『ROBOT 이론/실무 정리』

2중 모니터링

ISO 13849-1의 카테고리 3, PL = d 를 만족하는 안전 회로(이중화 회로) 구성

Power Relay를 활용한 Safety Function

* 컨트롤러의 Servo ON 신호를 입력받아 각 장치의 메인전원을 스위칭하는 역할
* 제품명: G7Z-4A-11Z-R
https://www.ia.omron.com/data_pdf/cat/g7z_j160-e1_4_1_csm1001495.pdf?id=1767

저항과 캐패시터(스너버회로)

* 스너버 회로: 과전압에 의한 릴레이 손상을 막기 위한 회로
* RC 부품이 내부에 함께 몰딩된 부품을 스파크 킬러라고 부름
* RC회로 연결방법
  - DC 코일을 사용할 때, RC는 코일과 병렬로 연결할 것.
  - AC 코일을 사용할 때, RC는 코일과 직렬로 연결할 것.

* 참고) AC 코일을 DC와 같이 병렬로 연결하면,
캐패시터 성분이 주파수에 대한 임피던스 성분을 갖게 되어 코일을 동작하지 않아도 회로가 동작할 수 있음.

다이오드

* 1N4002 (ON Semiconductor)

(원문 번역)
* 트랜지스터가 G7Z를 구동하면 누설 전류를 점검하고 필요한 경우 출혈 저항을 연결하십시오.
* 작동 전압이 작동하려면 릴레이 전기자의 최소값이며 연락처가 켜져 있습니다.
따라서 전압 변동 및 코일 온도 상승으로 인한 코일 저항의 증가를 고려하여 코일에 정격 전압을 근본적으로 적용하십시오.
* 코일이 꺼져있을 때 코일에 의해 생성 된 카운티 전압 전압은 반도체 소자를 파괴하거나 오작동을 일으킬 수 있습니다. 코일의 양단에 서지 흡수 다이오드를 대책으로 부착하십시오. 특히, 반도체 소자로 G7Z를 구동 할 때는 항상 서지 흡수 다이오드를 부착하십시오.
릴레이 리셋 시간은 확장되므로 실제 사용 조건에서 구현을 확인한 후에 항상 사용하십시오.
최소 600V 역 전압 저항 및 약 1A의 순방향 전류를 갖는 서지 흡수 다이오드를 사용하십시오.
G7Z는 코일 극성이 없으므로 극성이 코일의인가 된 전압과 반대되도록 서지 흡수 다이오드를 부착하십시오.

(추가 설명)

 * 릴레이 코일을 제어하는 신호가 ON/OFF가 될 때, 코일의 전류 변화가 커지게 된다.
이러한 과도전류로 인해 릴레이 코일과 제어하는 TR이나 부품이 손상될 수 있다.-> 1N4002 onsemi 부품 사용
 * 코일의 전원이 ON->OFF가 될 때, 300V이상의 전기가 흐를 수 있어 코일이 손상이 될 수 있다.
따라서 다이오드를 코일과 병렬로 연결하여 전류를 순환하게 해준다.
또한 다이오드의 극성을 코일의 전원과 반대로 연결한다.
위의 Datasheet와 같이 600V/1A의 순방향 다이오드를 선정하여 연결할 수 있도록 한다.

(Datasheet 참고)

TVS 다이오드

TVS를 왜 넣어야하는가!

EMS 내성시험을 진행하면서 전원회로의 DC/DC 컨버터가 손상되는 이슈가 있었다.

외부 시스템으로부터 24V가 입력되어,

Fuse, TVS 다이오드와 캐패시터를 거친후 DC/DC로 연결되는 회로였다.

과도 전압(EMS내성 시험 중 ESD, Burst 시험에 사용되는 높은 전압)이 발생되면,

TVS 다이오드를 통해 GND로 흐르게 되며, 이 때 "Surge 전압(과도 전압)을 션팅(클램핑)한다."고 표현한다.

IC가 손상된 이슈에 대해 TVS 다이오드를 연결하여 서지 전압으로부터 보호하고자 한다.

TVS 다이오드와 선정 방법에 대해 확인하자.

Surge 전압을 Shunting(션트한다) -> 과도한 전류가 시스템 안으로 들어오지 않게 하다.

TVS 다이오드: 과도 전압 억제기, 서지 보호를 위한 소자, 순간의 과전압만 보호

TVS 다이오드는 서지 전압과 ESD(정전기와 같은 순간 과도 전압)으로 부터 보호하기 위한 부품이다.

설명하기에 앞서 단어를 정의하자면,

아래와 같이 컨트롤러, PLC, SMPS 등으로 부터 입력받는 곳을 Power Input,

서지를 보호해야하는 IC로 전원을 인가해주는 곳을 IC Input이라고 정의하겠다.

선정할 때 이것만 기억해라!

TVS를 선정할 때, 가장 중요한 변수는 VR, VBR, VC와 방향성이다.

1. Vr (=Vrwm, Vwm, Vstandoff)
   : Reverse Working Maximum Voltage, Stand-off Voltage / 동작 전압
   -. 다이오드에는 전류가 흐르지 않고 연결된 장치가 동작됨 (5uA가 TVS 다이오드에 흐름, 거의 흐르지 않음)
   -. Vr은 IC 동작 전압보다 커야함 (IC 동작 전압보다 Vr이 작은 경우, 동작하지 않을 수 있음)
    
2. Vbr
   : Break down Voltage / 항복전압
   -. 클램핑을 시작하는 구간
   -. 다이오드에 전류가 흐르기 시작하는 시점 (1mA가 TVS 다이오드에 흐름)
   -. 생산 및 온도에 따라 값이 변하여 범위로 지정됨 (Min. ~ Max.)
   -. Vbr이 낮을 수록, 서지와 ESD로부터 보다 잘 보호할 수 있음
3. Vc (=Vclamp, Vrsm)
   : Clamping(Surge) Voltage / 클램핑(서지) 전압
   -. Vc는 IC 최대 입력 전압보다 낮아야함 (IC 최대 입력 전압보다 높은 전압 인가될 경우 IC가 손상되기 때문에, IC에 최대 입력 전압보다 낮은 전압이 입력되도록 Vc 전압 이상부터 Shunting 해주어야 한다.)
   
   
4. 방향성(Polarity)
   : 바이폴라(양방향)과 유니폴라(단방향)으로 구분-. 보통 AC는 유니폴라를, DC는 바이폴라를 사용
   -. IC위치에 DC/DC 컨버터를 사용하는 경우 유니폴라의 TVS 다이오드를 사용하는데, 입력 전압의 범위가 (-)전압부터 시작하는 경우가 있어 Vf를 추가로 확인해야 함

* 참고)

제조사는 Littelfuse, Bourns, Vishay를 주로 사용

직접 부품 선정을 해보자!

부품선정 예시를 들자면,

Power Input 전압이 23V ~ 25V이고, IC Input의 동작 전압이 24V, 최대 입력 전압이 42V라고 하자.

이 때, 사용할 TVS 다이오드(1KSMB30A)의 Spec.은, Vr = 25.6V, Vbr = 28.5V ~ 31.5V, Vc = 41.4V 이다.

간단히 나열하면 아래와 같다.

부품을 선정할 때,

Vr은 Power Input보다 크게, Vc는 IC 최대 입력 전압보다 작은 것을 선정한다.

또한, Vr와 Vc은 작을 수록 회로를 보다 잘 보호할 수 있다.

그 중, VBR은 다이오드에 전류가 흐르기 시작하는 시점을 의미한다.

(TVS 다이오드에 VBR 이상의 전압이 흐르면 GND로 전류를 흘려준다. IC Input으로 전류가 흐르지 않는다.)

따라서 IC Input의 최대 입력 전압이 VBR보다 크게 설계를 해야 상시에 전원이 인가될 수 있다. (최대Vic < Vbr)

반대로 IC Input의 최대 입력 전압이 VBR보다 작다면 IC에 과전압이 흘러 손상될 수 있다는 것이다.

42V보다 큰 전압이 입력될 경우에 DC/DC 컨버터가 손상되기 때문에, VBR은 42V보다 적어야 한다.

보통 SMPS의 최대 전압(Power Input의 최대)가 VR의 최소 값보다 작도록 설계되는게 맞지만,(VBR에서 1mA가 흐르며 이 값이 클 수 있기 때문,,)

VC도 함께 고려하기 때문에 Power Input은 VR 혹은 VBR보다 작도록 설계하면 된다.

해당 내용은 아래에서 자세히 다뤄진다.

TVS 다이오드를 Datasheet를 참고하며 선정해보자 !

우선 아래 표는 LM61460의 Datasheet이다. 입력전압은 -0.3V~42V로 확인된다.

위의 표에서 입력이 최대 42V이므로 그 이상의 전압이 인가될 시 해당 IC는 손상이 된다.

따라서 그전에 TVS를 이용하여 서지전압을 접지로 흐를 수 있도록 하는 것이 TVS의 기능이다.

하지만 아래 표와 같이 1KSMB30AHR5G의 클램핑 전압이 41.4V이지만 LM61460의 최대 입력 전압이 42V이므로 TVS 다이오드(41.4V)가 최대 입력 전압(42V)보다 낮지만 이와 비슷한 값을 가지고 있다.

따라서 TVS 다이오드를 42V보다 훨씬 적은 전압을 클램핑할 수 있도록 재선정이 필요하다.

(클램핑하지만 위험범위에 있기 때문에 41.4V보다 좀 더 적은 전압을 가진 TVS 다이오드가 안정적)

바이폴라의 경우 위아래의 전압을 클램핑하지만, 유니폴라는 위의 전압만 클램핑을 한다.

DC/DC의 경우 입력 전압의 범위가 -0.3V~42V이기 때문에 한쪽만 클램핑해주는 유니폴라 TVS 다이오드를 사용해야 한다.

LittelFuse의 1KSMB27A의 클램핑 전압(Vc)은 37.5V이므로, 37.5V보다 높은 전압은 클램핑하여 DC/DC IC를 보호한다.

참고로 항복 전압(VBR)을 선정 시에 입력전원(Power Input 전압의 허용치 +5 or 10%)보다 높게 설정한다.

Littelfuse의 1KSMB27A 부품이 Shortage인 관계로 다른 제품을 확인해야한다.

우선 SMB사이즈로 Artwork이 설계되어 있으므로, DO-214AA로 된 제품을 확인한다.

(참고) DO-214AA: SMB / DO-214AB: SMC / DO-214AC: SMA

또한 항복 전압은 Power Input의 최대(25.2V)보다 높은 전압으로 설정한다.

제조사는 Littelfuse, Bourns, Vishay를 주로 사용하므로,

재고가 있는 부품 중, Bourns의 P6SMB27A-Q 부품으로 선정하였다.

참고: https://kr.mouser.com/datasheet/2/54/bourns_07102019_P6SMB-Q-1621328.pdf

P6SMB27A-Q는 유니폴라이며, VBR 최소는 25.7V, VRWM은 23.1V, VC(VRSM)은 37.5이다.

(25.7V부터 28.4V이상은 클램핑되며,

SMPS의 최대 전압은 25.2V이며 이는 VBR보다 낮은 수치를 나타낸다.

또한 DC/DC의 최대 입력 전압인 42V를 클램핑할 수 있는 VC(37.5V)로 나타나며,

P6SMB27A-Q 부품은 사용 가능한 TVS 다이오드라고 할 수 있다.