옵토 아이솔레이터 또는 광학 아이솔레이터라고도 불리는 옵토커플러는 시스템 신호를 위한 갈바닉 절연을 찾고 있는 설계자들이 오래 전부터 선택할 수 있는 옵션 중 하나였다.

이러한 반도체 장치는 1970년대에 산업용 및 차량용 완제품을 위한 안전 절연을 제공하는 데 중요한 역할을 해왔다.

하지만 상당한 발전이 이루어졌음에도 불구하고 전기적 특성, 고전압 안정성 및 통합 기능의 향상에 한계를 보이며 설계자들은 다른 대안을 모색해야 했다.

정전식 및 자기 절연과 같은 기술은 옵토커플러보다 나은 전체 성능을 제공하며 대안으로 부상했다.

TI는 2000년대 초부터 이산화규소(SiO2) 기반 디지털 절연 기술에 투자해 왔으며, 옵토커플러와 동일한 기능은 물론, 몇 가지 뛰어난 장점을 추가로 가지고 있는 디지털 아이솔레이터 제품을 제공하고 있다.

■ 격차 해소 : 옵토에뮬레이터 소개

TI의 옵토에뮬레이터는 기존 옵토커플러와 TI의 SiO2 기반 절연 기술의 이점을 한 데 합쳤다.

옵토에뮬레이터는 업계에서 가장 인기 있는 옵토커플러와 핀투핀으로 호환 가능하여 기존 설계에 원활하게 통합하면서 등가 신호 동작을 제공할 수 있다.

이 제품들은 설계 엔지니어의 관점에서 옵토커플러와 동일하게 나타나고 작동하지만, 절연 장벽에 TI의 SiO2 기술을 활용한다는 점에서 다르다.

고전압 신호를 효과적으로 차단하고 접지 루프를 방지하는 장벽을 통해 시스템 안전성 및 안정성을 보장할 수 있으며, 향상된 전기적 특성, 고전압 안정성 향상, 추가 시스템 기능 통합 가능성을 포함한 SiO2 절연의 이점을 활용할 수 있다.

TI는 이러한 반도체 제품을 통해 설계 엔지니어들이 디지털/아날로그에서 최대한의 성능을 낼 수 있는 설계를 구현하는 데 도움을 주고자 한다.

기존의 옵토커플러는 LED를 사용하여 반대쪽의 신호를 감지하는 절연 장벽 전체에 걸쳐 디지털 또는 아날로그 정보를 전송한다.(그림 1  참조)

옵토커플러에 사용되는 LED가 수명 전체에 걸쳐 노화 또는 저하 효과를 가지고 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. LED의 이러한 특성은 시스템 설계자들에게 상당한 골칫거리이며, 가장 많이 접하는 고충 중 하나다.

또한 옵토커플러에 사용되는 절연 물질은 공기에서 에폭시 또는 몰드 컴파운드에 이르기까지 다양하다.

표 1은 SiO2 유전체를 사용하는 옵토커플러와 옵토에뮬레이터의 절연 강도의 차이를 명확히 보여준다.
   

TI의 SiO2 기반 절연 장벽을 사용하는 옵토 에뮬레이터를 적용하면 옵토커플러에서 발생하는 이러한 두가지 문제를 방지할 수 있다.

그림 2는 전송 및 수신 회로에서 기존 옵토커플러의 기능 동작을 에뮬레이션하고 SiO2 가 고전압 절연을 제공하는 TI 옵토 에뮬레이터의 내부 구조를 보여준다.
 

■ 옵토에뮬레이터의 장점

옵토에뮬레이터는 첨단 절연 기술을 통합함으로써 기존 옵토커플러와 관련된 제한을 극복할 수 있어 탁월한 성능과 안정성을 구현한다.

아래는 옵토에뮬레이터의 대표적인 장점들이다.

- 낮은 전력 소비 : 기존의 옵토커플러는 LED의 불가피한 노후화 효과를 보상하기 위해 선제적인 과잉설계가 필요하므로 설계 수명 전체에 걸쳐 추가적인 순방향 전류(IF)가 필요하다. TI의 옵토에뮬레이터는 훨씬 낮은 IF 및 공급 전류를 제공하여 전력 소비를 최대 80%까지 줄일 수 있다.

- 향상된 공통 모드 과도 내성(CMTI) : 일반적인 디지털 옵토커플러는 CMTI가 약 15kV/μs에 이르지만, ISOM8710은 최소 CMTI가 125kV/μs로, 매우 높은 공통 모드 스위칭 잡음이나 높은 링잉 잡음을 가진 애플리케이션에 사용할 수 있다.

- 안정적이고 정밀한 전류 전달비(CTR) : 더 이상 엄격한 CTR 범위를 위해 추가 비용을 지불해야 할 필요가 없다. ISOM8110 같은 TI 옵토에뮬레이터는 온도에 따라 안정적인 다양한 엄격한 CTR 범위를 표준으로 제공한다.

- 빠른 데이터 속도 : 일반적인 고속 옵토커플러는 1Mbps에서 최대 10Mbps의 데이터 속도를 지원하며, ISOM8710은 25Mbps를 지원한다. 이러한 지원을 통해 처리량을 높이고 다양한 고속 애플리케이션에서 옵토에뮬레이터를 사용할 수 있다.

- 대역폭 : ISOM8110은 680kHz의 높은 대역폭을 지원하여 필수 자기 부품(인덕터 및 변압기)의 크기를 줄일 수 있다. 대역폭이 넓을 경우 2차측 조정 플라이백 컨버터에 대한 과도 응답을 개선할 수 있다. 과도 응답 개선을 통해 출력 커패시터의 크기를 줄여 높은 스위칭 주파수 질화 갈륨 설계 같은 경우에서 보드 공간을 확보하고 전체 시스템 비용을 절감할 수 있다.

- 넓은 온도 범위 : 일반적인 옵토커플러는 0°C∼+85°C의 온도 범위를 지원한다. 일부 옵토커플러는 더 넓은 온도 범위를 지원하지만, 이 기능은 추가 비용으로 제공된다. TI 옵토에뮬레이터는 표준 솔루션으로 -55°C∼+125°C의 온도 범위를 지원하며, 2024년에는 더 많은 차량용 등급 디바이스가 출시될 예정이다.

- 안정적인 절연 : 옵토 에뮬레이터는 향상된 고전압 기능을 가지고 있어 안정적인 절연을 요구하는 애플리케이션에 적합하다. TI 옵토에뮬레이터는 SiO2를 활용하는 절연 장벽으로 500V/μm의 절연을 제공한다. 이는 시중의 많은 옵토커플러에 사용되는 공기(1V/μm)보다 훨씬 더 강력하다.

■ 결론

옵토에뮬레이터는 옵토커플러와 SiO2 기반 절연의 장점을 결합하며 신호 절연 기술의 획기적인 발전을 보여준다.

이러한 디바이스를 사용하면 최신 시스템의 요구 사항을 충족할 수 있어 향상된 성능, 안정성 및 안전성을 보장할 수 있다.

옵토에뮬레이터를 활용하면 설계를 최적화하고 절연 기술의 새로운 지평을 열 수 있다.

※ 참고자료
TI 백서 ‘높은 신뢰도와 합리적인 가격대의 절연 기술 개발과 관련한 고전압 설계 문제의 해결’
TI 애플리케이션 노트 ‘옵토에뮬레이터 소개’