Isolated ADC 사용 방법

작성 날짜: 십일월 16, 2022
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

저잡음에서 작동하는 혼합 신호 시스템, 특히 계측 및 민감한 측정에 사용되는 시스템을 살펴보세요. 이러한 시스템은 과도한 잡음에 굴복하지 않고 저수준 신호를 세심하게 해석할 수 있는 것 같습니다. 특정 주파수와 특정 전압 범위에서는 신호의 정확한 표현을 얻기 위해 혼합 신호 시스템의 접지에 관한 일반적으로 받아들여지는 규칙 중 일부를 깨야 할 수도 있습니다.

ADC는 디지털과 아날로그 세계가 만나는 혼합 신호 시스템의 주요 구성 요소이며, 이러한 구성 요소를 사용하는 최선의 방법은 디지털 및 아날로그 라우팅을 PCB의 어디에서나 지원하기 위해 단일 접지 네트를 사용하는 것입니다. 그러나 시스템에서 잡음 제어 또는 사용자 안전을 위해 격리가 필요한 경우에는 어떻게 될까요?

이 경우, 우리는 갈바닉 격리를 적용하기 위해 격리된 ADC를 사용할 수 있습니다. 다른 옵션은 시스템에서 갈바닉으로 격리된 영역 사이에 결합을 제공하는 일부 구성 요소를 사용하는 것이며, 이는 표준 ADC와 인터페이스합니다. 두 옵션 모두 잡음을 제어하고 위험한 전기 충격을 방지할 기회를 제공합니다. 이 설계 가이드에서는 격리된 ADC 구성 요소 옵션부터 시작하여 이러한 옵션을 사용하여 격리를 제공하는 방법을 보여줄 것입니다.

격리된 ADC란 무엇인가요?

격리된 ADC는 디지털 I/O 섹션과 입력 아날로그 인터페이스 사이에 갈바닉으로 격리된 두 영역을 포함합니다. 이러한 구성 요소는 간단한 개념을 따라 구축됩니다: 갈바닉 격리가 필요한 시스템에서, 시스템의 두 측면은 별도의 접지 영역 위에 구축됩니다. 격리된 ADC에서는 시스템의 아날로그와 디지털 측면 사이에 갈바닉 격리가 적용됩니다. 이런 방식으로, 디지털 신호가 디지털 접지 평면에 한정되어 있는 한 아날로그 측의 아날로그 신호와 간섭하지 않습니다.

이러한 구성 요소가 사용될 수 있는 상황은 다음과 같습니다:

디지털 섹션이 있는 고전압 시스템에서 시스템 내에서 어떤 측정이 필요한 경우
매우 낮은 SNR 아날로그 신호를 측정하는 특수 계측에 관련된 경우
빠른 펄스가 전력 서지를 생성하여 구성 요소를 손상시킬 수 있는 전기기계 시스템 또는 스위칭 시스템의 경우

PCB에서 측정할 신호가 라우팅되는 위치에 따라, 격리된 ADC는 격리를 위해 옵토커플러나 변압기를 사용하는 것보다 더 합리적일 수 있습니다.

블록 다이어그램

격리된 ADC의 예시 블록 다이어그램은 아래와 같습니다. 이 예에서, 구성 요소의 두 GND 네트(AGND 및 DGND)는 구성 요소에 내장된 일부 간격에 의해 서로 격리됩니다. 이는 PCB에서 AGND와 DGND가 물리적으로 분리된 구리 조각에 연결되어 있음을 의미합니다.

“물리적으로 분리된 구리 조각”이라고 쓸 때, 저는 다른 네트에 할당된 구리 푸어의 다른 섹션을 언급하는 것입니다. 아날로그 인터페이스(A_IN_1…A_IN_N)의 입력 채널만이 AGND 네트를 참조하여 신호 수준을 가질 것입니다. 디지털 I/O 블록은 일부 최대 전압과 일부 최대 주파수까지 확장되는 갈바닉 격리 등급을 가질 것입니다.

블록 다이어그램에서의 이 분리는 PCB 상에서 구현되어야 합니다. 이를 구현하는 가장 좋은 방법은 PCB에 두 개의 별도의 인접 영역을 배치하여 갈바닉 절연을 구현하고, 이들 사이에 격리된 ADC로만 연결하는 것입니다. 이렇게 하면 갈바닉 절연의 성공적인 구현을 보장할 수 있지만, 분리된 접지 평면을 교차 배치하려고 할 때 다중극 안테나를 생성하는 문제는 발생하지 않습니다.

격리된 ADC 선택하기

격리된 ADC는 갈바닉 절연이 있는 혼합 신호 시스템에서 노이즈 제어와 안전성을 보장하기 위해 고려해야 할 몇 가지 중요한 사양이 있습니다.

채널 수 - 들어오는 신호를 샘플링하기 위해 사용될 수 있는 여러 입력 아날로그 채널이 있습니다
격리 전압 - 고전압 시스템에서는 샘플링된 신호가 아날로그 측에서 발생할 수 있으므로, 갈바닉 절연은 kV 값에 이르는 높은 전압 등급을 가질 것입니다
출력 버스 - 이는 일반적으로 낮은 샘플링 속도에서 SPI 버스가 될 것이며, 높은 샘플링 속도에서는 GHz에 이르는 JESD204 버스가 될 수 있습니다
내부 대 외부 참조 및 조절 - 일부 격리된 ADC는 내부 DC/DC 변환 및 정밀 참조를 가지고 있습니다
동적 범위 - 낮은 수준의 신호를 샘플링할 때 중요하며, 일부 낮은 수준의 신호는 ADC의 동적 범위를 채우기 위해 증폭이 필요할 수 있습니다
해상도 - 이는 동적 범위와 SNR에 대비하여 고려되어야 하며; 낮은 SNR 신호의 경우, 낮은 해상도는 더 높은 노이즈 면역성을 제공할 것입니다

안전 캐패시터로 EMI 및 RF 노이즈 방지

격리된 ADC가 사용될 PCB와 같은 분할 평면 시스템의 큰 문제 중 하나는 하나 또는 양쪽 접지가 부유한다는 것입니다. 즉, 시스템의 양쪽 사이에서 측정된 접지 전위 사이에 일부 차이가 있을 수 있습니다. 이는 격리된 전원 공급 장치를 설계함으로써 제거하기 어려운 비일상적인 문제이며, 접지 오프셋은 주파수의 함수일 수 있습니다. 결과적으로, 특정 주파수에서 이러한 접지 사이의 전위 차이가 진동할 수 있으며, 이는 방사된 EMI를 생성할 것입니다.

여기에서 가장 간단한 해결책은 AGND와 DGND 접지 영역을 연결하기 위해 안전 캐패시터를 사용하는 것입니다. 안전 캐패시터(예: 세라믹 또는 금속화 종이)는 접지 전위 오프셋에 의해 생성된 전류에 대한 저임피던스 경로를 제공할 수 있으므로, 이는 자유 공간으로 방사되기보다는 저유도 루프에서 시스템 전원 공급 장치로 돌아갈 것입니다. 아래에 표시된 배치는 격리된 전원 공급 장치에서 변압기와 함께 사용될 것과 동일한 배치입니다.

접지에 안전 캐패시터가 사용될 경우, 검토해야 할 세 가지 사양이 있습니다:

적당히 높은 용량
낮은 직류 누설 전류
높은 직/교류 전압 한계

이는 사용자가 장치와 상호 작용하는 영역으로 누설 전류를 최소화하여 사용자가 약간의 충격을 받을 수 있는 상황을 방지하기 위함입니다. 용량은 갈바닉으로 분리된 영역 사이의 기생 용량과 분리된 ADC 내부의 절연 간격을 통한 용량을 초과하기만 하면 됩니다. 일반적인 안전 콘덴서 값은 100V 범위의 전압 등급으로 ~1 uF를 초과하지 않습니다.

예시 분리 ADC

Texas Instruments AMC1333M10

Texas Instruments의 AMC1333M10은 최대 8 kV에 이르는 높은 절연을 제공합니다. 이 구성 요소는 내장된 클록을 통해 단일 채널에 대해 최대 39 kSps 샘플링(87 dB 동적 범위)을 제공하며, 델타-시그마 변조를 사용합니다. 출력 인터페이스는 MCU에서 타이밍을 단순화하기 위해 클록 출력과 병렬로 라우팅된 간단한 직렬 출력입니다. 이 구성 요소는 큰 전압 노출의 위험이 있지만 데이터를 샘플링하고 동기화하기 위한 복잡한 디지털 하위 시스템을 요구하지 않는 시스템에 탁월한 선택입니다.

Maxim Integrated MAX14001/MAX14002

MAX14001과 관련 제품인 MAX14002는 10 kSps의 명목 샘플링 속도를 가진 10비트 SAR 아키텍처를 사용합니다. 구성, 필터링된 데이터, 그리고 필터링되지 않은 데이터는 SPI 인터페이스를 통해 입력/출력됩니다. 이 구성 요소의 갈바닉 절연은 최대 3.75 kV RMS 전압까지 보장되므로, 이 구성 요소 또한 고전압 환경에서 사용하기에 적합합니다. 이 두 구성 요소 중 MAX14001만이 반복적인 인러시 펄스를 제한하여 비정상적인 입력 신호로 인해 연속적인 인러시 펄스의 흐름을 유발할 수 있는 과열을 방지할 수 있습니다.

분리된 ADC의 대안

분리된 ADC는 매우 유용한 구성 요소이지만, 혼합 신호 시스템에서 절연을 적용하는 데 사용할 수 있는 유일한 유형의 구성 요소는 아닙니다. 전통적으로 절연을 위해 사용되는 두 가지 다른 구성 요소는 옵토커플러와 변압기입니다. 이러한 구성 요소는 분리된 ADC가 필요 없이 두 분리된 영역 사이에 아날로그 신호를 결합하거나 ADC에서 디지털 데이터를 결합하는 데 사용될 수 있습니다.

아래 표는 아날로그 또는 디지털 신호와 함께 다양한 유형의 결합 메커니즘을 사용할 때를 요약합니다. 간단히 말해서, 변압기는 갈바닉으로 분리된 영역 사이에 디지털 데이터를 결합하는 데 사용되어서는 안 됩니다. 이유는 변압기가 디지털 신호를 펄스로 변환하기 때문인데, 변압기는 입력 신호가 전환될 때만 전자기 에너지를 결합하기 때문입니다. 따라서, 분리된 ADC 대신 디지털 데이터와 함께 결합 메커니즘을 사용해야 한다면, 옵토커플러가 선호됩니다.

옵토커플러

옵토커플러 IC는 종종 분리된 전원 공급 장치에서 출력 측에서 입력 측으로 피드백 라인을 라우팅하면서 시스템 양쪽 사이에 갈바닉 분리를 보장하는 데 사용됩니다. 옵토커플러는 디지털 또는 아날로그 신호와 함께 사용할 수 있지만, 아마도 가장 좋은 사용 사례는 아날로그 신호를 간격을 통해 비분리 ADC로 결합하는 것입니다.

옵토커플러는 아날로그 신호 대신 디지털 버스 출력을 갈바닉으로 분리된 영역을 통해 결합하는 데 사용될 수 있습니다. 그러나 이는 신호를 결합하는 데 최선의 선택이 아닐 수 있으며, 가장자리 속도와 타이밍을 변경할 수 있어 수신 구성 요소의 설정 및 유지 시간을 위반할 위험이 있습니다. 따라서, 최선의 사용법은 샘플링될 아날로그 신호와 함께 옵토커플러를 사용하는 것일 수 있습니다.

변압기

변압기는 안전 커패시터 지침을 따르는 한, 갈바닉으로 분리된 혼합 신호 시스템의 아날로그 및 디지털 측면을 연결하는 데 적합합니다. 이는 예를 들어, 고전압 환경에서 아날로그 신호가 샘플링되어야 할 때 사용됩니다. 다른 옵션은 저레벨 신호의 전압을 높여 비분리 ADC로 공급하는 것입니다.

변압기가 아날로그 신호와 함께만 사용되는 이유는 신호가 전환될 때만 갈바닉으로 분리된 측면 사이에 신호를 결합하기 때문입니다. 변압기가 디지털 측면에서 디지털 출력을 분리 간격을 통해 결합하는 데 사용되었다면, 변압기는 디지털 가장자리 속도를 펄스로 변환하여 데이터를 잃게 됩니다. 따라서, 아날로그 신호와 함께만 사용될 수 있습니다.

혼합 신호 시스템을 위한 중요 구성 요소

분리를 구현하고 정확한 저레벨 신호 측정을 제공해야 하는 혼합 신호 시스템은 분리된 ADC를 넘어서 많은 다른 구성 요소를 필요로 합니다. 이러한 구성 요소는 프로세서, 증폭기, 필터 등에 걸쳐 있습니다. DAC도 이러한 시스템에서 유용하지만, 분리된 DAC는 분리된 ADC보다 덜 흔합니다. 설계자가 포함해야 할 다른 구성 요소는 다음과 같습니다:

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