2020년 9월 21일 월요일

T Technical Report

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정밀 DAC와 워치도그 타이머를 이용한 아날로그 출력 안전성 향상

 

Damian Anzaldo, Communication Segment Manager, Maxim Integrated Products

개요

산업용 애플리케이션에서는 시스템 레벨 결함이 발생했을 때 안전한 상태로 전환할 수 있어야 한다는 것이 매우 중요한 요구사항이다. 풍부한 기능의 정밀 디지털-아날로그 컨버터(DAC)와 워치도그 타이머 마이크로프로세서 감시기를 이용해서 아날로그 출력을 알려진 미드스케일 또는 제로스케일 레벨로 전환하도록 할 수 있다.

 

회로의 동작 원리

산업용 컨트롤러, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 데이터 포착 시스템(DAQ)에 이용되는 주요 아날로그 출력 제어 신호는 0V~5V, 0V~10V, ?5V, ?10V, 4~20mA 전류 루프를 포함한다. 안전성을 달성하기 위해서는 마이크로프로세서 또는 시스템 결함이 발생했을 때 아날로그 출력 제어 신호를 알려진 미드스케일 또는 제로스케일의 안전한 상태로 전환해야 한다. 추가적인 안전성을 달성하기 위해서는 아날로그 출력 모듈에 옵토커플러를 채택해서 마이크로프로세서와 아날로그 출력 신호 사이에 갈바니 절연을 제공할 수 있다.

 

그림 1과 같은 회로를 이용해서 아날로그 출력 안전성 및 신뢰성 요구를 충족할 수 있다. 감시기(U3, MAX6303)에 의해서 마이크로프로세서 결함이나 저전압 조건이 검출되면 12비트 DAC(U2, MAX5120)의 아날로그 출력이 제로 스케일로 전환된다. 이 회로는 또한 마이크로프로세서에서 I/O 핀 수를 줄이고 옵토커플러를 제거할 수 있으므로 MTBF(mean time between failure)를 향상시킬 수 있도록 한다.

 

그림 1: 전원 전압이나 마이크로프로세서 동작에 결함이 발생하면 이 DAC(U2) 및 마이크로프로세서 감시기(U3) 회로가 사용자가 프로그램한 안전한 디폴트 출력(VOUT)을 발생시킨다.

 

DAC의 3개 기능을 이용해서 안전성을 달성할 수 있다. 그것은 비동기 리셋 입력(액티브 로우 CLR), 사용자 선택가능 리셋 값 입력(RSTVAL), 사용자 프로그램가능 출력(UPO)이다. 이와 같은 기능들을 통합함으로써 옵토커플러를 필요로 하지 않고, 마이크로프로세서에서 I/O 핀 수를 줄일 수 있도록 하고, 외부 이산 회로를 필요로 하지 않는다. 마이크로프로세서 감시기는 저항 프로그램가능 리셋 입력 임계값, 커패시터 프로그램가능 워치도그 타이머, 리셋 타임아웃 간격 기능을 포함한다.

 

그러면 이 회로가 어떻게 작동하는지 살펴보자. DAC 코드가 000hex부터 FFFhex까지이므로 아날로그 출력 전압(VOUT)은 -10V부터 +10V까지다. 연산 증폭기 U1A(MAX9944)를 DAC의 내부 10ppm/?C 정밀 밴드갭 레퍼런스를 이용해서 오프셋한다. 출력 연산 증폭기 U1B(MAX9944)는 이득 4의 버퍼로 구성한다.

 

이 회로의 출력 전압은 다음과 같이 계산할 수 있다:

 

VOUT = VREF × (G × NB/4096 – 1) × (RF/RIN + 1)

 

여기서 NB는 DAC 바이너리 코드의 숫자 값이고, VREF는 내부 레퍼런스 전압이고, G는 U1A의 이득이고, RF/RIN은 U1B의 이득-저항 비율이다.

 

마이크로프로세서 감시기 U3이 VCC 핀을 통해서 절연 전원 전압(VISO)을 모니터링한다. 또한 WDI 핀에서 UPO를 이용해서 마이크로프로세서 동작을 모니터링하고 액티브 로우 RESET을 통해서 리셋 출력 명령을 발생시킨다. RESET IN(U3의 핀 1)의 저항 분할기가 리셋 레벨 전압 임계값(VTH)을 설정한다. 마찬가지로 리셋 타임아웃 간격(tRP)과 워치도그 타임아웃 간격(tWD)은 SRT와 SWT의 커패시터 값에 의해서 설정된다. WDS를 VCC로 연결하면 확장 모드가 됨으로써 tWD를 500배로 늘릴 수 있다. 다음 공식을 이용해서 이 회로에 필요한 값을 계산할 수 있다:

 

VRST = VTH(R1 + R2)/R2

 

여기서 VTH = 1.22V이고 VRST는 조절가능 리셋 임계 전압이다:

 

CRST = tRP/2.67

 

CRST는 pF 단위이고 tRP는 ?s 단위다. CSWT는 pF 단위고 tWD는 ?s 단위다. 그러므로 다음과 같다:

 

CSWT = tWD/(500 × 2.67)

 

VCC가 결함을 일으키거나 마이크로프로세서가 lock-up을 일으킴으로써 WDI를 토글하지 못하면 U3이 액티브 로우 리셋을 출력함으로써 U2의 CLR 입력을 통해서 리셋한다. 이 동작으로 U2의 출력을 RSTVAL이 설정한 조건으로 리셋한다(이 예에서는 미드스케일로 전환함으로써 VOUT에서 0V를 발생시킨다). 정상 동작일 때 마이크로프로세서는 프로그램된 워치도그 타임아웃 간격(tWD) 이내에 U2를 업데이트해야 한다. 이런 방법으로 UPO 출력이 WDI를 토글링한다. 다시 말해서 UPO가 WDI에서 “kicks the dog” 동작을 일으킨다. 유의할 점은 리셋 타임아웃 간격(tRP) 후에는 액티브 로우 RESET이 CLR을 해제하나 DAC 출력은 업데이트될 때까지 미드스케일로 유지된다는 것이다.

 

U3의 RESET IN과 GND 단자 사이의 스위치를 이용해서 사용자가 비상상황 셧다운을 명령할 수 있다. 워치도그 기능에 이용하기 위해서 고려할 수 있는 다른 디바이스들로는 MAX6316 시리즈와 MAX6369 시리즈를 포함한다. 이 두 시리즈 제품 모두 고정 타임아웃 간격을 제공하며 SOT23 패키지로 제공된다. DAC의 유니폴라 및 바이폴라 모드를 이용해서 모든 주요 아날로그 출력 제어 신호를 제공할 수 있다.

 

결론

정밀 DAC와 워치도그 타이머 마이크로프로세서 감시기를 이용해서 산업용 애플리케이션에서 안전성을 향상시킬 수 있다. 이 두 디바이스를 이용해서 산업용 컨트롤러 애플리케이션에서 결함이 발생했을 때 아날로그 출력을 안전한 상태로 전환할 수 있다.

 

 

저자 약력

Damian Anzaldo는 Maxim Integrated Products의 전략 마케팅 그룹 통신 사업부 책임자입니다. 템플 대학(Temple University)에서 전기공학 학사학위를 취득했으며 템플 대학 전기공학부로부터 Rowland L. Gaines 상을 수상했습니다. Maxim에 재직하면서 다수의 고속 데이터 컨버터 제품을 개발했으며 아날로그 및 혼성신호 솔루션에 관한 다수의 글을 발표했습니다.