ST마이크로일렉트로닉스의 ‘L6362A’는 인더스트리 4.0에 사용하도록 개발된 모노리딕 트랜시버로서 IO-Link 프로토콜을 충족시킬 뿐만 아니라 동시에 범용 트랜시버로도 사용할 수 있다. 이 글에서는 ‘L6362A’의 특징, 장점, 애플리케이션 동작에 대해 살펴보고자 한다. 

1. 머리말

오늘날 전세계적으로 새로운 산업 혁명이 일어나고 있다. 지능적인 정보 통신 기술과 IoT(사물 인터넷)의 사용으로 제조업의 의미가 바뀌고 있다. 이를 독일 정부는 인더스트리(Industry) 4.0이라고 부른다.

인더스트리 4.0의 기본 원리는 기계, 작업 단위, 시스템을 연결하여 가치 사슬(value chain) 전반에 걸쳐 지능적인 네트워크를 구축함으로써 이 요소들이 서로 자율적으로 제어할 수 있도록 하는 것이다. 인더스트리 4.0은 정보 통신 기술에 센서 및 로봇을 결합해 IoT를 구성하고, 이는 산업을 보다 더 지능적으로 만든다.

센서 분야에서 IO-Link는 센서 및 엑추에이터와 통신하기 위한 최초의 표준화된 IO 기술로 자리잡고 있으며(IEC 61131-9), 이 표준은 인더스트리 4.0 인터페이스로 채택될 가능성이 높아 보인다.

이 강력한 점대점(point-to-point) 통신은 오랜 기간 확립된 3와이어 센서 및 엑추에이터 연결을 기반으로 하며 케이블 소재와 관련된 추가 요건이 필요하지 않다. 따라서 IO-Link는 필드버스가 아니라 센서와 엑추에이터에 사용되는 기존의 검증된 연결 기술을 추가적으로 발전시킨 것이라고 할 수 있다. 

ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)의 ‘L6362A’는 인더스트리 4.0에 사용하도록 개발된 모노리딕 트랜시버로서 IO-Link 프로토콜을 충족시킬 뿐만 아니라 동시에 범용 트랜시버로도 사용할 수 있다.

‘L6362A’는 3와이어 디지털 센서를 구동하는 효율적이고 컴팩트하면서 경제성이 뛰어난 솔루션이다(그림 1). 이 디바이스는 원격 서비스, 표준화, 기능 검증, 진단, 모니터링을 비롯해서 첨단 센서 및 엑추에이터에 대한 요건을 모두 충족시킨다.

▲ 그림 1. 소형 DFN 3x3 12L 패키지로 제공되는 ‘L6362A’

2. ‘L6362A’의 특징과 장점

제품 특징

(그림 2)는 ‘L6362A’ 디바이스의 블록 다이어그램을 보여준다. 온칩으로 3.3V/5V 리니어 레귤레이터를 통합했으며, SEL 핀을 통해서 출력 전압을 선택할 수 있다. 최대 출력 전류는 12mA이다. 이 전압 레귤레이터가 내부 로직에도 전원을 공급하며, 이 로직은 투명한 인터페이스를 통해서 매우 작은 Rds(on) 출력 스테이지(1Ω정격)를 구동한다. 

IN1 및 IN2 핀 전압 레벨을 사용해서 출력 스테이지를 구성할 수 있으며(하이사이드, 로우사이드), OUTH와 OUTL을 외부적으로 연결하면 푸쉬풀(Push-pull) 구성을 구현할 수 있다. EN 핀이 로우 로직 레벨이면 출력 스테이지를 정지시킨다. 하이사이드 구성일 경우 인덕티브 부하의 고속 탈자화(demagnetization)를 구현한다. 푸쉬풀 구성이면 로우사이드가 온(ON) 이므로 저속 탈자화를 구현한다. 출력 스테이지의 높은 속도는 COM3(230.4kbps)에 이르는 통신을 가능하게 한다.

▲ 그림 2. L6362A의 블록 다이어그램

이 디바이스는 EN60947-5-2 및 IEC61000-4-5에 따라 자체 보호를 위해 컷오프를 사용한 전류 제한(비소모성 단락 회로 보호), 과열 셧다운, 동적 전압 클램핑, 우측 핀들에 대한 역 극성 보호, 저전압 록아웃, 서지 보호 등의 기능을 포함한다(그림 3)(그림 4). 비소모성 단락 회로 보호는 혁신적이며 독창적인 특허기술 회로로서, 출력이 접지로 단락됐을 때 전력 소모를 최소화하기 위한 것이다. 이 기능을 사용하면 열 보호 개입을 대부분 방지할 수 있다.

▲ 그림 3. 컷오프 동작

▲ 그림 4. 컷오프 사이클링 후 열 셧다운 작동

또한 EN(열 셧다운) 핀과 OL(전류 제한) 핀을 통해서 진단이 가능하다. OL 핀도 호스트 마이크로컨트롤러를 통해 사용하면 IO-Link 기동 요청 이벤트를 검출할 수 있다.

장점

‘L6362A’는 주요 경쟁사 디바이스에 비해 10배 더 낮은 Rds(on)로 총 전력 손실을 낮춰 극히 낮은 전력 소모를 달성하고, 열로 인한 문제없이 고온 IP 소켓에 사용할 수 있다.

이 디바이스의 투명한 인터페이스는 간단하고 저렴한 솔루션에 적합하다. COM3에 이르는 넓은 동작 범위로 고주파 동작이 가능하다.

‘L6362A’의 뛰어난 범용성도 주요한 장점이며, IO-Link 애플리케이션에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 범용 트랜시버나 간단한 라인 드라이버로도 사용할 수 있어 어떤 소켓에나 사용할 수 있다. 출력 스테이지 선택 또한 매우 간편하여 최고의 유연성과 맞춤화를 실현해 준다.

또한 가장 포괄적이고 뛰어난 보호 기능들을 통합하여, 수년간 동작하도록 설계된 견고하고 신뢰도 높은 솔루션을 제공한다.

3. 커패시티브 및 인덕티브 부하 구동

‘L6362A’ 디바이스가 높은 값의 커패시티브 및 인덕티브 부하를 구동하는 것을 살펴보기 위해 STEVAL-IFP017V3(그림 5)로 분석해 보았다. STEVAL-IFP017V3은 ST가 개발한 전용 평가 보드로, 고객들이 이 디바이스의 동작을 평가할 수 있도록 간편한 애플리케이션 툴을 제공한다.

▲ 그림 5. RC 및 L 부하에 대한 L6362A 동작 테스트를 위한 STEVAL-IFP017V3 데모 보드

RC 부하 충전

100Ω과 병렬로 25μF의 RC 부하를 18V~30V의 Vcc 전압 범위 그리고 하이사이드, 로우사이드, 푸쉬풀의 3가지 구성 및 Ta=25℃로 충전했다.

‘L6362A’를 사용해서 높은 값의 커패시터를 충전할 때 가장 큰 위험은 컷오프 보호가 작동되어 출력 스테이지를 오프로 스위칭할 수 있다는 것이다. 이러한 상황이 발생하면 병렬 저항을 통해서 커패시터가 방전될 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 컷오프 시간보다 짧은 지속시간으로 일련의 펄스들을 사용하여 입력을 구동해야 한다(그림 6).

▲ 그림 6. RC 충전 파형

(그림 6)에서는 L6362A로 연결된 RC 부하를 3.5ms 지속시간의 2개 펄스만을 사용해서 Vcc=24V로 충전하는 것을 볼 수 있다(Vin 녹색, Vload 빨간색, Iload 파란색).

Vcc=30V일 경우 동일한 결과를 얻으려면 3개의 펄스가 필요하다. 25μF인 더 높은 값의 커패시터를 구동하려면 펄스 수를 늘려야 한다.

높은 값의 인덕터 탈자화

높은 값의 인덕터를 반복적으로 탈자화할 때는 두 가지 위험성을 고려해야 한다. 첫째, 방전되는 인덕터 에너지의 높은 값 때문에 디바이스가 손상되거나 파괴될 수 있다. 둘째, 전력 스테이지의 접합부 온도가 아주 높아져 디바이스 자체로 열 셧다운을 일으킬 수 있다.

동작이 제대로 이루어지는지 확인하기 위해서 디바이스에 어떠한 외부 프리 휠링 다이오드도 연결하지 않고 STEVAL-IFP017V3을 사용하여 1.9H인 높은 값의 인덕터를 구동하였다. 이 때 테스트 조건은 Vcc=24V, Tamb=25℃, 출력 전류 300mA, 주파수 2Hz, 듀티 사이클 50%, 푸쉬풀 구성이었다. 또한 이 테스트는 5mm2 열 패드 풋프린트로 진행했다.

테스트 결과, 어떠한 이상도 발생하지 않았다. 열 케이스 최대 값이 39.6℃에 도달했을 때 Tamb=105℃에서 반복적으로 테스트해 열 보호 개입이 발생하지 않는 것을 확인했다.

▲ 그림 7. 1.9H 인덕터 탈자화, Iout=300mA, Tamb=105℃

4. 맺음말

‘L6362A’는 디지털 센서 및 엑추에이터 인터페이싱에 최적화된 트랜시버 디바이스이다. ‘L6362A’는 IO-Link 통신 프로토콜을 충족시키는 정교한 솔루션을 구현할 만큼 지능적이면서, 범용 I/O 시스템에도 사용할 수 있을 정도로 간편하다. 소형 DFN 패키지에 독보적으로 극히 낮은 Rds(on)을 함께 제공한다. 또한 높은 값의 전력 스테이지를 제공하고, 높은 값의 커패시터와 추가적인 대형 인덕터를 구동할 수 있으면서 가격이 저렴하다.  

주세페 디 스테파노(Giuseppe Di Stefano) _ STMicroelectronics

미켈란젤로 마르케제(Michelangelo Marchese) _ STMicroelectronics