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카일 스톤(Kyle Stone), 전류 감지(ASC) 분야 PME

전 세계적으로 전동화의 증가를 묘사하는 모든 유행어들 중 단연 돋보이는 것은 바로 '전류 감지'이다. 태양광 어레이, 전기차(전기차) 충전 스테이션 또는 로봇 공학 분야에서 요즘 많이 듣는 혁신 기술 중에는 전류 감지 기술이 안정적이고, 정확하며, 설계 용이성을 갖추지 못했다면 아예 불가능했을 기술들이 대부분이다.

이 기고문에서는 전동화 애플리케이션의 성장과 그에 대응하기 위해 개발된 전류 감지 기술로부터 부상한 4대 핵심 설계 트렌드인 더 높은 시스템 전압, 보다 강력한 시스템 보호, 원격 측정 모니터링, 축소된 폼 팩터에 대해 다룰 예정이다. 전체적으로, 전류 감지라는 것은 전기 시스템에서 필수 매개 변수인 전류를 모니터링하는 것으로, 이는 시스템이 안전한 범위 내에서 최대한 효율적으로 작동하게 한다.

전류 감지를 통한 더 높은 시스템 전압 지원

효율성에 대한 요구사항이 계속해서 엄격해짐에 따라 효율성을 높이기 위해 시스템 전압도 점차 높아지고 있다. 시스템 전압이 높아지면서 옴의 법칙에 따라 부하에 전달되는 전류의 양은 줄여도 같은 양의 전력을 생성할 수 있으며, 이는 시스템에서 I2R 손실을 줄이는 데 도움을 준다. 전압이 더 높으면 전류 범위가 더 낮아져, AC/DC 또는 DC/DC 전력 인버터와 같이 각 단계에서 더 적은 열을 발생시키기 때문에 시스템 전체에 걸쳐 많은 양의 전력을 더 효율적으로 전달할 수 있다.

그림 1의 전기차 충전기는 120VAC, 240VAC, 230VAC(1) 또는 400VAC(3)와 같은 전압 레벨에서 발생할 수 있는 전력을 차단한다. 일반적인 전기차 충전기는 AC 전력을 그리드에서 전기차 온보드 차저로 전달하며, 충전기는 전력을 DC로 전환해 배터리로 전달한다.

DC 고속 충전기의 경우, AC 전력은 그리드에서 전기차 충전기로 전달되고, 충전기 내에서 AC에서 DC로 전환된 후, 고속 충전을 위해 최대 전압 920VDC로 배터리에 전달된다. 전압을 더 높이고 전류 레벨을 비슷하게 유지하여 더 많은 전력이 직접 배터리로 전달되도록 함으로써 더 빨리, 더 효율적으로 충전할 수 있다.

그림1: 전기차 충전기

전류 센서는 전기차 충전기에서 시스템 효율을 높이는 역할을 하며, 시스템 전체에 걸쳐 여러 지점에서 사용할 수 있다. 이러한 센서는 프런트 엔드에서 시스템으로 들어가는 무효 전력을 조절하기 위해 전류를 모니터링하는 AC 라인 입력에서 사용할 수 있다. 또 하나는 시스템의 양극 또는 음극 노드에서 역률 제어 루프와 2 DC/DC 이후 지점이며, 이 구성이 장애를 모니터링한다.

또한, 1 DC/DC 2 DC/DC 사이, 차동 증폭기의 전류 감지를 플럭스 밸런싱 용도로 사용할 수 있는 지점도 여기에 해당된다. 또한, 전기차 충전기와 상호작용하는 시스템과 사람을 보호하기 위해서는 반드시 AMCS1100 또는 TMCS1100 같은 절연 전류 감지기를 사용해야 한다.

시스템 보호 기능 강화

또한, 전동화는 시스템 보호의 필요성을 증가시켜, 시스템이 안전한 작동 영역 이외의 문제에 신속하게 반응하여 반도체 및 기타 민감한 콘텐츠의 손상을 방지합니다. 대부분 시스템의 경우, 일정한 형태의 시스템 보호 기능을 갖추고 있어 시스템이 의도한 대로 작동하도록 보장한다. 예를 들어, 그림 2와 같이 로봇이 과도하게 무거운 물건을 들어올리는 경우 모터 전류가 갑자기 높아질 수도 있다.

 

그림2: 산업용 로봇

전류 스파이크는 부하가 로봇이 능력 범위를 벗어났음을 나타내며, 이는 시스템 내부 또는 로봇 팔에 물리적 손상을 초래할 수 있다. 일체형 콤퍼레이터가 있는 전류 감지 디바이스는 피크 전류가 시스템의 안전 작동 영역을 벗어나 전기 모터로 돌입하는 상황을 파악할 수 있다. 과전류 콤퍼레이터가 내장된 INA301은 빠르면 <1 µS 지점에서 반응하고 경보를 발생시켜 시스템을 셧다운 되도록 할 수 있다. 이는 INA228 INA226 초정밀 양방향 전류 감지 증폭기 같은 션트 기반 감지기가 특정 노드를 통과하는 전류 흐름과 전압 수준을 모니터링함으로써 노드가 안전한 작동 영역 내로 유지되도록 하는 부하 지점 측정과 유사하다.

 

원격 측정 모니터링 지원

애플리케이션들이 점차 더 전동화되어 가면서 에너지 등급과 더 나은 유지보수를 예측할 수 있도록 하기 위해 모니터링에 대한 요구 사항이 늘고 있다.

예측 유지보수를 위한 모니터링 또는 원격 측정 모니터링의 예로는 랙 서버 시스템에서 냉각팬을 통해 전류와 전압 수준을 데이터 로깅하는 방법이 있다. INA232 같은 디바이스를 사용해 팬의 전력 소비량을 데이터 로깅하는 것이다. 데이터 로깅을 통해 팬이 비정상적으로 작동하거나 수명이 끝나갈 때 테크니션에게 알려줄 수 있다.

이 사용사례에서 디지털 전력 모니터를 사용하여 버스 전압과 전류 흐름 정보를 모두 수집하기 때문에 적절한 디바이스라고 할 수 있다. 디지털 전력 모니터 IC는 전력, 충전량 및 에너지를 계산하기 위해 온보드에서 연산을 수행하고 이 정보(그리고 버스 전압 및 전류 흐름 데이터) I2C 또는 직렬 주변 인터페이스를 통해 전송한다. 온칩 연산을 수행하면 CPU나 마이크로컨트롤러에서 프로세스 오프로드하므로 처리 리소스를 사용하여 다른 작업들을 보다 효과적으로 처리하는 데 사용할 수 있다. 이는 CPU나 마이크로프로세서가 많은 작업을 처리해야 하는 시스템에서 특히 중요하다.

폼 팩터 축소

사용하는 전자 구성 요소 개수가 늘어나거나 더 작은 공간 안에 들어가야 하는 애플리케이션이 늘어나고 있는 만큼 구성요소의 크기를 줄이거나 유닛당 기능 개수를 늘려서 전체적인 보드 면적을 줄여야 하는 필요성이 커지고 있다. 스마트폰이나 로봇 시스템처럼 많은 시스템이 크기가 제한적이기 때문에 계속해서 크기는 줄이고 기능은 늘려야 한다.

전류 감지 디바이스가 작으면 작을수록 설계자 입장에서는 전체적으로 모니터링 양을 늘리거나 시스템의 전체적인 크기를 줄일 수 있다. 두 경우 모두 전체적인 시스템 매개 변수에 따라 유리할 수 있다. IC(집적 회로)의 크기를 줄이거나 유닛당 기능 개수를 늘리면 밀도를 늘릴 수 있고, 그에 따라 유용한 개인 전자 기기, 온보드 충전기 및 소형 협업 로봇 모터 구동 시스템을 구현할 수 있다.

초소형 IC 또는 고성능 칩을 활용하면 더 작은 시스템을 구축할 수 있는 길이 열린다. 예를 들어, 설계자는 WCSP(웨이퍼-칩 스케일 패키지) 같은 칩 패키징 옵션이나 일체형 션트가 있는 INA253를 성능이나 기능을 희생하지 않고도 시스템 크기를 줄일 수 있다.

마무리

이러한 트렌드와 이를 지원하는 IC에 대한 이해를 바탕으로 전류 측정 모니터링을 통해 시스템이 안전 작동 영역 내에서 작동하도록 함으로써 구체적인 고전압 설계 문제를 해결하고 신뢰성과 안전성을 구현할 수 있을 것이다.

기타 리소스

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