정확한 전류 감지와 모니터링은 부하 전류 정보가 전원 모니터링, 모터 및 액추에이터 제어, 전류 제한, 오류 보호, 라인 보상 등의 다양한 기능을 위해 필요한 제어 루프에 요구된다. 여기서는 션트 저항을 사용하는 직접 전류 감지를 설명하고, 대안 솔루션과 설계 트레이드오프를 살펴본다. 그리고 위성 전원 애플리케이션에 초점을 맞춰 설명했지만, 대부분 다른 전류 감지 애플리케이션에도 일반적으로 적용할 수 있다.

우주 탐사선의 규모와 관계없이 설계자가 직면하는 전원 시스템 과제들은 유사하다. 그 목적은 전체 비용과 프로그램 리스크를 최소화하면서 임무의 요구사항을 달성할 수 있도록 성능을 극대화하는 동시에 무게와 신뢰성, 효율 간에 최적의 균형을 찾는 데 있다.
더 큰 용량, 더 많은 기능, 더 높은 분해능, 더 많은 계측에 대한 요구가 높아짐에 따라 전원 시스템 복잡성과 에너지 소모가 증가하는 경향이다. 이는 회로 수준에서 다음과 같은 특성으로 전환된다.
•‌갈수록 복잡해지는 FPGA 등의 전자부품을 지원하기 위한 전원 레일 수 증가, 엄격한 전원 허용오차 및 신중한 파워업 시퀀싱
•‌릴레이를 대체하고 리던던트 전원 버스와 관련된 관리 문제를 다루기 위해 보다 견고하고 완전한 전자장치 보호 시스템 사용
•‌높은 고전압 전원 시스템, 정교한 배터리 관리, 첨단 에너지 제어를 통한 효율 강조
이러한 특징을 갖춰 전원 시스템을 설계할 경우, 페이로드와 보조 회로 전체에 걸쳐 많은 전류 모니터링 회로가 필요해진다.
이상적인 솔루션은 효율, 정확도, 소형 풋프린트가 결합된 솔루션이다. 여기에 방사 유도 효과와 우주 인증을 획득한 방사선 내성 또는 적합 성능을 갖춘 COTS(Commercial Off The Shelf) 부품을 선택할 수 있는 폭이 제한되어 있어 과제는 더욱 더 어려워진다.

 ‌우주 탐사선의 전원 전류 제한

전원을 출력 단락 회로 오류 또는 안전한 동작 조건을 넘어선 과도 이상으로부터 보호하기 위해 리셋 가능한 전자 퓨즈 역할을 하는 래칭 전류 제한기(LCL)를 사용한다. 보다 정교한 폴드백 전류 제한기(FCL)는 회로의 상위 동작 전류 제한을 설정하여 안전한 전원 동작을 유지할 수 있다. 일반적인 정전류 보호 회로는 부하 저항이 감소함에 따라 출력 전압을 감소시킴으로써 공급되는 최대 전력을 제어한다.
이 방법의 단점은 출력 전압에 대한 입력 전압의 차가 더 크기 때문에 제어 소자에서 전력 소모가 증가한다는 것이다(PD＝[VIN－VOUT]×IOUT). 이를 해결하기 위해 더 정밀한 방법으로 출력 전압과 출력 전류를 감소시킨다. 이렇게 하면 심각한 오류 조건과 열 손상 발생 시 과도한 전력 소모를 방지할 수 있다. 일부 선형 전원 레귤레이터 IC는 이와 유사한 칩 레벨 전류 제한 기능을 갖고 있어 안전한 동작 범위를 벗어나지 않도록 디바이스의 열 폭주와 파괴를 방지한다.

 ‌전류 감지 트레이드오프

직접 전류 감지 측정은 감지 저항이 부하에 직렬로 놓이기 때문에 옴의 법칙에 따라 부하 전류에 비례하여 전압 강하를 발생시키므로 회로에 영향을 미친다. 감지 저항 선택은 저항에서의 전력 소모와 전류 측정 정확도 사이의 트레이드오프라고 할 수 있다.
감지 저항에서 과도한 전력 소모를 피하려면 감지 저항은 가능한 작으면서 최소 전류 신호를 처리할 수 있어야 한다. 최소로 정확하게 재생된 신호는 주로 측정 회로의 DC 입력 오프셋에 의해 제한된다(그림 1 참조).

그림 1. DC 입력 오프셋과 전류 감지 오류

측정 회로의 다른 중요한 파라미터는 입력 공통 모드 전압이다. 측정 회로는 모니터링되는 공통 모드 전원 버스 위의 감지 저항에 나타나는 작은 차동 전압을 모니터링해야 하므로, 이는 특히 전원 레일 모니터링과 관련된다. 이러한 방식을 하이 사이드 구성이라고 하며[그림 2(a) 참조], 가장 일반적인 구성이고 대다수 애플리케이션에 강점이 있다.

그림 2. 일반적인 하이사이드 및 로 사이드 전류 감지

또한 하이 사이드 전류 감지 회로는 모니터링되는 전원 레일로부터 회로에 전력을 직접 공급하거나 개별적으로 제어할 수 있는 독립된 전원에서 전력을 직접 공급할 수 있는 유연성을 갖추고 있다. 또 다른 장점으로는 감지 저항 어느 쪽에서든 회로 전원에 전력을 공급할 수 있어, 회로의 전류 소비를 모니터링되는 전류에 포함시키거나 제외시킬 수 있다.
하이 사이드 전류 감지와 반대로 로 사이드 전류 감지는 감지 저항을 부하의 접지 리턴 경로에 놓으므로[그림 2(b) 참조], 공통 모드 전압이 접지와 가까우며 출력을 접지 기준으로 할 수 있다.
로 사이드 감지의 단점은 단락 부하 오류를 검출할 수 없고, 부하가 감지 저항에 걸친 전압 강하에 의해 실제 접지로부터 리프트된다.

 ‌
다양한 IC 증폭기

우주 탐사선 애플리케이션에서 단순한 개별 트랜지스터 수준으로 구현하는 것은 선택사항이지만, IC 솔루션의 향상된 성능, 첨단 기능과 초소형 회로 풋프린트는 매력적인 대안을 제공한다. 여기에는 항상 고려해야 하는 방사 성능, 오류 모드, 전통적인 항공용 IC 설계와 관련하여 트레이드오프가 존재한다.
전류 감지는 다음과 같은 다양한 종류의 IC 증폭기를 사용하여 수행할 수 있다. 전류 감지 애플리케이션에서 범용 연산 증폭기는 제한된 공통 모드 전압 범위 때문에 로 사이드 전류 감지에 가장 적합하다. 이 증폭기의 넓은 개방 루프 이득은 피드백을 필요로 하므로[그림 3(a) 참조], 단일 종단 입력 신호로 적용이 제한된다. 그러나 최근에 나온 LT6016과 같이 높은 공통 모드 입력 전압을 가진 신제품은 하이 사이드 전류 감지에도 적합하다.

그림 3. 범용 OP 증폭기를 사용한 전통적인 로 사이드 전류 감지와 계측 증폭기를 사용한 전류 감지

그림 4. 1V/A 전달 함수를 제공하며 50의 이득을 갖는 일반적인 구성

차동 증폭기는 모터 제어와 같은 애플리케이션에서 양방향 전류 감지가 요구되는 곳에 사용된다. 이들 증폭기는 디바이스에 대한 전원 전압을 상당한 마진으로 초과할 수 있는 넓은 공통 모드 입력 범위를 갖는다. 차동 증폭기는 미리 정의된 고정 이득 비로 제한하는, 고정밀도로 트리밍된 저항을 포함한다.
계측 증폭기는 프리앰프 스테이지를 가진 차동 증폭기로 간주할 수 있으며[그림 3(b) 참조], 외부 저항으로 가변 이득을 설정할 수 있어 보다 유연하다. 프리앰프는 매우 높은 입력 임피던스를 갖고 있으므로 전원 버스에서 부하를 최소화한다. 따라서 차동 증폭기를 사용할 때보다 더 작은 시스템 전류를 측정할 수 있다. 단점은 공통 모드 전압이 통상 전원 전압으로 제한된다는 점이다.
제로 드리프트 또는 ‘초퍼 안정화’ 증폭기는 최저 입력 오프셋 전압을 제공한다. 예를 들어 LT2050은 3㎶로 지정되어 있으며 고정밀 전류 감지 기능을 제공한다. 그러나 동작이 6V로 제한되므로 로 사이드 전류 감지 애플리케이션에 가장 적합하다.
전류 감지 증폭기는 작업을 위해 설계된, 최적화된 기능 세트와 규격을 갖고 있다. 따라서 설계 시간을 단축시키고 다양한 전류 감지 애플리케이션에 유연한 솔루션을 제공한다. 이와 같은 전류 감지 증폭기 중 하나가 RH6105이다. 이 증폭기는 방사선 내성을 갖추고 있으며 LT6105의 MIL-PRF-38535 클래스 V 인증을 획득한 버전이다.

 ‌내방사선 전류 감지 증폭기

RH6105는 고유의 입력 토폴로지를 갖추고 있어 다음과 같이 다양한 전류 감지 애플리케이션에 사용할 수 있다.
•하이 사이드 또는 로 사이드 전류 감지
•쿼터, 하프 또는 풀 브리지 유도 부하 구동
•전원 레일 모니터링(포지티브 및 네거티브 전원)
•퓨즈 및 MOSFET 모니터링

낮은 입력 오프셋 전압의 중요성은 이미 살펴보았다. RH6105는 일반적으로 25℃ 방사선 전조사(Preirradiation)에서 ±100㎶를 가지므로 더 작은 감지 저항을 사용하면서도 우수한 측정 정확도를 유지한다.
RH6105는 그림 4에 나타난 바와 같이 전통적인 외부 이득 설정 저항을 포함하고 있으므로 전류 감지 회로를 다운스트림 ADC 입력 범위 또는 비교기의 특정 입력 임계치에 최적화할 수 있다.

그림 5. RH6105는 퓨즈 또는 스위치 전체에 걸쳐 모니터링 가능하다

RH6105의 다용성은 고유의 입력 기술에서 나온다. 입력 공통 모드 전압 범위는 V－에 대해 －0.3V∼＋44V이고, 디바이스 바이어스에 사용되는 V＋와는 독립적이다. 따라서 디바이스는, 가령 5V 전원 레일에서 전력을 공급받으며 28V 전원 버스를 모니터링할 수 있다. 그뿐 아니라 디바이스의 입력은 V＋ 전원을 의도적으로 파워 다운하는 경우에도 하이 임피던스를 유지하므로 시스템에 계속 유효 부하를 제공할 수 있기 때문에 리던던트 버스 또는 페일 세이프 애플리케이션에 이상적이다.
이 밖에 RH6105는 ±44V의 차동 입력 전압 범위를 가지므로 그림 5와 같이 개방 퓨즈 또는 스위치 전체에 걸쳐 나타나는 전압을 모니터링할 수 있다. 이와 마찬가지로, 개방 회로가 부하로 발전하는 경우에도 디바이스는 손상받지 않으며 전류는 수 mA로 제한된다.

우주 탐사선에서 정확한 전류 감지에 대한 요구가 증가하고 있다. 각각 장점과 단점을 가진 다양한 증폭기 IC를 이용하면 온보드 시스템의 복잡성과 넓은 설계 범위가 발생한다.
RH6105와 같은 전용 전류 감지 증폭기는 높은 신뢰성 및 안전성이 필요한 설계에 적합한 기능 세트를 통해 향상된 성능을 제공하며, 설계 과제를 간소화할 수 있다.

Steve Munns  / Linear Technology Corporation