인간과 기계의 상호작용 사례 갈수록 늘어
절연기의 적절한 적용, 안전한 동작으로 인간과 기계가 상호작용하는 시대가 본격적으로 시작되면서 절연이 중요한 문제로 떠오르고 있다. 

가령 전기차(EV) 내부에선 수 킬로미터에 달하는 배선이 스위치나 센서, 고전압 모터 등을 연결한다. 공장에서는 산업용 컨트롤러가 다양한 센서들과 데이터, 명령 및 전력을 주고받는다. 병원이나 요양 시설에서는 고전압 의료 장비가 환자들을 모니터링하며, USB 인터페이스를 통해 산업용 기계를 마이크로컨트롤러로 연결한다. 그리고 고전압 릴레이는 스마트 컨트롤러로부터의 명령에 따라 동작한다.

기계식 산업용 시스템을 전기 모터, 센서 및 액추에이터로 교체하는 추세에 따라, 이러한 기계와 기계, 인간과 기계의 상호작용 사례들은 갈수록 늘어나고 있다. 

거추장스러운 기계식 스위치는 민감한 터치 제어로 교체되고 있다. 고전압에서 동작하는 전기 모터의 수가 빠르게 늘어나면서 고전압에서 동작하는 반도체 스위치가 일반화되고 있다. 이러한 모든 장치는 스마트 컨트롤러 및 드라이버와 통신하고 상호작용해야 한다. 갈수록 산업용, 자동차, 의료용 및 오프라인 애플리케이션이 증가할수록 절연 기술이 제공하는 보호, 잡음 내성 및 신뢰할 수 있는 동작의 필요성이 커진다.

신뢰할 수 있는 동작을 위해선 아이솔레이터(절연기)가 필요하며, 아이솔레이터를 적절히 적용함으로써 안전한 동작을 이룰 수 있다. 예를 들어 아이솔레이터는 강력한 산업용 모터를 구동하는 C2000 마이크로컨트롤러 같은 고전압 또는 저전압 프로세서로부터 관련 회로들을 차단함으로써 전기 충격의 위험으로부터 사람을 보호할 수 있다.

고효율, 고전압 서지에 대한 견고성을 지닌 절연 벽을 통해 수백 메가비트 이상에 달하는 데이터를 전송하는 경향이 많은 산업용 애플리케이션의 주류로 자리매김하고 있다. 또한, 게이트 드라이버 및 산업용 센서 애플리케이션에서는 절연 벽을 통해 데이터와 전력을 모두 전송할 수 있다. 채널 수가 늘어나고 채널 대 채널 절연이 요구됨에 따라 소형화된 솔루션에 대한 요구도 높아지고 있다.

그렇다면 절연이란 정확히 무엇일까? 절연 벽은 두 시스템 사이에 데이터와 전력을 신뢰하게 교환할 수 있으며 원치 않는 전류를 차단할 수 있는 물리적 매체를 말한다. 통합적인 절연 솔루션을 달성하기 위해서는 다음과 같은 사항들을 고려해야 한다.

먼저 아이솔레이터가 짧은 시간이나 정상 동작 시에 견딜 수 있는 최대 서지 전압과 동작 전압을 생각해야 한다. 그리고 아이솔레이터가 통신 오류를 일으키지 않고 견딜 수 있는 접지 전위차의 최대 변화 비율을 고사해야 한다. 또한, 절연 벽에 의해 발생하는 지연 시간, 전력 핀들 사이의 공간 거리와 연면 거리를 헤아려야 하며 전자기 간섭 수준도 고려해야 한다.
 
절연 방식에는 2가지가 있다.

먼저 커패시티브 방식이다. 

외부 커패시터를 사용하는 것이 아니라 다층 실리콘 산화막 기반 커패시터를 내부에 통합함으로써, 높은 수준의 절연을 달성하고 전기장을 통해 데이터를 전송할 수 있다. 

TI의 커패시티브 절연 기술은 같은 모듈 안에 나란히 배치된 2개의 다이에 직렬로 2개의 커패시터를 사용한다. 이러한 방식으로 고속 데이터 전송을 위해 뛰어난 강화 절연 솔루션을 제공할 수 있다. 

절연 벽의 데이터 속도는 초당 수백 메가비트 이상에 달한다. 혁신적 회로 토폴로지를 사용하면 데이터 속도를 더 높일 수 있고, 산업용 이더넷 같은 애플리케이션에 사용하기에 더 적합해진다. 

TI의 아이솔레이터 제품은 맞춤화된 CMOS 기술을 사용해 고성능 강화 절연 벽을 제공한다.

다음은 인덕티브 방식이다. 

결합 된 한 쌍의 인덕터는 2개의 회로를 절연하면서 자속(magnetic flux)을 통해 데이터를 교환하는데 사용할 수 있다. 2개의 인덕터는 라미네이트 PCB로 임베딩하거나 모노리딕으로 단일 다이로 통합될 수 있다. 

인덕티브 방식 절연의 장점은 절연 벽을 통해 수백 밀리와트 이상의 전력을 전송할 수 있다는 것이다. 그래서 이차 측에 추가 전원장치가 필요하지 않다. 고효율로 전력을 전송하고 절연 벽을 통해 데이터를 전송할 수 있다는 것은 많은 산업용 애플리케이션에 매우 중요하다. 낮은 입력 전류와 높은 최대 동작 주변 온도를 가능하게 하기 때문이다.

TI의 전원 기술을 통합한 디지털 아이솔레이터 제품은 혁신적인 소재와 인덕터 설계를 사용해 최대의 전력 전송 효율을 제공한다.

흔히 커패시티브 및 인덕티브 절연에 데이터 및 전원 컨디셔닝을 결합한다. 데이터 컨디셔닝은 트랜션트 스파이크가 데이터로 나타날 수 있는 위험성을 최소화하므로, 절연을 통해 신호를 보호하고 장비의 작동을 매끄럽게 할 수 있다. 전원 컨디셔닝은 전력 전송 효율을 극대화한다.

절연은 광학적 또는 전자기 파장을 사용해 통신하면서, 2개의 시스템을 물리적으로 분리해 달성할 수도 있다.

어느 한 절연 솔루션이 모든 요구사항을 충족할 수는 없다. 대부분 산업용 솔루션은 절연형 증폭기, RS-485 신호 같은 절연형 고속 데이터 링크, 절연형 게이트 드라이버 등을 포함한 통합적인 솔루션이 필요하다. 사람과 기계가 갈수록 더욱 협력하고 협업함에 따라, 고전압 솔루션은 시스템을 견고하고 신뢰하게 작동하도록 한다.

본 기사는 텍사스 인스트루먼트의 아마드 바하이 최고기술책임자의 글을 정리한 것입니다.