산업용 직렬 디지털 입력을 활용하는병렬 인터페이스 기반 디지털 입력 모듈 설계 방법

글: 웨이 시(Wei Shi) 선임 매니저, 라인하르트 바그너(Reinhardt Wagner) 전 수석 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

개요

이 글은 로크웰 오토메이션(Rockwell Automation)과의 협업을 통해 작성되었으며, 산업용 디지털 입력을 사용해 병렬 로직 출력을 생성하는 기법에 대해 설명한다. 이 접근 방식은 해당 디바이스가 제공하는 다양한 기능과 특성을 그대로 유지한다.

머리말

MAX22190과MAX22199는 기본적으로 직렬화된 데이터를 제공하지만, 실시간성, 낮은 지연 시간 또는 더 높은 속도가 요구되는 시스템에서는 각 산업용 디지털 입력 채널에 대해 레벨 변환된 실시간 로직 신호를 제공하는 방식이 더 적합할 수 있다. 이러한 산업용 디지털 입력은 SPI 또는 핀 기반((LATCH) ̅) 타이밍 제어 하에서 24V 전류 싱킹 입력 8채널의 상태를 샘플링하고 직렬화하며, SPI를 통해 8개 입력 상태를 읽어낼 수 있도록 한다. 직렬 인터페이스는 절연이 필요한 로직 신호의 수를 최소화하기 위해 사용되며, 이는 특히 채널 수가 많은 디지털 입력 모듈에서 큰 이점을 제공한다.

배경

로직 신호의 직렬화는 여러 신호를 동시에 샘플링해 신호들이 시간적으로 양자화되도록 한다. 이는 실시간 정보의 일부 내용이 손실될 수 있다는 것을 의미하는데, 특정 시스템에서는 이러한 점이 문제가 될 수 있다. 예를 들어 증분형 인코더나 카운터처럼 스위칭 신호 간의 타이밍 차이가 중요한 애플리케이션이 이에 해당한다. 이러한 애플리케이션들은 고속 샘플링과 고속 직렬 판독을 사용하거나, MAX22195와 같이 비직렬 병렬 데이터를 제공하는 방식이 필요하다. MAX22190과 MAX22199를 병렬 동작으로 사용할 경우, 진단 기능과 구성 가능성이라는 이점을 누릴 수 있다. 이 글에서는 이러한 접근 방식의 특성과 한계, 그리고 설계 시 고려사항에 대해 살펴본다.

세부 내용

이 기법은 8개의 LED 출력을 로직 신호로 사용하도록 구성하는 방식이다. LED는 디지털 입력의 상태를 시각적으로 표시하는 기능을 하며, 이러한 기능은 설치·유지보수·운용 과정에서 유용하다. 산업용 입력의 특성과 규격은 IEC 61131-2 표준에 명확히 정의되어 있으며, 출력 상태는 켜짐(on) 또는 꺼짐(off)의 이진 형태를 갖는다.

MAX22190과 MAX22199는 전력 소모가 없는 LED 드라이버가 특징으로, 이 LED 드라이버는 디지털 입력 모듈의 전원으로부터 전류나 전력을 끌어오는 것이 아니라 현장의 센서나 스위치로부터 전원을 공급받아 LED에 전력을 공급한다. 이들 디바이스는 REFDI 저항에 의해 설정된 수준으로 입력 전류를 제한하는데, 이는 모듈 내 전력 손실을 최소화하기 위한 것이다. 일반적인 Type 1/Type 3 디지털 입력의 경우, 입력 전류는 IEC 표준에서 요구하는 최소 2.0mA를 초과하도록 약 2.3mA(typ) 수준으로 설정된다. IC는 약 2.3mA 이하의 필드 입력(IN) 전류 중 대부분을 LED 출력 핀으로 전달하고, 칩 자체가 소모하는 전류는 약 160µA에 불과하다. LED 드라이버는 전압 출력이 아닌 전류 출력 방식이므로, 디지털 절연기나 마이크로컨트롤러와 같은 다른 로직 디바이스와 인터페이스하기 위해서는 전류를 전압으로 변환해야 한다. 이를 위한 가장 간단한 트랜스임피던스 소자는 저항이며, 그림 1과 같이 구현할 수 있다.

Figure 1. LED pins used as voltage-based logic outputs.
그림 1. 전압 기반 로직 출력으로 사용되는 LED 핀

이러한 방식으로 LED 출력 핀을 사용하는 방법은 제품 데이터시트에는 문서화되어 있지 않다. 이 글에서는 이러한 사용 방식의 특성과 잠재적인 한계를 분석한다.

LED 핀 특성

LED 핀에 접지로 연결된 저항을 사용해 전압 출력을 생성할 때에는 다음과 같은 사항들을 고려해야 한다:

  • LED 핀에 허용되는 최대 전압은 얼마인가?
  • LED_ 핀이 IN_ 핀에 영향을 주거나 피드백이 발생하는가?
    • 특히 LED 핀의 전압이 IEC 표준에서 요구하는 최소 입력 전류 조건을 만족하는 IN 입력 전류 변화로 이어지는가?
  • LED 출력 전류에 오버슈트나 느린 상승/하강 시간과 같이 바람직하지 않은 과도 응답이 나타나는가?
  • 입력이 고속으로 스위칭할 때 LED 출력이 고속 로직 신호로 사용하기에 적합한가?
  • LED 출력이 필터링되어 있는가?(SPI로 설정 가능)

MAX22190과 MAX22199 데이터시트의 최대 정격 절대값에 따르면 LED 핀에 허용되는 최대 전압은 +6V로 규정되어 있다. 이는 LED 핀이 5V 및 3.3V 로직 출력으로 사용하기에 적합하다는 것을 의미하는데, 이때 LED 핀 전압은 6V를 초과해서는 안 된다는 조건이 따른다.

LED 핀 전압이 다른 핵심 특성에 미치는 영향에 대한 평가는 필수적이다. 특히 IEC 표준에서는 입력 전류를 규정하고 있기 때문에, LED 핀 전압이 높아질 때 IN 입력 전류가 어떻게 변화하는지가 가장 중요한 검토 대상이다. 가장 핵심은 Type 3 디지털 입력에 대해 정의하고 있는 11V 온 상태(on-state) 임계 전압 부근에서의 동작이다.

그림 2는 필드 입력 전압이 11V에 근접한 9V, 10V, 11V에서 LED 핀 전압에 따른 필드 IN 전류의 측정 결과를 보여준다. 9V와 10V는 Type 3 입력의 전이 구간에 해당하는 전압으로, 이 영역에서는 입력 전류의 최소값이 정의되어 있지 않다. 반면 11V 입력의 경우에는 최소 입력 전류가 2mA로 규정되어 있다.

필드 전압 임계값이 11V일 때, 파란색 곡선은 LED 핀 전압이 약 5.8V를 초과하면 IN 전류가 감소하기 시작한다는 것을 보여준다. LED 핀 전압이 6V일 때 전류 감소는 0.6%에 불과하다. 입력 전압이 9V와 10V인 경우에는, 전류가 정의되지 않는 전이 영역임에도 불구하고 LED 핀 전압이 최대 5.5V까지 높아져도 입력 전류가 여전히 2mA 이상을 유지하는 것으로 측정되었다.

이 결과는 MAX22190과 MAX22199가 5V LED 로직 출력은 물론 3.3V와 같은 더 낮은 전압의 로직 출력도 생성할 수 있으며, Type 3 디지털 입력과의 호환성을 유지할 수 있음을 보여준다. Type 1 디지털 입력의 경우에는 온 상태 임계 전압이 15V로 훨씬 높기 때문에, LED 핀을 5V 로직 출력으로 사용하더라도 필드 입력 전류에는 어떠한 영향도 미치지 않는다는 점에서 검토가 상대적으로 단순하다.

Figure 2. Field input current dependence on the LED pin voltage.
그림 2. LED 핀 전압에 따른 필드 입력 전류 변화

병렬 동작 예시

그림 3은 10kHz 필드 입력 신호(노란색 곡선)와 이에 따른 LED 출력 전압(파란색 곡선)을 보여준다. LED 출력에는 1.5kΩ 저항을 사용했으며, 이를 통해 3.3V 로직 신호를 생성했다. 글리치 필터링은 비활성화된 상태로 설정했으며, 기본 설정은 바이패스 모드이다.

스위칭 조건에서 LED 출력 전류의 과도 응답 특성과 관련해, 그림 3은 10kHz 스위칭 조건에서의 동작을 나타낸다. 전류를 전압으로 변환하기 위해 1.5kΩ 저항을 사용했다. 오실로스코프 파형은 LED 출력이 로직 입력 디바이스에 손상을 줄 수 있는 오버슈트나 언더슈트 같은 과도 현상을 발생하지 않는다는 것을 보여준다. 또한 상승 및 하강 시간이 빠르며, 신호 왜곡을 유발하지 않는다.

SPI 인터페이스 사용

MAX22190과 MAX22199는 채널별 글리치 및 노이즈 필터링을 가능하게 하는 SPI 프로그래머블 필터를 제공한다. 최대 20ms 수준까지 설정 가능한 8가지 필터 시정수(time constant)와 함께, 고속 애플리케이션을 위한 필터 바이패스 모드도 지원한다. 선택된 노이즈 필터링 설정은 LED 출력에도 동일하게 적용되어, 시각적 표시와 전기적 신호 간의 일관성을 유지한다.

SPI를 통해 다양한 진단 기능도 제공된다. 여기에는 전원 전압 저하 알람, 과온 경고, REFDI 및 REFWB 핀의 단락 감지, 그리고 필드 입력에 대한 단선 감지가 포함된다.

전원 인가 시 레지스터 비트의 기본 상태는 다음과 같다:

  • 8개 입력 채널 모두 활성화
  • 모든 입력 필터 바이패스
  • 단선 감지 비활성화
  • REFDI 및 REFWB(MAX22199만 해당) 핀 단락 감지 비활성화

이러한 기본 설정으로 인해, 고속 신호 처리 등 글리치 필터링이나 진단 기능이 필요하지 않은 애플리케이션에서는 SPI 인터페이스를 사용하지 않아도 된다. 반대로 채널별 선택 가능한 글리치/노이즈 필터링이 필요하거나 진단 기능을 활용하고자 하는 경우에는 SPI 인터페이스를 통해 설정할 수 있다.

Figure 3. 10 kHz switching; Channel 1: field input; Channel 2: LED output.
그림 3. 10kHz 스위칭; 채널 1: 필드 입력; 채널 2: LED 출력

이 LED 출력 파형에는 오버슈트나 온 상태에서 전압이 흔들리는 현상과 같은 바람직하지 않은 불규칙성이 나타나지 않는다. 이는 LED 출력을 전압 출력으로 사용할 수 있음을 보여주며, 해당 특성과 한계에 대한 분석이 이루어졌다.

글리치 필터링

MAX22190과 MAX22199는 채널별로 선택 가능한 글리치 필터링 기능을 제공한다. 이제부터는 LED 출력에 미치는 글리치 필터의 영향을 200Hz 스위칭 신호에 대해 필터 시간을 800µs로 설정했을 때를 예로 들어 설명한다. 정의된 글리치 폭은 듀티 사이클을 변경해 에뮬레이션했으며, 양(+)과 음(–)의 글리치 모두를 대상으로 분석했다.

그림 4는 800µs 글리치 필터 설정에서 폭이 750µs인 양의 펄스가 필터링 되는 사례를 보여준다. 이 결과는 양의 글리치 필터링이 LED 출력뿐 아니라 SPI 데이터에도 동일하게 적용된다는 것을 입증한다.

Figure 4. Positive glitch filtering.
그림 4. 양(+)의 글리치 필터링

음의 글리치는 이 LED 출력에서는 필터링되지 않는다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 폭이 750µs인 하강 펄스가 LED 출력에 그대로 전달된다. 이는 SPI 판독을 사용할 때 양과 음의 글리치가 모두 효과적으로 필터링되는 것과는 다른 동작 특성이다.

Figure 5. Negative glitch filtering.
그림 5. 음(–)의 글리치 필터링

그림 6은 800µs 글리치 필터를 활성화한 상태에서 입력 신호를 50% 듀티 사이클로 스위칭했을 때의 LED 출력 신호를 보여준다. 상승 에지는 약 770µs 지연되는 반면, 하강 에지에는 지연이 나타나지 않는다. 이는 글리치 필터가 LED 출력에서는 정상적으로 동작하지 않는다는 것을 보여준다.

Figure 6. Filtering effect on LED output.
그림 6. LED 출력에 대한 필터링 효과

고주파 스위칭

높은 스위칭 주파수, 낮은 전파 지연 또는 낮은 스큐가 요구되는 애플리케이션에서는 글리치 필터링을 비활성화해야 한다. 글리치 필터를 바이패스한 상태에서 100kHz 입력을 인가했을 때, LED 출력 파형은 그림 7과 같은 형태로 나타난다. 하강 에지는 약 60ns 수준의 매우 낮은 전파 지연을 보이는 반면, 상승 에지는 상대적으로 큰 전파 지연과 지터가 관측된다. 상승 에지의 지터는 평균 전파 지연이 약 1µs 이하인 상태에서 ±0.5µs 범위로 나타난다. 이러한 상승 에지 지연과 지터는 데이터시트에 명시된 약 1MHz 이하의 샘플링 동작에 기인한다. 하강 에지에서는 샘플링이 수행되지 않기 때문에 빠른 응답 특성이 나타난다.

Figure 7. 100 kHz input switching with filter bypass.
그림 7. 필터 바이패스 상태에서의 100kHz 입력 스위칭

이 결과는 이 LED 출력이 지터를 포함해 최대 약 1.5µs 이하의 상승/하강 시간 스큐를 가질 수 있음을 보여준다. 채널 간 스큐는 하강 에지에서는 낮게 유지되지만, 상승 에지에서는 훨씬 크게 나타난다. 이러한 특성은 일부 애플리케이션에서 이 LED 출력을 사용하는 데 제약 요인이 될 수 있다.

설계 고려 사항

이제 LED 출력 핀을 전압 출력으로 사용할 때 필요한 몇 가지 고려사항에 대해 살펴보자.

MAX22190과 MAX22199의 전류 구동 방식 LED 출력은, 이들이 구동하는 로직 입력의 안전한 허용 전압 수준을 초과하지 않도록 전압이 제한되어야 한다. REFDI 저항은 IN 필드 입력 전류를 통상적인 전류 수준으로 설정하지만, 실제 IN 전류는 데이터시트에 명시된 바와 같이 ±10.6%의 허용 오차를 가진다. 따라서 저항 양단에 형성되는 전압 역시 ±10.6% 범위 내에 있게 된다. 로직 입력은 일반적으로 VL + 0.3V와 같이 엄격하게 규정된 최대 정격 절대값을 가지며, 여기서 VL은 로직 전원 전압이다.

두 개의 로직 신호를 인터페이스할 때는, 표준 로직 출력이 푸시풀 또는 오픈드레인 구조를 가지며 최대 출력 전압이 로직 전원(VL)에 의해 정의되거나 제한되기 때문에, 보통 공통의 VL 전원을 사용해 일치를 보장한다. LED 핀의 통상적인 출력 전압을 더 낮게 설정하면 입력의 최대 정격 절대값을 초과하지 않도록 할 수 있다. 대안적으로, LED 핀의 약 2.3mA 이하의 출력 전류가 로직 입력을 손상시키지 않는다고 판단할 수도 있는데, 이는 로직 입력이 일반적으로 50mA ~ 100mA 범위의 훨씬 높은 래치업 전류를 허용하도록 규정되어 있기 때문이다. 이 점은 적용 대상 디바이스에 대해 반드시 확인되어야 한다. 세 번째이자 덜 바람직한 선택지는 클램핑을 통해 전압을 제한하는 방법이다.

표준 로직 출력은 푸시풀 구조이므로 낮은 임피던스를 가지며, 로직 입력을 구동하는 데 높은 유연성을 제공한다. 이에 반해 LED 출력은 오픈드레인 출력으로, 풀다운 저항과 기생 커패시턴스가 스위칭 속도를 결정한다.

추가적인 커패시터가 없어도, 100kHz 이상의 스위칭 속도는 가능하다.

결론

MAX22190과 MAX22199 산업용 디지털 입력 디바이스는 직렬 데이터 동작으로 문서화되어 있음에도 불구하고, 병렬 8채널 입력으로 사용할 수 있다. 이를 위해 원래 상태를 시각적으로 표시하기 위해 설계된 LED 드라이버를 전압 기반 또는 전류 기반 로직 출력으로 활용할 수 있다. 이러한 방식으로 병렬 동작을 구현할 경우, SPI 인터페이스 사용은 선택 사항이며, 일부 제한 사항은 있지만 진단 기능과 디바이스 구성 기능을 모두 제공한다.

감사의 글

이 글은 로크웰 오토메이션(Rockwell Automation)의 하드웨어 담당 선임 스태프 엔지니어인 친 치아 렁(Chin Chia Leong)과 협력하여 작성되었다.

저자 소개

웨이 시(Wei Shi)는 미국 캘리포니아주 산호세에 근무하는 아나로그디바이스(Analog Devices) 산업 자동화 사업부의 애플리케이션 엔지니어 매니저이다. 그는 2012년 애플리케이션 엔지니어로 맥심 인테그레이티드(Maxim Integrated, 현재 ADI의 일부)에 합류했으며, 2012년 뉴욕대학교에서 전기공학 석사 학위를 취득했다.

라인하르트 바그너(Reinhardt Wagner)는 독일 뮌헨 소재 아나로그디바이스에서 전 수석 엔지니어로 근무했다. 그는 21년간 재직하며 IO-Link, 고속 디지털 I/O, Beyond-the-Rails™ 아날로그 스위치, 디지털 절연과 같은 통신 및 입출력 디바이스 분야에서 신규 산업용 칩의 제품 정의를 주로 담당했다.