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스마트 계량기 애플리케이션 용으로 전압 감시기 요구사항


머리말

전력망이 갈수록 지능화함에 따라서 복잡한 전자 디자인이 필요하게 되었다. 장기적인 시스템 신뢰성 또한 중요한 문제이다. 스마트 전기 계량기는 부정확한 측정이나 시스템 결함이 발생되지 않도록 다양한 시스템 전압을 정확하게 모니터링해야 한다.

그림 1은 전자식 계량기 애플리케이션을 구성하는 다양한 블록들을 보여주는 것으로서, 이들 블록들이 결합적으로 작동해서 전기 소비량을 정확하게 측정할 수 있다.

Description:
그림 1: 전자식 계량기 시스템 블록 다이어그램

이 글에서는 위의 그림에서 빨간색으로 표시된 DC/DC 전원 블록, 도량형 블록, 애플리케이션 블록에 대해서 설명하고, 전원 전압 감시기/워치도그 타이머 서브시스템의 중요성에 대해서 설명한다. 전기 소비량을 모니터링하기 위한 시스템을 정확하고, 크기가 작고, 신뢰할 수 있게 설계해야 한다.

DC/DC 전원 서브시스템 요구사항: 넓은 VIN과 낮은 IQ

전자식 계량기는 메인 AC 전원으로부터 12V~24V를 받아서 3.3V 또는 5V DC 전압으로 변환한 후에 시스템의 나머지 부분으로 공급한다. 시스템이 적절히 작동하도록 하기 위해서 전압 감시기가 메인 전원과 모든 전원 레일이 적절한 수준인지 확인한다. 이 블록의 전압이 정해진 범위를 벗어나거나 중단되면 전압 모니터링 솔루션이 결함을 선언해서 시스템의 나머지 부분이 적절히 셧다운하도록 해야 한다.

메인 전원이 충분한 전력을 제공하지 못하면, 스위치가 백업 배터리나 수퍼커패시터를 시스템으로 연결해서 일시적으로 필요한 전력을 제공할 수 있다. 일반적으로 백업 전원을 사용하는 시스템에서는 이러한 중대한 상황에서 전력을 조금이라도 절약할 수 있는 것이 유리하다. 그럴수록 저장된 전력으로 더 오래 버틸 수 있기 때문이다. DC/DC 전원 블록은 높게는 24V부터 백업 전원으로 작동할 때 낮은 전력까지 모니터링하기 위해서 넓은 VIN을 지원하는 전압 감시기를 필요로 한다.

도량형 블록과 애플리케이션 블록의 요구사항: 높은 정확도와 프로그램 가능한 지연시간

도량형 블록은 센서를 통해서 외부 세상으로 연결하고, 전기 소비량을 정확하게 측정하는 임무를 맡는다. 이렇게 측정된 것을 마이크로컨트롤러(MCU)로 보내서 처리한다. 애플리케이션 블록의 또 다른 MCU는 데이터를 형식화 및 저장하고 정보를 표시한다. 이 블록은 또 전체적인 시스템을 모니터링하고 시스템과 데이터 출력 사이에 메인 인터페이스로서 역할을 한다.

신뢰하고 일관된 측정을 달성하기 위해서는 MCU로 전원을 공급하는 전압 레일과 MCU 동작을 정확하게 모니터링하는 것이 중요하다. MCU가 적절히 동작하지 않으면 전압 감시기나 워치도그 타이머가 결함을 선언해서 다른 문제들이 발생되지 않도록 한다. 전압을 모니터링할 때는, 특히 정확하고 견고하고 신뢰하게 측정을 해야 하는 시스템의 경우에, 시스템이 적절히 동작하지 않는다는 것을 빠르고 정확하게 알기 위해서 전압 모니터링 정확도가 중요하다.

또한 MCU와 다수의 주변장치를 사용하는 경우에 시퀀싱을 위해서 스타트업 지연시간을 프로그램할 수 있어야 한다. 이것은 MCU나 여타 주변장치들로 부트를 할 시간을 주어서 시스템이 정상적인 작동을 시작할 수 있도록 하기 위해서 중요하다. 또 결함 조건이 발생되었을 때 MCU나 주변장치들로 리셋 지연시간이 필요할 수 있다. 이러한 경우에 프로그램 가능한 지연시간을 사용해서 유연성을 높일 수 있다.

설계 요구사항

그림 1에서 설명한 세 블록 모두 넓은 VIN, 낮은 전력, 높은 정확도, 프로그래머블 지연시간을 지원하는 전압 감시기를 필요로 한다. 바로 그러한 제품이 TPS3840이다. TPS3840은 단일 디바이스로 열거한 요구사항을 모두 충족한다.

TPS3840은 24V 혹은 외부적 저항을 사용해서 그보다 높은 전압까지 넓은 입력 전압 범위를 지원하므로 고전압과 저전압 레일을 모두 모니터링할 수 있으며, 1% 정격 전압 모니터링 정확도를 제공하고, 350nA만을 소모하며, 지연시간을 프로그램 가능하다. 또한 TPS3840은 MCU의 내부적인 아날로그-디지털 컨버터 모니터링만으로는 달성할 수 없는 우수한 정확도와 유연성을 제공한다. MCU의 내부적 ADC 모니터링과 비교해서 TPS3840은 전압 모니터링 임계값 설정이 훨씬 유연하고, 파워 온 리셋 전압이 낮고, 스타트업 지연시간이 빠르다.

파워 온 리셋은 출력이 구축되기 앞서 최소 입력 전압으로서, 오작동이나 성급한 시스템 스타트업을 발생시킬 수 있는 글리치를 방지하기 위해서 중요하다. TPS3840의 스타트업 지연시간은 단 220ms으로서, 그러므로 시스템의 나머지 부분이 파워업하기 전에 TPS3840이 전압 모니터링을 시작할 수 있다. 전압 감시기가 계량기 내부 장치들로 전력을 공급하기 위한 전압 레일들을 지속적으로 모니터링해서 시스템이 적절히 작동하는지 확인한다.

도량형 블록과 애플리케이션 블록의 외부적 워치도그 타이머는 MCU의 범용 입력/출력 핀으로부터 전송된 펄스를 검출해서 MCU가 래치나 글리치를 일으키지 않는지 확인한다. 소프트웨어 오류가 발생되거나 펄스가 감지되지 않으면 외부적 워치도그 타이머가 MCU를 리셋한다.

TPS3430 프로그래머블 워치도그 타이머 제품은 워치도그 타임아웃과 워치도그 리셋 지연시간을 프로그램 가능하므로 어떤 MCU의 타이밍 요구이든 유연하게 충족할 수 있다. 전압 감시기와 워치도그 기능을 모두 필요로 하는 경우에도 TI는 이러한 용도로 다양한 디바이스 제품을 제공한다. 이에 관해서는 Supervisor + Watchdog Timer 탭의 “전압 감시기 퀵 레퍼런스 가이드” 참조.

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