액추에이터 아날로그 모듈, 견고하고 정밀해야
ADI AD5423 DAC 및 ADG5401F 스위치 조합,
열악한 산업 공정 애플리케이션 요구 사항 충족


산업 현장에서 압력, 온도, 유량 같은 공정 파라미터를 관리하기 위해서는 정밀한 액추에이터 제어가 필요하다. 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 분산 제어 시스템(DCS) 같은 정밀 아날로그 출력 모듈을 사용하면 액추에이터를 제어하기 위한 전압 및 전류 출력을 만들 수 있다.

이때 사용하는 아날로그 출력 모듈은 열악한 산업 환경에서 견딜 수 있고, 신뢰할 수준의 정밀한 출력을 제공해야 한다. 아나로그디바이스(ADI)의 △AD5423 단일 채널 16bit I/V 출력 DAC와 △ADG5401F 과전압 보호 SPST 스위치를 사용하면 이러한 요구를 충족할 수 있다.


정밀성
AD5423의 가장 큰 특징은 정밀도다. TUE가 25℃에서 ±0.01% 정도로 낮으며(전체 온도 평균으론 ±0.05%), 정격 출력 드리프트는 0.35ppm FSR/℃이다. 전류 출력 모드에서도 TUE는 마찬가지로 25℃에서 ±0.01%이고, 정격 출력 드리프트는 2ppm FSR/℃이다. 차동 비선형성(DNL)은 모든 출력 모드에서 ±1 LSB이고 단조성(monotonic)을 보장한다.

ADG5401F는 온저항(R_ON) 사양이 6Ω이고, 내부에 이차 피드백 채널을 포함하고 있으며, 이 채널을 사용해서 채널 I_OUT/V_OUT을 AD5423의 +V_SENSE 입력으로 연결한다. 이로써 ADG5401F의 온저항 변동으로 인한 모든 오차를 제거할 수 있다. 온도 범위에서 ADG5401F의 최대 온(on) 누설은 40nA다. 이 누설은 16bit 4mA~20mA 전류 출력 DAC 상에서 1 LSB 미만이기 때문에 출력 신호 체인에서 정밀도를 유지하고 동적 범위를 극대화한다.


견고성
ADG5401F는 AD5423의 아날로그 출력에 사용되어, 전원을 켠 상태와 전원을 켜지 않은 두 가지 상태 모두에서 과전압 조건에 대한 보호 기능을 제공한다. 소스(S), 소스 피드백(SFB) 핀에서 ±60V에 이르는 과전압을 견딜 수 있어 시스템 전원 중단, 배선 실수, 전원 시퀀싱 문제 등으로 정밀 아날로그 출력 노드들이 손상되는 것을 방지한다. 

ADG5401F의 전원 전압은 과전압 결함 임계를 설정한다. 따라서 S 또는 SFB 핀 상의 전압이 ADG5401F 전원 전압보다 높으면, 이를 결함으로 감지하고 메인 스위치 채널과 이차 피드백 채널을 자동으로 개방한다. 장애가 발생하는 동안에는 이들 스위치 채널들이 개방되어서 어떠한 높은 결함 전류가 DAC 출력이나 시스템 전원으로 흐르는 것을 막는다. 

과전압 이벤트 시에 높은 결함 전류가 흐르지 않으므로, 결함 시에 전력 소모로 인한 문제를 일으키지 않는다. 따라서 시스템 전원을 설계할 때의 수고를 줄일 수 있다. ADG5401F를 사용하면 출력 신호 경로에서 전류 제한 저항을 없앨 수 있다. 다만 일부 애플리케이션에서는 이들 저항이 헤드룸 이슈를 일으킬 수 있다.

ADG5401F는 개방 루프 방지 스위치를 포함한다. V_OUT/I_OUT 노드로 최대 ±60V에 이르는 과전압 신호가 가해지면, ADG5401F가 과전압 보호 모드를 실행함으로써 메인 채널과 이차 피드백 채널 스위치가 개방된다. 이와 동시에 D와 DFB 사이에 연결된 내부 개방 루프 방지 스위치가 닫힌다. 이 개방 루프 방지 스위치가 DAC 출력 피드백 루프를 손상되지 않도록 보호하고 DAC가 출력을 레일에 이르기까지 구동하지 못하도록 방지한다.

IEC 61000-4-2 ESD, IEC 61000-4-4 전기적 고속 트랜지언트(EFT), IEC 61000-4-5 서지 같은 고전압 트랜지언트로부터의 보호를 위해서는 디스크리트 저항과 트랜지언트 전압 억제(TVS) 디바이스를 사용해서 위처럼 회로를 구현해야 한다. 이 저항이 시스템 출력에 오차를 추가하지 않도록 하기 위해서는 시스템의 피드백 루프 안에 들어가도록 배치하면 된다.

진단
AD5423은 12bit 내부 진단 ADC를 포함하고 있으며 전원, 접지, 내부 다이 온도, 레퍼런스 같은 사용자 선택 가능 입력들에 대한 진단 정보를 제공한다. 온보드 진단 레지스터는 다양한 결함 상황을 지시하는 플래그를 포함하고 있으며, 결함이 발생하면 FAULT 핀을 트리거한다. 

전압 출력 모드에서는 단락 회로 검출을 모니터링하고, 전류 출력 모드에서는 개방 회로 검출을 모니터링한다. 또한 CRC(cyclic redundancy check) 기능도 제공한다. 수신된 데이터를 검사해서 전류 데이터 패키지가 적절하지 않은 것으로 판단되면 FAULT 핀을 트리거하는 기능이다. 온도 모니터링도 할 수 있는데, 다이 온도가 지정된 한계를 넘으면 결함을 선언한다.

맺음
AD5423 DAC와 ADG5401F 스위치를 함께 사용함으로써, 산업 공정 애플리케이션에서 요구되는 정밀도와 견고성을 달성할 수 있다. AD5423의 16비트 I/V 출력은 최신 아날로그 출력 모듈에 필요로 하는 정밀한 제어 신호를 제공하고, ADG5401F는 열악한 환경에서도 정밀도를 유지하고 외부 스트레스에 대한 견고한 보호 기능을 제공한다.



이 기사는 아나로그디바이스(ADI)의 데이비드 포드(David Forde) 애플리케이션 엔지니어, 클레어 크로크(Claire Croke) 마케팅 엔지니어, 진 맥애덤(Jean McAdam) 전략 마케팅 매니저가 공동 저술한 '공정 제어에서 아날로그 출력에 견고성과 보호기능을 지원하는 정밀 솔루션(Precision Solutions with Protection and Robustness for Analog Outputs in Process Control)'이란 제목의 글을 정리한 것입니다.