열악한 환경을 위한 절연형 USB 2.0 및 전력 공급

최근 절연을 요구하는 USB 애플리케이션이 꾸준히 증가하고 있으며, 특히 안전과 신뢰성이라는 면에서
산업 및 의료 분야에서는 이러한 경향이 뚜렷하게 나타나고 있다. 여기서는 기존의 디스크리트 솔루션과
비교했을 때 소형 패키지에 데이터와 전력 절연 기능을 모두 담고 있어 차별화된 장점을 제공하는
리니어 테크놀로지의 LTM2884에 대해 살펴본다.

Chris Gobok  Linear Technology


표준 USB(Universal Serial Bus) 케이블을 사용하여 데스크톱 PC와 산업용 또는 의료용 장비를 연결하면 즉시 값비싼 교훈을 얻게 된다. 사용자 PC와 장치는 서로 다른 접지 전위를 갖는 다른 아웃렛에 쉽게 연결된다. USB 케이블은 연결된 후 두 장치 사이에 더 낮은 임피던스 접지를 제공할 수 있으며, 따라서 USB 전원 경로를 따라 모든 것이 상승하게 된다. 또한 PC를 USB 전원에 의존하는 휴대용 스캐너와 같은 장치로 교체할 경우 USB 포트가 충분한 전력을 공급하지 못할 것이다. 더 짜증나는 일은, 모든 장치들이 안전하게 연결되고 전력도 적절히 공급됐다고 생각했지만 전기적으로 잡음이 많은 환경에서 통신이 엉망으로 된다는 사실이다.
USB 표준은 1990년대 중반에 개발되었으며 잡음이 있는 환경에서 사용하도록 설계된 것이 아니었다. USB 표준은 짧은 거리의, 비교적 조용한 환경의 가정이나 사무실 같은 곳에서 PC에 저전력 주변장치를 연결하도록 만들어졌다. 속도가 빠르고 설치와 사용이 쉽다는 특성 때문에 널리 이용되고 있지만, USB에 의존해 다양한 종류의 커스텀 주변장치를 연결할 경우 특정 애플리케이션, 특히 의료 및 산업 장비에서는 절연이 필요하다는 사실이 명백해졌다. 시중에 절연형 USB 트랜시버가 나와 있지만, 이들 솔루션에는 절연 전력과 수동 디바이스가 빠져 있어 설계가 더 커지고 복잡해진다. 이보다 정교한 솔루션으로 전력회로가 내장된 리니어 테크놀로지(Linear Technology)의 LTM2884 절연형 USB 트랜시버가 있다. 이 제품은 모든 절연형 2.0 허브 또는 주변장치 설계를 크게 간소화하고 열악한 환경에도 즉시 적용할 수 있다.

 칩스케일 절연 및 전력

갈바닉 절연은 다양한 산업에서 사용되며, 주로 발생하는 치명적인 전압에 대해 안전을 제공한다. 또한 절연의 경우, 잡음은 물론 접지 루프나 각기 다른 동작 전압 간 레벨 시프터에 의해 발생하는 공통 모드 전압 차의 영향을 제거하는 데 사용된다. 일반적으로 절연 시스템 제작에는, 절연 부품 외에도 절연 장벽 양쪽에 많은 수동 및 능동 부품이 필요하다. 절연 부품은 사용하기 어려운 것으로 악명이 높으며, 절연 시스템에 많은 설계 시간과 비용을 들여야 한다. 리니어 테크놀로지는 이러한 점을 염두에 두고 절연 시스템 설계를 간소화해 복잡한 절연 부품 없이 간단히 모듈만 꽂으면 되는 μModule® 아이솔레이터 제품군을 개발했다.
μModule 아이솔레이터는 실제로 외부 부품이 전혀 필요 없다. 그림 1의 LTM2884 USB μModule은 2500VRMS의 갈바닉 절연을 제공하고 USB 2.0 트랜시버, 옵토커플러가 없는 플라이백 컨버터, 매우 낮은 무부하 전류 LDO 및 모든 필요한 수동 부품을 15mm×15mm×5mm의 표면 실장 BGA 패키지에 통합했다.
제품군 내 다른 μModule 아이솔레이터와 같이, LTM2884는 유도적으로 결합된 코일 또는 코어리스(Coreless) 트랜스포머를 사용하여 데이터가 2500VRMS 절연 장벽을 통과하게 하는 동시에, 전용 IC는 양쪽 USB 채널과 양쪽 데이터 방향에서 모두 데이터 전송과 수신 기능을 수행한다.
장벽의 어느 쪽에서든 USB 신호는 펄스로 인코딩되고 변환되어 차동 신호 전송을 사용, 절연장벽을 거쳐 μModule 기판에 형성된 코어리스 트랜스포머를 통과한다. 이 시스템은 데이터 리프레시, 오류 검사, 오류 시 안전한 셧다운 및 매우 높은 공통 모드 내성을 갖추고 있어 양방향 신호 절연을 위한 견고한 솔루션을 제공한다.
LTM2884의 절연형 전력은 보다 전통적인 방법에 의해 생성된다. 전력은 1차 측 전압을 감지하여 2차 측 레귤레이션이 가능한 임계 모드 플라이백 컨버터로 구성된다. 이러한 전력 토폴로지는 간단하고 유연한 오류 내성과 상당한 수준의 변환 효율(∼65%)을 제공한다.
또한 LTM2884는 온 보드 USB 트랜시버와 DC/DC 컨버터에 전력을 공급하는 2개의 개별 입력을 갖추고 있다. USB 트랜시버는 4.4V∼16.5V 버스 또는 외부 전원에서 전력을 공급받을 수 있다. DC/DC 컨버터 또한 같은 소스에서 전원을 공급받을 수 있으므로 5V 버스에 연결할 경우 절연형 주변장치는 최대 1W(200mA@5V)의 절연 전력을 이용할 수 있으며, 8.6V 이상의 외부 전원에 연결한다면 주변장치에 2.5W (500mA@5V)를 공급할 수 있다.

 견고하고 간소화된 설계

LTM2884는 USB 풀스피드(12Mbps), 저속(1.5Mbps) 동작과 모두 호환된다. 그림 2에 나타난 바와 같이, LTM2884는 다운스트림 포트에 있는 USB 장치의 속도를 탐지한 후, 거기에 맞춰 업스트림 포트에 있는 자체의 내부 풀업 저항을 설정해 속도를 일치시킨다.
내장된 풀다운 저항은 다운스트림 버스 구성도 지원한다. LTM2884는 다운스트림 아이들 상태를 모니터링하며 일정한 속도로 절연 장벽 상태를 리프레시함으로써 USB 버스의 아이들 상태를 유지한다. 업스트림 포트가 3ms 이상 아이들 상태라면 LTM2884는 서스펜드 모드로 들어가 자체 전력 소모를 500㎂ 미만으로 낮춘다. 이러한 자동 속도 선택 기능으로 인해 점퍼 설정이나 소프트웨어를 구성할 필요가 없으므로 진정한 플러그 앤 플레이 설계를 구현할 수 있다.
절연이 접지 전위로부터 안전하게 지켜주지만 잡음이 있는 환경에 흔히 존재하는 잡음과 과도 전압, 서지를 억제하려면 다른 보호 방법도 필요하다. 갈바닉 절연이 가진 중요한 장점 중 하나는, 절연 장벽이 큰 전압 전위를 막아줄 수 있어 부피가 큰 과도 전압 억제 소자(MOV, TVS 등)와 같은 다른 보호 소자가 필요 없다는 점이다.
이 제품은 최대 1분 동안 2500VRMS(3500VPEAK)를 쉽게 견딜 수 있을 뿐 아니라, 로컬 전원에 연결되는 USB 핀에 있는 ±15kV HBM(Human Body Model) ESD와 절연 장벽을 통과해 전원으로 흐르는 ±15kV HBM을 견딜 수 있다. 높은 ESD 정격은 고성능의 절연 장벽에 의한 것으로, 이 절연 장벽은 30kV/㎲(50kV/㎲ 일반)의 최소 공통 모드 과도 전압 레이트를 지원하며, LTM2884가 USB 데이터를 전송하면서 오류 없이 과도 전압 이벤트를 견디며 동작할 수 있게 한다.
LTM2884는 RF 및 자기장에 대해 강력한 내성을 갖고 있으며 높은 수준의 EMI(Electromagnetic Interference)를 발생시키지 않는다. LTM2884에 사용된 µModule 아이솔레이터 기술은 독립적으로 평가되며, EN 61000-4-3 테스트 표준에 따른 유럽 표준 EN 55024에 의거한 RF 및 자기장 내성 테스트 요구사항을 통과했다. 이 밖에 LTM2884에 적용된 설계 및 레이아웃 기법은 EMI를 최소화해 ISPR 22의 클래스 B 제한 미만까지 낮추므로 복잡한 EMI 차폐와 완화 기법이 필요 없다.

 
절연형 USB 애플리케이션

USB 포트 절연과 관련해서 구성해야 할 회로는 별로 많지 않다. LTM2884와 같은 절연 부품은 USB 케이블(리피터)과 함께 주변장치의 입력에 놓거나 허브/호스트의 출력에 놓을 수 있다. LTM2884는 최종 애플리케이션이나 분야와 관계 없이 실질적으로 모든 USB 장치를 연결하는 데 적합하다.
μModule의 225mm2 풋프린트는 최소의 보드 공간을 요구하며, 거의 모든 전기적 규격은 －40℃∼105℃ 동작 온도 범위에서 테스트되고 동작을 보증한다. 또한 UL 1577 부품 레벨 인증이 진행 중이며, LTM2884는 2500kVRMS 이상의 A.C. 테스트 전압에 대해 2종류의 MOOP(Means of Operator Protection) 또는 2종류의 MOPP(Means of Patient Protection) 테스트 요구를 제외한 의료 안전 표준 IEC 60601-1의 모든 요구사항을 만족시킨다. 그 외에 LTM2884의 9mm 이상 핀 공간(연면거리와 공간거리)뿐 아니라 데이터에 대한 100㎛ 절연체 두께(DTI), 전력에 대한 114㎛는 일부 안전과 관련된 파라미터를 제공하므로, USB 시스템이 다양한 장비 레벨 표준을 통과하는 데 도움을 준다.


그림 3은 리니어 테크놀로지의 LTP2884 USB 인라인 아이솔레이터 중심에 있는 LTM2884이다. 이 디바이스는 완벽한 독립형 디바이스로, 작업 환경에 USB 절연을 빠르게 배치할 수 있는 기준 설계로 사용되며 구매할 수 있다. LTP2884는 작고 견고한 케이스에서 LTM2884의 모든 장점을 제공하며 ±20kV ESD 보호, LED 상태 및 경고 표시등, 높은 유지력의 USB 커넥터를 갖추고 있다. 물론 별도의 드라이버나 소프트웨어는 필요 없으며 연결만 하면 작동된다.
이 밖에 LTM2884는 리니어 테크놀로지의 DC2026 린두이노 원(Linduino One) 절연형 아두이노 호환 데모 보드에도 탑재되었다. 인기 있는 아두이노 우노(Arduino Uno) 오픈소스 전자시스템 프로토타이핑 플랫폼과 호환되는 린두이노는 부트로더와 함께 아트멜(Atmel) 마이크로컨트롤러로 구성된 아두이노 하드웨어를 사용하므로, 빠른 인서킷 펌웨어 업데이트가 가능하다. 소프트웨어는 AVRGCC 컴파일러를 기반으로 하는 간단한 C 프로그래밍 환경이다.
리니어 테크놀로지는 린두이노를 사용, I2C 또는 SPI와 같은 디지털 인터페이스가 있는 IC를 위한 라이브러리를 시연 및 배포하고 있다. LTM2884는 PC에 대한 접지 연결을 해제함으로써 린두이노에 연결된 프로젝트가 이를 제어하는 컴퓨터가 아닌 서로 다른 접지 전위에서 동작할 수 있게 한다.

리니어 테크놀로지의 LTM2884는 기존의 디스크리트 솔루션과 비교했을 때 소형 패키지에 데이터와 전력 절연 기능을 모두 담고 있다. 또한 2500VRMS 갈바닉 절연, 자동 속도 선택, 뛰어난 공통 모드 제거, 높은 ESD, 낮은 EMI는 모두 견고한 설계를 구현할 수 있게 한다. 그뿐 아니라 전력 디커플링 커패시터를 비롯한 외부 부품이 전혀 필요하지 않으므로 LTP2884 또는 DC2026과 같은 많은 공간 제약적인 USB 애플리케이션에 사용하는 데 적합하다. LTM2884와 같은 통합 디바이스가 출시됨에 따라 매우 열악한 환경에서도 USB를 광범위하게 사용할 수 있는 길이 열렸다.