산업용 안전 시스템에 이상적인 보호, 진단 기능 내장 

산업 자동화 환경에서 기능 안전성(Functional Safety)은 자동화 장비의 전기 제어 시스템과 모든 외부적 시스템을 정상적으로 작동시켜 위험 수준을 낮추는 데 달려 있다. IEC 62061 ‘기계 장비의 안전성: 전기, 전자, 프로그래머블 전자 제어 시스템의 기능 안전성’ 규격은 산업용 기계 장비의 안전 규칙을 정의하고 있는 국제 규격으로, 모든 유형의 기계 안전과 관련된 전기 제어 시스템의 시스템 차원 설계와 하위 시스템, 장비 설계 관련 필요 조건을 제공한다. 예를 들어 석유 및 가스 산업, 원자력 발전소, 기계 분야에서는 위험성 높은 장비의 안전성을 달성하는 데 있어 기능 안전성이 필수적이다.

IEC 62061에서는 SIL(Safety Integrity Level) 개념을 정의하고 있다. SIL은 기계 장비의 안전성 제어 시스템에 대해 적용되는 것으로, 설정된 모든 시간 간격과 주어진 조건에서 수행해야 할 안전 기능들을 정의하고 있다. 따라서 SIL 개념은 전체 시스템이나 하부 시스템을 의미하지만, 도달해야 하는 SIL 수준에 맞게 시스템을 올바르게 설계하려면 적절한 전자 부품들을 사용해 전체 시스템이 장비의 기능 안전성을 달성하도록 해야 한다.

IPS160H 단일 스위치 하이사이드(High Side) 드라이버는 외부 소자를 사용해 프로그램 가능한 보호 및 진단 기능들을 통합함으로써 기능 안전성을 구현해야 하는 기계 장비에 적합하다.

▲ 그림 1. PowerSSO-12 패키지

IPS160H는 어떤 디바이스인가

IPS160H는 모놀리식(Monolithic) 디바이스로서 한 쪽이 접지로 연결된 용량성, 저항성, 유도성 부하를 구동할 수 있다(하이사이드 스위치). 전류 제한 보호 기능은 내부적으로 최소 2.5A로 설정되어 있다.

동작 전압은 8V∼60V가 권장되지만, 전원 핀의 항복 전압은 65V까지 이를 수 있다. 출력 스테이지는 주변 온도로 정격 Rds(on)이 60mΩ인 N-채널 PowerMOSFET이다.

또한 열 셧다운 기능과 비소모성 단락 회로 보호(컷오프) 기능을 통합해 칩을 과열 및 단락 회로로부터 보호하고, 출력이 단락될 때 전력 소모를 최소화한다. 또한 외부 커패시터를 사용해 컷오프 지연 시간을 프로그래밍할 수 있다. 접지 차단 및 Vcc 차단 기능과 저전압 록아웃(UVLO) 기능은 칩에 통합되어 있다.

그리고 개방 드레인 트랜지스터를 통해 진단 기능도 제공하는데, 접합부 열 셧다운, 컷오프, 오프 상태의 개방 부하(와이어 끊김) 시에는 이 개방 드레인 트랜지스터가 턴온된다. 빠른 자기소거 회로가 내부적으로 통합되어 매우 큰 인덕티브 부하를 구동할 수 있다.

▲ 그림 2. IPS160H 블록 다이어그램

이 디바이스를 기반으로 한 STEVAL-IFP028V1 데모 보드는 IEC 61000-4-2(정전기 방전 테스트), IEC 61000-4-4(버스트 테스트), IEC 61000-4-5(서지 테스트)를 충족한다. 앞서 언급했듯이, IPS160H는 개방 부하 검출 기능을 제공하므로, 부하가 출력 핀으로부터 차단되었을 때 이를 검출한다. 이 기능은 출력과 Vcc 핀 사이의 저항(RPU)에 의해 작동된다(그림 3). 와이어 끊김이 발생되고 오프 상태(입력 낮음)이면 출력 전압 VOUT이 외부 풀업 저항(RPU)과 이 IC의 내부 저항(RI = 115kΩ) 사이의 파티셔닝에 따라 상승한다.

▲ 그림 3. 오프 상태에서의 IPS160H 개방 부하

인덕티브 부하 구동 중 개방 부하 이벤트 발생으로 잘못 감지하는 것을 방지하기 위해 특정 시간 동안 개방 부하 신호를 마스킹한다. 그래서 개방 부하를 고정된 시간 동안 지연시키면서 DIAG 핀으로 보고하고, 이 고정된 시간이 경과한 후 개방 부하 이벤트가 트리거된다.

데모 보드를 사용해 IPS160H 평가

STEVAL-IFP028V1(그림 4) 데모 보드를 사용해 IPS160H의 동작을 분석할 수 있다. 이 전용 평가 보드는 고객들에게 손쉬운 애플리케이션 툴을 제공해 디바이스의 기본적인 동작을 테스트할 수 있도록 ST마이크로일렉트로닉스가 개발한 것이다.

▲ 그림 4. IPS160H용 STEVAL-IFP028V1 데모 애플리케이션 보드

STEVAL-IFP028V1은 전용 소프트웨어 GUI(Graphic Unit Interface)와 STEVAL-PCC009V2를 함께 사용할 수 있으므로 포괄적인 시스템을 제공한다. IPS160H를 사용해 디지털 출력 드라이버를 구현할 때의 진정한 이점은 첨단 보호 기능을 통합할 수 있다는 것이다. 다음에는 이 디바이스에 통합된 몇 가지 핵심적인 보호 기능을 자세히 살펴본다.

■ 과열 보호

과부하나 단락 회로 조건에 의해 내부 접합부 온도가 셧다운 임계값(정격 170℃)을 초과하면 출력 스테이지가 턴오프된다. 접합부 온도가 리셋 임계값(정격 155℃) 아래로 떨어지면 정상 동작이 재개된다. 과부하나 단락 회로 조건이 즉시 제거되지 않으면 열 사이클링 동작이 작동되면서 디바이스를 계속 온-오프로 스위칭해 일정하고 안전한 접합부 온도를 유지한다(그림 5).

▲ 그림 5. 과열 보호, Vcc＝60V(파란색＝Vdiag, 녹색＝Vout, 빨간색＝Iout)

■ 컷오프 보호

출력이 단락되었을 때 전력 소모를 최소화하기 위해서는 비소모성 단락 회로 보호(컷오프) 기능이 작동된다. 이 기능은 출력 평균 전류 값을 제한하고, 이에 따라 디바이스 과열을 방지한다. 전력 스테이지의 출력 전류는 고정적인 ILIM 임계값으로, 내부적으로 제한된다. 전류 제한 지속 시간은 CoD와 GND 핀 사이에 연결되는 커패시터를 사용해 설정할 수 있다. ILIM 임계값이 트리거되면 출력 스테이지가 정해진 시간 동안 전류 제한 상태(IOUT＝ILIM)로 머문다. 커패시터를 사용해 설정된 시간이 경과하면 출력 스테이지가 턴오프되고 32×온(ON) 지속 시간 후 재시작한다.

그림 6은 47nF 커패시터를 사용할 때의 컷오프 파형을 보여준다. 이 그림의 아래쪽 부분은 2개 라인을 좀 더 확대해서 나타내고 있다.

▲ 그림 6. 47nF 커패시터 사용 시 컷오프 파형(노란색＝Vout, 빨간색＝Iout, 녹색＝Vdiag)

■ 큰 인덕터를 구동할 때의 빠른 자기소거

대형 인덕터의 반복된 자기소거(Demagnetization) 시 두 가지 위험성을 고려해야 한다. 첫째, 방전되는 인덕터 에너지가 높기 때문에 디바이스가 손상되거나 파괴될 수 있다. 둘째, 전력 스테이지의 접합부 온도가 너무 높아져 디바이스 자체의 과열 셧다운이 발생할 수 있다. 동작이 제대로 되고 있는지 검증하기 위해, STEVAL-IFP028V1을 통해 외부 디바이스에 프리휠링 다이오드를 연결하지 않은 상태로 2.35H의 대형 인덕터를 구동했다.

▲ 그림 7. 2.35H 인덕터 자기소거, Iout＝1A, Tamb＝125℃(노란색＝Vinput, 빨간색＝Iout, 녹색＝Vout)

동작 테스트 조건은 Vcc＝24V, Tamb＝125℃, 출력 전류＝1A였다. 여기서 IPS160H는 인덕티브 부하에 저장된 전체 에너지를 단 40ms에 방전하고 있으며, 접합부 온도 상승은 놀라울 정도로 미미했다. 사실상 인덕터에 저장된 높은 인덕티브 에너지와 고온 환경에도 불구하고, 통합된 열 보호 기능은 어떤 영향도 받지 않았다.

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우리는 4차 산업 혁명 시대로 진입하고 있다. 효율적이며 유연한 제조, 최고 품질, 안전성 향상, 제조의 디지털화 등이 제조 산업의 미래를 견인하고 있다.

최대 65V에 이르는 전원 전압으로 동작할 수 있는 IPS160H 지능형 전력 스위치(IPS)는 SIL(Safety Integrity Level) 시스템의 엄격한 요건들을 준수하도록 특별히 설계되었다. 

이 모놀리식 디바이스는 공장 자동화나 공정 제어 애플리케이션에 사용되는 밸브, 릴레이, 램프와 같이 한쪽이 접지로 연결된 복합적(저항성, 용량성, 유도성) 부하를 안전하게 구동할 수 있게 한다. 

쥬세페 디 스테파노(Giuseppe Di Stefano), 

미켈란젤로 마르케스(Michelangelo Marchese)

ST마이크로일렉트로닉스