전기 안전 101: 디자인에 안전 회로를 담아야 하는 경우와 그 방법

일반적인으로 EMI 저감용 페라이트, ESD 다이오드, 과도 현상 억제기, 고전력 부하용 인터로킹 절차, 고장 상태에서 전류를 제한하는 퓨즈등이 보호 방법에 해당합니다. 다른 보호 장치도 필요하겠지만 안전성은 이런 종류의 보호의 중요성을 크게 높일 수 있습니다. 이 글에서는 전자 설계 시 다양한 보호 및 안전성 관행과 이것이 필요한 이유에 대해 자세히 살펴봅니다. 결국 보호 장치는 제품의 전반적인 신뢰성과 안전성 개선에 도움이 될 뿐만 아니라 실제로 용도에 따른 제품 인증 및 유통에도 필요할 수 있는 것입니다.

적절한 균형점 찾기

먼저 매우 기본적인 질문으로 시작해보겠습니다. 보호 회로와 비용 효과의 균형점은 어떻게 찾을까요? 특정 종류의 안전성이 필요 없는 제품은 설계자가 보호 층을 언제 추가해야 하는지 어떻게 알까요? 그 답은 복잡할 수 있지만 일반적으로 제품 사용자/디자인 요구사항과 설계자 및 관련 팀의 판단으로 결정해야 합니다.

일반적으로 회로에 보호 기능을 넣을 때 비용 대 편익에서 균형점을 찾게 되며 대부분 상대적 위험도를 추산하여 관리할 수 있습니다. 퓨즈는 비용이 많이 들 수 있지만 일반적으로 환경적 변수나 부하 기반 구성품에서 비롯될 수 있는 전류 서지를 제일 먼저 막아줍니다. 그 이익은 퓨즈 하류에 있는 모든 것(매우 중요할 수 있음)을 보호할 수 있다는 것입니다. 그러나 보다 작은 형태의 보호 장치는 어떤가요? 페라이트는 어떤가요? 오프보드에서 이동하는 민감한 신호에 작은 페라이트를 통합하여 EMI와 고주파 노이즈를 완화하거나 레귤레이터 또는 처리용 구성품에 입력을 사용해 전압 레일을 정리하는 것이 보편적입니다. 이러한 “보험” 정책은 위험도가 상당히 높을 경우에 그만한 대가를 치를 가치가 있을 수 있습니다. 그리고 그 위험도는 고장의 심각도와 예상되는 고장 발생률을 합한 수치로 간주할 수 있습니다.

안전성은 언제 어떻게 처리하는가?

안전성을 생각하면 모든 것이 더욱 명확해집니다. 일반적으로 비용이 우선적으로 감소하고 신뢰성과 이중화가 1차 목표가 됩니다(그리고 인증 및 제품 테스트 과정에서도 필요할 것입니다). 특정 고장 모드에서 사람에게 (직간접적으로) 피해를 입일 수 있는 제품이라면 가능한 많은 시나리오를 고려해 위험 평가를 실시해야 합니다.

예를 들어, 의료 부문에서는 의료기기에 이것이 필요하며, 각 위험 요소, 그 사례/상황에 대한 설명, 그것으로 입을 수 있는 피해, 그 확률/심각도를 기재한 표(그림 1에 표시된 것과 같은)를 포함해 좀 더 복잡할 것입니다. 이후 지정된 사람(집단)이 각 위험 요소를 평가하고 각 위험 요소(수용 불가로 판단되는)를 처리하는 추가 디자인 요구사항을 도입하여 제어하고, 다시 평가하여 수용하는 과정을 거칩니다. 다른 응용 부문(예: 항공우주)는 대화가 다소 어려울 수 있지만 근본 원칙은 대부분의 산업 부문에서 동일합니다. 각 위험을 심각도와 확률로 평가한 후 실행 계획을 세워 제어할 때 전자(또는 모든 종류의) 디자인에서 안전성과 보호가 필요한 영역을 찾을 수 있는 것입니다.

그림 1: 의료기기의 위험 관리를 위한 위험 요소 추적 매트릭스

그렇다면 이러한 확률과 심각도는 어떻게 정량화하고 평가하는가? 일반적으로 용도별 각 수치 값의 차이를 설명하는 매우 상세한 표를 통해 할 수 있습니다. 그림 2는 팀에서 위험 요소나 사례를 평가할 때 지침이 될 주기와 심각도 정의의 예를 보여줍니다. 순위 범위/값은 응용 부문과 필요한 해법에 따라 다를 것입니다.

그림 2: 심각도 순위 정의(맨 위)와 확률 순위 정의(맨 아래) 표

마지막으로 이 둘을 결합해 색상별로 구분하여(그림 3과 같이) 디자인 사양과 변경을 통해 잠재적 위험 요소를 해결해야 할지를 쉽게 알 수 있는 표가 있습니다. 일반적으로 중(노란색)과 고(빨간색)은 일정 형태의 조치가 필요합니다. 따라서 안전성 회로 요구사항이 생깁니다.

그림 3: 위험도 매트릭스 계산 표

지금까지 설명한 모든 것은 필수 작동 기능이 장착된 제품이나 시스템이 있을 수 있는 업종에서 보편적인 것이지만 모든 응용 부문에서 필요한 것은 아닙니다. 대부분 사용 사례와 손상 또는 피해 가능성에 따라 잘 판단하는 것만큼 간단합니다.

대부분의 전기 제품은 일종의 적합성 인증을 받은 후에 기술을 생산하고, 유통하고, 판매할 수 있습니다. 그리고 그 인증 절차에는 전기 적합성뿐만 아니라 안전성 적합성도 포함됩니다. 제품이 안전성 적합성을 통과하기 위해 필요한 것이 무엇인지가 명확하지 않는 경우가 있습니다. 규제 기관에서 이 과정에서 필요한 지원을 제공하므로, 설계 단계에서 지원을 받는 것이 최선입니다.

실제 사례

다음은 레이저 빛을 이용해 영상을 촬영하는 용도에 관한 사례입니다. 레이저 빛은 사람의 눈에 매우 해로울 수 있으며, 미광(다른 표면에서 반사되는 빛)도 손상을 야기하거나 시력 상실을 야기할 수 있습니다. 특수 보안경을 착용하면 도움이 될 수 있지만 일반적으로는 오용이나 우발적 미광을 차단하는 전자 장치를 기기에 추가해야 합니다. 회로가 레이저 출력과 직접 연결된 인터로킹 도어와 탈착식 패널(또는 그 출력을 관리하는 인터록/릴레이)이 가장 좋지만 이러한 장치는 이중화 처리를 해야 합니다. 이것을 공식 용어로 "고장 방지(Fail safe)"라고 합니다. 안전 회로에 문제가 생긴다면(즉, 내부 스위치 중 하나에) 사용자나 장비에 피해가 가지 않도록 안전한 상태에서 생겨야 하기 때문에 백업 이중화 회로가 있어야 하는 것입니다.

그림 4는 여러 기기의 도어/커버를 거치는 신호(릴레이의 코일용 전력이 충분히 있는) 신호와 레이저 출력을 수동으로 작동하거나 해제하는 단계가 더 있는 잠금장치가 있는 인터록 그림입니다. 이 회로는 이중화해야 하기 때문에 각 접속 지점에 필요한 이중 마그네틱 리드 스위치와 서로 다른 구성품에 필요한 이중 스위치가 있습니다. 구성품 안쪽의 내부 스위치 중 하나가 "폐쇄 상태"에서 문제가 생기더라도 다른 내부 스위치(첫 번째 스위치와 같이 연결된)가 열려 레이저 모듈의 전원을 차단하기 때문에 안전하다고 볼 수 있습니다.

그림 4: 레이저 빛용 안전 회로를 묘사하는 배선도의 예

또 다른 예는 사람의 피부에 사용되는 가열식 의료기기로 구성됩니다. 이 용도에는 히터에서 열폭주가 일어나거나 오보정에 의한 고장이 발생할 경우 피부에 화상을 입을 수 있습니다. 생명에 위협이 되지 않지만 발생 가능한 결과를 고장 방지(Fail-safe)/이중화 기능으로 방지할 수 있습니다.

그림 5는 이 예를 보여줍니다. 이렇게 단순한 제어 회로에도 잠재적 고장점이 몇 개 있습니다. 시스템에 온도 감지용 2차 서미스터(하나가 손상될 경우를 대비한)가 있을 뿐만 아니라 MOSFET이 닫히지 않거나 프로세서 내부 ADC가 손상되거나 잘못 보정될 경우를 대비해 여러 제어점이 필요합니다. 이 구성에서는 온도를 모니터링하고 히터 전력을 제어하기 위한 아주 단순한 소형 2차 프로세서가 주 프로세서와 별도로 작동합니다.

그림 5: 발열체가 이중화된 모습을 보여주는 회로도의 예

그림 6 은 기기의 안전성과 신뢰성을 높여줄 수 있는 다양한 보호 회로를 보여줍니다. “A”는 퓨즈가 있는 전력 레일을 따라 고장이 있을 때 이를 알려주고 EMI 억제용 페라이트가 추가된 팬 제어 회로입니다. “B”에는 프로세서가 동작/전력을 확인할 수 있는 전류 모니터링 기기와 함께 서보 모터용 퓨즈 달린 전력 레일이 포함되어 있습니다. “C”는 충전용으로 사용되는 USB 커넥터와 VBUS 레일(ESD와 퓨즈)용 추가 보호 기능이 있는 예를 보여줍니다. “D”는 3.7V 배터리 커넥터에 사용하는 단순한 역극 전압 보호 회로입니다.

그림 6: 다양한 보호 회로

결론

보호 및 안전 회로는 항상 고려해야 하지만 실제로 용도에 따라 반드시 필요할 수 있습니다. 보다 심한 경우에는 적정 수준의 잠재 위험 요소를 야기하고 수치 등급을 할당하는 것으로 절반은 해결됩니다. 나머지 절반은 기존의 좋은 설계 기술 및 "모범 사례"와 함께 상세한 요구사항을 갖춘 실행 계획으로 해결합니다. 그리고 모든 경우와 용도에서 회로 고장 시 야기될 수 있는 위험이나 피해를 고려해야 합니다.