기술원고

스마트 팩토리의 전원관리 ①


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글/맥심 인터그레이티드 코리아 기술사업부


동향
인더스트리 4.0은 제조 기술에서 이루어지고 있는 자동화와 디지털화를 일컫는다. 인더스트리 4.0이 지속되면서 스마트 팩토리가 점점 더 현실화되고 있다. 스마트 팩토리는 전자 장비를 통해 데이터를 수집·분석하고, 조치를 취한다. 이러한 제조 업계의 기술 및 현장의 변화를 산업용 IoT (IIoT, Industrial Internet of Things)라고도 한다. IIoT를 통해 효율성을 높일 수 있으며 더 나아가 수익성을 제고할 수 있다. IIoT를 도입하기 위해서는 에너지 효율, 솔루션 크기, 시스템 안전성과 신뢰성 같은 과제들이 생겨난다. 이 자료에서는 인더스트리 4.0의 동향과 과제들을 살펴보고 여러 사례에 사용된 새로운 전원 관리 솔루션들을 소개할 예정이다.

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[그림 1] 인더스트리 4.0의 자동화와 디지털화

이러한 설비 운영으로 생산성을 높이고, 가동 중단을 최소화할 수 있다. 또한 장비 결함 징후를 미리 감지하여 예방적 유지보수가 가능하며, 표준화를 높이고, 제조 유연성과 보안성을 높일 수 있다. 실제 구현 사례로 GE의 Predix™ 산업용 플랫폼과 Siemens의 Mindsphere™ 운영 시스템을 들 수 있다. 이러한 시스템을 구현함으로써 시스템 고객의 요구를 즉시 생산에 반영하고, 원자재 관리를 최적화하고, 유지보수를 합리화할 수 있으며, 공장 가동에 대한 가시성을 높일 수 있었다.

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[그림 2] 산업용 인터넷 - 장비와 센서의 네트워킹

시스템 크기가 축소됨에 따라서 고도로 모듈화된 제조 라인이 가능하게 되었다. 네트워크로 연결된 다수의 로봇이 조립 라인 상에서 질서정연하게 작업을 처리하는 것을 생각해 보라(그림 3). 똑같은 로봇들이 줄지어 임무를 수행하게 함으로써 어느 한 로봇에 문제가 발생되면 즉시 인근의 로봇이 넘겨받도록 할 수 있다. 또한 지능화를 높임으로써 각각의 로봇이 수행하는 업무를 최적화하고 처리 속도를 높일 수 있다.

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[그림 3] 로봇을 사용한 조립 라인

인공 지능(AI)은 사람의 지능을 필요로 하는 복잡한 일을 컴퓨터가 대신하게 하는 것이다. 공장 자동화 장비와 더불어 인공 지능이 스마트 팩토리의 중요한 요소이다. 소프트웨어와 머신 러닝을 활용한 프로세스 자동화를 통해서 실시간으로 병목 지점을 파악하고 문제를 해결할 수 있다(IBM의 Node-RED, Preferred Networks, Siemens의 Mindsphere, GE의 Brilliant Manufacturing Suite 등). 스마트 팩토리의 또 다른 중요 요소는 증강 현실(AR)이다. 증강 현실은 사용자가 보는 실제 세상 위에 컴퓨터에 의해 생성된 이미지를 합성해서 보여주는 것이다. 그럼으로써 안전성, 생산 공정, 유지보수를 향상시킬 수 있다. 이러한 사례로는 ESI IC.IDO, Oculus Rift™, HTC Vive™, DAQRI Smart Helmet™, Microsoft Hololens™, Google Glass™ 같은 것을 들 수 있다.

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[그림 4] AR 가능 휴대용 태블릿을 활용한 유지보수 서비스

토대 기술
이러한 지능, 네트워킹, 제어가 가능하게 된 것은 센싱, 커넥티비티, 프로세싱, 클라우드 컴퓨팅이 비약적으로 발전했기 때문이다. 공장에서는 컨트롤러, 센서, I/O, 엑추에이터가 사용된다. 컨트롤러로는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 모터/모션 컨트롤러, (첨단 프로세서와 마이크로컨트롤러를 사용한)분산 제어 시스템(DCS)을 들 수 있다. 센서는 디지털 센서와 아날로그 센서가 있으며 근접 거리, 영상, 무게, 온도 같은 것들을 측정할 수 있다. 엑추에이터는 로봇, 밸브, 모터, 컴퓨터화 수치 제어(CNC), 컨택터, 여타 회전 장치 같은 것들을 포함한다. 입/출력(I/O)은 디지털과 아날로그가 있으며, 센서와 엑추에이터를 컨트롤러로 연결하기 위한 범용 I/O일 수도 있다.
그림 5는 PLC를 보여준다. PLC는 단일 제조 프로세스를 모니터링 및 제어할 수 있는 산업용 컴퓨터를 말한다. 하나의 PLC는 프로세서, I/O 모듈, 메모리/프로그래밍, 전원 장치를 포함한다. PLC와 다른 제어 시스템은 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 같은 소프트웨어 패키지에 의해서 운영된다. SCADA는 다중의 인터페이스와 주변장치들을 모니터링하고 제어할 수 있는 컴퓨터 시스템이다.

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[그림 5] PLC 시스템

PLC는 센서로부터 입력을 수신하고, 이것을 처리하고, 해당 엑추에이터를 구동한다. 오늘날 센서, I/O, 엑추에이터는 내부적으로 프로세서를 포함함으로써 컨트롤러로를 거치지 않고서도 자체적으로 간단한 처리를 할 수 있다. 그럼으로써 처리 속도를 높일 수 있다. 또한 모든 장비에서 생성된 데이터를 클라우드로 연결함으로써 첨단 AI를 사용해서 실시간으로 분석을 하고 어떤 조치를 취할지 판단할 수 있다.
과제
스마트 팩토리 내 지능적인 커넥티드 장비가 폭발적으로 증가함으로써 모든 컨트롤러, 센서, I/O, 엑추에이터로 무수히 많은 프로세서와 커넥티비티 인터페이스가 필요하게 되었다. 이것은 다시 시스템 하드웨어로 새로운 과제들을 제기한다.
추가된 기능들을 동일한 크기로 구현하려면 부품 크기를 줄여야 한다. 낮은 열 예산(thermal budget)으로 일을 수행하기 위해서 에너지 효율을 높여야 하고, 가동 중단을 줄이기 위해서 전기/기계적 안전성과 신뢰성을 높여야 한다. 이것을 요약하면 다음과 같다:
1. 에너지 효율 향상
2. 솔루션 크기 축소
3. 안전성과 신뢰성 향상
이러한 요구들에 대한 해결책이 될 수 있는 것이 바로 전원 관리이다. 그러면 왜 그런지 사례 분석을 통해서 알아보자.
과제 1: 에너지 효율 향상
사례 분석 : +24V 산업 자동화 시스템에 90% 이상 효율을 달성하는 20W~30W 전원장치 설계
PCB 크기가 점점 더 소형화됨에 따라서 열 발생이 중요한 문제가 되고 있다. 보드 공간이 중요한 경우에는 열 제어 수단으로 히트싱크를 사용하는 것을 생각할 수 없다. 강제 송풍을 위한 팬 역시도 먼지나 오염을 방지하기 위한 밀봉 인클로저에는 사용될 수 없다. 그러므로 전원장치 솔루션을 지극히 효율적이도록 설계해야 하며, 더 높은 전력을 제공하면서도 차지하는 면적을 어느 때보다 더 작게 만들어야 한다.

전력 소모 문제
산업용 애플리케이션은 24V 공칭 DC 전압 버스를 특징으로 한다. 이것은 예전의 아날로그 릴레이로부터 비롯된 것인데 지금도 사실상의 업계 표준으로 사용되고 있다. 그런데 산업용 애플리케이션의 최대 동작 전압은 중요도가 높지 않은 장비는 36V부터 40V까지 될 수 있으며, 컨트롤러, 엑추에이터, 안전성 모듈 같은 중요한 장비는 60V를 견딜 수 있어야 한다.
(IEC 6131-2, 60664-1, 61508 SIL 표준). 주로 사용되는 출력 전압은 3.3V 및 5V이고, 전류는 소형 센서의 경우에 10mA부터 모션 제어, CNC, PLC 애플리케이션은 수십 암페어까지 이를 수 있다. 그러므로 산업용 제어 애플리케이션에는 스텝다운(벅) 전압 레귤레이터가 필요하다.
가장 널리 사용되는 스텝다운 아키텍처는 비동기 벅 컨버터이다. 이것은 반도체 업체들이 고전압 용으로 비동기 벅 레귤레이터를 설계하기가 쉽기 때문이다. 이 아키텍처에서는 하측 정류기 다이오드가 IC 외부에 존재한다.
24V 입력이고 5V 출력인 경우에 벅 컨버터는 약 20% 듀티 이클로 동작한다. 이것은 내부 상측 트랜지스터(그림 6에서 T)가 20%의 시간 동안만 도통 한다는 뜻이다. 나머지 80%의 시간에는 외부 정류기 다이오드(D)로 흐르게 되는데, 이것이 전력 소모에 있어서 상당한 비중을 차지한다.

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[그림 6] 비동기 벅 컨버터

예를 들어서 4A 부하라고 했을 때 B560C 같은 쇼트키 정류 다이오드는 약 0.64V의 전압 강하를 나타낸다. 이 때 80% 듀티 사이클로 전도 손실이 (0.64V) x (4A) x (0.80) = 2W에 이른다.
이와 달리, 동기 아키텍처를 사용하면(그림 7) 다이오드 대신에 하측 MOSFET이 동기 정류기 역할을 한다. 그러면 다이오드 상의 0.64V 강하가 MOSFET 트랜지스터 T2의 온 저항 RDS(ON) 강하로 대체된다.

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[그림 7] 동기 벅 컨버터

이 예의 경우에 MOSFET(RJK0651DPB)의 RDS(ON)은 11mΩ에 불과하다. 그러면 (11mΩ) x (4A) = 44mV의 전압 강하에 해당되며, 전력 손실은 (0.044V) x (4A) x (0.80) = 141mW에 불과하다. 최대 부하로 MOSFET의 전력 손실이 쇼트키의 전력 손실보다 대략 14배나 더 적은 것이다. 그러므로 동기 정류를 사용하는 것이 전력 소모를 최소화할 수 있는 확실한 방법이라는 것을 알 수 있다.
전원장치 회로의 전체적인 크기를 최소화하려면 동기 정류기 IC에 내부 보상 회로를 포함해야 한다. 새로 나오는 동기 정류기 제품들은 어떤 주파수 및 출력 전압으로나 내부 보상을 할 수 있으므로 대역폭을 제한하는 과도한 크기의 출력 커패시터를 필요로 하지 않는다. 또 정류기를 높은 주파수로 작동할 수 있어야 한다. 그래야 작은 크기의 인덕터와 커패시터를 사용할 수 있다.
그러므로 궁극적으로는 그림 8에서 보는 것처럼 전체적인 동기 정류 하프 브리지(T1과 T2)를 IC 내부로 통합하는 것이 바람직하다.

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[그림 8] 완벽하게 통합적인 동기 벅 컨버터

최대 입력 전압과 관련해서 주의할 점
공장 애플리케이션은 공칭 레일이 24V이기는 하나, 최대 동작 전압을 신중하게 고려해야 한다. 오늘날 시장에는 28V, 36V, 42V, 60V 입력이 가능한 전원 관리 솔루션들이 나와 있으므로 이 중에서 선택할 수 있다. 28V는 24V에 너무 가깝고, 4V 마진 밖에 없으므로 충분한 마진이 필요할 때는 부족하다. 많은 표준이 60V를 허용할 수 있도록 요구하기 때문에 이럴 때는 선택의 여지가 없다. 많은 디자이너들이 36V 최대 입력 디바이스를 선택하고 싶을 것이다. 하지만 36V 입력을 사용하면 24V 레일로 동작하는 센서와 인코더에 위험할 수 있다. 서지(surge) 보호를 위해서 TVS 다이오드를 사용하더라도 변동 폭이 클 수 있고 과도한 전압에 노출될 수 있기 때문이다. 긴 케이블이나 PCB 트레이스로 인한 모든 가능한 시나리오를 모델링하고 충분히 파악하지 않는 한은, 표준의 요구가 없더라도 42V 또는 60V로 동작할 수 있는 제품을 선택하는 것이 좋다.

고민이 필요 없는 솔루션
Maxim의 히말라야 고전압 벅 컨버터 제품군은 동기 정류를 채택함으로써 높은 효율을 달성한다. 히말라야 레귤레이터 제품은 최대 60V 입력 전압과 25mA부터 50A까지 출력 전류, 그리고 듀얼 MOSFET이 내장되어 최대 3.5A 부하를 지원해야 하는 장비에 적합하다. 또한 히말라야 벅 컨버터는 ‘쇼트키는 이제 안녕(Bye-Bye Schottky)’이라고 하는 슬로건 하에 내부 보정을 포함함으로써 위에서 열거한 단점들을 피할 수 있다.
그림 9는 MAX17503을 사용해서 2.5A 5V 출력을 제공하도록 구성한 것을 보여준다.

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[그림 9] MAX17503을 사용한 24VIN/5VOUT, 2.5A 동기 정류 벅 컨버터 회로 예

그림 10은 MAX17503과 경쟁사 동기 솔루션의 효율을 비교해서 보여준다. MAX17503의 효율이5% 더 우수하다는 것을 알 수 있다.

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[그림 10] MAX17503과 경쟁사 동기 벅 컨버터 제품의 효율 비교

더 높은 전류가 필요할 때는 MAX17506 동기 정류 벅 컨버터를 사용할 수 있다. 그림 11은 MAX17506을 사용한 5V, 4A, 20W 솔루션을 보여준다.

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[그림 11] MAX17506을 사용한 24VIN/5VOUT, 4A 동기 정류 벅 컨버터 회로 예

그림 12는 MAX17506과 비동기 솔루션의 효율을 비교하고 있다. 테스트 조건은 24V 입력에 5V, 4A 출력이다. 예상대로 전체적인 부하 전류 범위에 걸쳐서 동기 솔루션의 효율이 더 우수하다는 것을 알 수 있다. 최대 부하(4A)일 때 동기 솔루션의 효율은 92% 이상인데 비해서, 비동기 솔루션은 약 86%에 그치고 있다. 그러므로 효율 차이가 6% 이상이다.

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[그림 12] MAX17506과 비동기 벅 컨버터의 효율 비교

MAX17506 동기 솔루션이 효율 측면에서 훨씬 유리하다는 것을 알 수 있다. 그러므로 산업용 애플리케이션에서 열 관리 문제를 완화한다. 업계 최초의 60V 동기 벅 레귤레이터 제품을 포함하는 Maxim의 히말라야 제품군은 높은 효율과 작은 크기로 각종 애플리케이션의 다양한 요구를 충족한다.

사례 분석: 전원 모듈을 사용함으로써 개발 시간 단축
히말라야 전압 레귤레이터 IC를 기반으로 한 히말라야 전원 모듈 제품을 사용하면 더 낮은 온도로 동작하고, 크기가 더 작고, 더 간소화된 전원 장치 솔루션을 설계할 수 있다. MAXM17504(그림 13)는 사용하기 편리한 스텝다운 전원 모듈 제품으로서 두께가 얇은 열 향상 시스템-인-패키지(SiP)로 스위칭 전원 컨트롤러, 듀얼 n-채널 MOSFET 전력 스위치, 완벽하게 차폐된 인덕터, 보정 회로를 통합하였다.
MAXM17504는 4.5V~60V의 넓은 입력 전압 범위로 동작하고 우수한 라인 및 부하 레귤레이션으로 0.9V~12V 출력 전압 범위로 최대 3.5A의 연속 출력 전류를 제공할 수 있다. 전체적인 전원 솔루션을 완성하기 위해서 5개의 외부 소자만을 필요로 한다. 또 이 제품은 높은 수준의 기능 통합으로 신뢰성을 크게 높이고, 설계 복잡성을 줄이고, 제조 위험성을 낮추고, 진정한 플러그-앤-플레이가 가능한 전원 솔루션을 제공한다. 그러므로 개발 시간을 단축할 수 있다. 또한 이 제품은 펄스 폭 변조(PWM), 펄스 주파수 변조(PFM), 불연속 전도 모드(DC)로 동작할 수 있다. MAXM17504는 열 배출이 뛰어난 29핀 로우프로파일 9mm x 15mm x 2.8mm SiP 패키지로 제공되므로, 전력 소모를 줄이고 효율을 향상시킨다. 또한 이 패키지는 PCB로 손쉽게 솔더링할 수 있으며 자동화된 회로 보드 어셈블리에 잘 맞는다. -40℃~+125℃의 산업용 온도 범위로 동작한다.

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[그림 13] MAXM17504 전원 모듈

용어 풀이
• 증강 현실(Augmented Reality): 사용자가 보는 실제 세상 위에 컴퓨터에 의해서 생성된 이미지를 합성함으로써 생산 공정이나 유지보수 같은 작업을 향상시킬 수 있다.
• FELV(Functional Extra Low Voltage): 60V 미만의 비절연 회로
• 인더스트리 4.0(Industry 4.0): 제조 분야의 자동화와 디지털화. 사이버-물리 시스템, IoT, 클라우드 컴퓨팅 같은 것들을 사용한다. 인더스트리 4.0을 도입한 공장을 스마트 팩토리라고 한다.
• 산업용 IoT(IIoT): 제조 장비를 네트워크로 연결함으로써 실시간 품질 관리, 지속가능하고 친환경적인 운영, 공급 사슬 추적, 공급 사슬 전반에 걸친 효율 개선이 가능하다.
• 사물 인터넷(IoT): 사물들에 IP 어드레스를 부여하고 인터넷으로 연결하고 사물들 간에 통신을 할 수 있다.
• PLC(Programmable Logic Controller): 단일 제조 프로세스를 모니터링하고 제어할 수 있는 산업용 컴퓨터. PLC 보드는 CPU, I/O 모듈, 메모리/프로그래밍, 전원 장치로 이루어진다.
• SCADA(Supervisory, Control and Data Acquisition): PLC와 여타 제어 시스템을 통해서 다중의 인터페이스와 주변장치를 모니터링하고 제어하기 위한 하드웨어 및 소프트웨어 프레임워크
• SELV(Separated Extra Low Voltage): 60V 이하의 절연형 회로. 이러한 회로는 만져도 안전한 것으로 간주된다.

기사입력 : 2019-02-01