 전송 유지가 있습니다.

격리가 이러한 문제의 해결에 도움이 된다는 것은 엄연한 사실입니다. onsemi에서 새롭게 선보이는 오프칩 세라믹 디지털 절연체 Digi-Max 제품군은 속도, 과도 내성, 온도, 전반적인 수명 성능 같은 기존의 격리 방법보다 장점이 더 많습니다.

광학 및 디지털 격리 기술의 배경

지난 60년 이상 격리의 형태는 다양하게 나타났습니다. 아날로그, 광학 기반 격리(지금도 산업에서 많이 사용되고 있음) 그리고 비교적 최근 기술인 CMOS와 RF 전송 같은 디지털 격리 통합 기술까지 다양합니다.

일반적으로 디지털 격리는 전환 속도가 더 빠르고 내부 부품의 수명이 더 길어 광학 격리보다 성능이 좋습니다. 일반적으로 광학 절연체 LED는 시간이 지나면서 열응력에 의한 고장을 유발하며, 피크 과도 전류에 약하고, 다이오드 전류가 제한되며, 전반적인 부품 수명이 짧습니다. 디지털 격리에는 감광성 부품보다 신호 정보를 전송하는 내부 베리어에 자기 및 정전식 결합이 포함되어 있습니다. 물론 광학 부품도 포함되어 있는 디지털 절연체도 일부 있습니다. 또한 디지털 절연체에는 6개의 채널이 단일 패키지에 포함되어 있어 다채널 버스에 적합합니다.

일반적으로 디지털 절연체는 점유 공간이 더 작아, 민감하거나 중요한 통신에 사용되는 다른 IC들이 함께 통합되어 있어 크기와 비용까지 절감됩니다. 전기적 격리는 가장 안전한 격리 형태로 간주되는데, 한 회로에서 다른 회로로 정보를 전송할 때 전기 연결이나 누설 경로가 없기 때문입니다.

옵토커플러가 전기적 격리에서 가장 일반적인 형태 중 하나여서 자력을 띠는 대부분의 디지털 절연체보다 안전하지만, 속도는 가장 느리고, 크기는 가장 크고, 상대적으로 전력 소비가 많아 채널 수가 많은 고속 응용 부문에는 적합하지 않습니다. 그림 1은 광학 격리와 디지털 격리를 시각적으로 비교한 것입니다.

대부분의 디지털 절연체에는 온칩 정전식 기술이 사용됩니다. 그 안에는 전기 과부하와 정전기 방전에 의한 손상에 취약한 얇은 절연 베리어와 물질이 들어 있습니다. 일반적으로 디지털 절연체가 손상되면 두 전원판 사이의 격리력이 소실될 수 있습니다. onsemi의 디지털 절연체 Digi-Max 제품군은 전기적으로 분리되어 더 안전한 광학 격리 수준의 안전성을 제공할 뿐만 아니라 현재 통신 부문에 필요한 빠른 속도로도 작동합니다. 그리고 Digi-Max 절연체가 손상되더라도 안전 절연 베리어는 그대로 유지되어 고장 모드와 작동 상태에서 더 안전합니다. Digi-Max 절연체는 최적화된 IC 설계가 결합되어 특허를 받은 전기적 오프칩 커패시터 격리 기술을 사용하기 때문에 격리 및 잡음 내성이 뛰어납니다.

Digi-Max의 장점

Digi-Max 장치의 NCID9XXX 제품군에는 세라믹 회로기판이 사용되어 절연 베리어 두께가 0.5mm 이상이고, 외부 연면 및 간극이 8mm이어서 광학 격리 기술에서 볼 수 있는 안전성-신뢰성 수준에 이릅니다. 공기의 항복 전압이 3,000 V/mm이기 때문에 접점 사이에 유전체 물질이 없더라도 Digi-Max의 0.5mm 격리 두께로 설계상 작동 전압 1,500 V가 보장됩니다. Digi-Max는 최대 사용 절연 전압이 2,000 Vpeak이기 때문에 다른 디지털 절연 베리어나 옵토커플러의 LED 열화와 비교했을 때 보호 수준이 더 오래 지속됩니다. 그리고 높은 안전성과 신뢰성 수준 외에도 NCID9xxx 다채널, 양방향 장치 제품군은 다음과 같은 유용한 기능이 있습니다.

• 출력 지원과 과열 감지
• 넓은 온도 범위(-40˚C~125˚C)
• 신호 변조에 사용하는 ON-OFF 키 지정 방식
• AEC-Q100 적격성 평가(출원 중)
• UL1577 규제 승인(분당 5,000 Vrms)
• 온도 범위, 시간 경과, 기기 간 일관된 성능
• 100 kV/µs에서 공통 모드 과도 내성(CMTI)
• 최대 50 Mbits/s의 고속 데이터 전송 속도

그림 2는 이러한 Digi-Max 절연체의 내부 레이아웃을 보여주는 단일 채널 버전의 블록 다이어그램입니다.

CMTI 정격을 간략히 살펴보겠습니다. CMTI는 격리 베리어가 견딜 수 있는 공통 모드 전압 전위 사이의 최대 변동 비율, 즉 절연으로 빠르고 강력한 과도 전류를 제거할 수 있는 능력으로 정의됩니다. 정전식 기술로 직류를 차단하더라도 공통 모드 잡음과 전송된 신호가 동일한 경로를 공유하기 때문에 정전식 격리에서 공통 모드 제거가 문제가 될 수 있습니다. 오프칩 패키지 기술로 구현되는 기법을 포함해 특허 받은 설계 기법을 사용하여 잡음 내성이 우수하기 때문에 200 kV/us의 CMTI 성능을 달성할 수 있습니다.

Digi-Max 장치 제품군은 대체로 비용 증가가 수반되지만 오프칩 정전식 격리로 얻는 신뢰성과 안전성은 이보다 훨씬 더 큰 가치를 낼 수 있습니다. 그림 3은 Digi-Max의 오프칩 정전식과 온칩 정전식의 차이를 자세히 보여줍니다.

일반적인 격리 응용 부문

온보드 또는 오프보드 주변장치용 격리가 필요한 용도로는 펄스 폭 변조 제어, 산업용 필드버스 통신, SPI 같은 마이크로프로세서 시스템과의 직렬 인터페이스, 데이터 수집, 전압 수준 변환이 있습니다. SPI 버스 마스터와 슬레이브 장치 사이에 격리를 주로 사용하는 시스템 구성 중 하나는 슬레이브 장치에 자체 로컬 회로가 있고 슬레이브 장치가 주변 장치로 외부에 위치합니다.

그림 4는 SPI 버스 인터페이스를 통해 도터 카드를 연결하는 일반적인 설계입니다. 도터 보드에서 생성되는 접지 잡음과 SPI 신호를 격리해야 하는 경우에 보드 두 개에서 서로 다른 전원 공급장치를 사용합니다.

고속 트리거링에 사용되는 민감한 디지털 신호가 담기는 오프보드 주변장치도 격리가 필요한 사례가 될 수 있습니다. 그림 5는 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이에 레이저와 카메라 같은 외부 부품과 유선으로 연결되는 고속 트리거 신호가 많은 영상 처리 응용 사례를 보여줍니다(레이저용 ON/OFF 조명 또는 카메라용 ON/OFF 노출). 이러한 장치는 잡음이나 과도 전류를 방지하기 위해 프로세싱 코어와 분리되어 있어야 하므로 트리거 신호가 각 끝단에서 격리되어야 하는 자체 전원이 있습니다.

결론

그 외에도 다양한 격리 용도가 있으며 각 방법마다 장단점이 있습니다. 일반적으로 광학 격리는 가장 저렴하지만 상대적으로 느리고, 온도와 시간 경과에 따른 성능 저하 문제가 있습니다. 온칩 정전식 격리는 속도가 더 빠르고 성능이 우수하면서 비용이 합리적이지만 Digi-Max의 오프칩 격리의 안전성과 신뢰성은 구현하지 못합니다.

격리는 확실한 보장 수단이면서, 대부분의 경우에서 안전성, 민감한 회로, 데이터를 지키는 최후의 방어선입니다. onsemi의 Digi-Max 장치 제품군은 이렇게 높은 신뢰성과 안전성 수준을 달성하서도 속도나 성능에 지장을 주지 않는 것으로 확인되었습니다. onsemi의 Digi-Max의 높은 신뢰성은 설계자들이 안전 절연 성능을 유지하면서 기존의 옵토커플러를 사용해 디지털 격리 기술로 전환하는 새로운 길을 열어줍니다.

(참고: SiLabs Si860x와 TI ISO72x 장치를 사용하여 CMTI를 비교했습니다)