먼저 알아둘 용어
하이사이드(high-side)·공통모드(common mode)·차동(differential) — 하이사이드는 높은 공급 전위 쪽입니다. 공통모드는 두 입력의 공통 전위, 차동은 두 입력의 차이로, 작은 차동 전압에도 큰 절대 전위가 함께 걸릴 수 있습니다.
플로팅 전원·갈바닉 절연(galvanic isolation) — 플로팅 전원은 고정 GND(Ground)와 다른 기준을 따라가는 공급입니다. 그 사이에 도전 전류 경로가 있으면 신호를 낮은 전위로 옮겨도 갈바닉 절연은 아닙니다.
Vsense·R1·R2·I — Vsense는 션트 감지 전압, R1은 이를 전달 전류로 바꾸는 저항, R2는 낮은 전위에서 전류를 다시 전압으로 읽는 저항입니다. I는 전달 전류로 부하 전체 전류와 다릅니다.
VGS·VDS·정지전류 — VGS는 FET(Field-Effect Transistor)의 게이트(gate)−소스(source), VDS는 드레인(drain)−소스 전압입니다. 정지전류는 증폭기 자체의 기본 소비로 제너(Zener) 바이어스(bias)와 함께 공급해야 합니다.
높은 전압선 위의 작은 전압차를 측정합니다
저전압 증폭기의 두 전원 사이를 제너 등으로 제한하고 회로 기준을 버스(bus) 근처로 올리는 구성을 생각합니다. 증폭기가 제어하는 고전압 P채널(P-channel) FET를 통해 작은 전달 전류를 낮은 전위의 저항으로 보내면 그곳에서 다시 감지 전압을 얻을 수 있습니다.
예를 들어 OPA333 주위의 전원을 약 5.1 V로 제한한 구조는 OPA333의 두 전원 핀(pin) 사이에 400 V를 건다는 뜻이 아닙니다. 낮은 쪽의 INA226도 400 V 버스를 직접 받는 것이 아니며 버스 감지 범위와 각 입력 한계를 별도로 지켜야 합니다.
전압에서 전류로, 다시 전압으로 바뀌는 지점을 찾습니다
피드백(feedback)이 정상 범위에서 동작하여 R1에 Vsense가 걸리면 I=Vsense/R1입니다. 낮은 쪽 출력은 VR2=I×R2=Vsense×R2/R1이므로 R1과 R2가 같으면 감지 전압을 거의 같은 크기로 옮길 수 있습니다. VR2는 R2 양단 전압입니다.
이 관계는 정상 루프(loop)와 소자 동작 범위를 전제로 한 근사입니다. 저항비·오프셋(offset)·FET 누설과 수신 계측기의 오차를 포함해야 합니다. 부하 전류가 흐르는 션트 배선과 감지선도 지정 지점에서 분리하여 접촉 저항 오차를 줄입니다.
버스 전압은 션트 신호와 다른 경로에서 읽습니다
앞 절의 R1–P채널 FET–R2 경로는 션트 양단의 작은 전압을 낮은 전위로 옮겨 전류를 읽기 위한 것입니다. 전원선 자체의 전압도 INA226의 VBUS 단자에서 읽으려면 별도의 분압기(voltage divider)가 필요합니다. 분압기는 직렬 저항에 걸리는 전압을 나누어 높은 전압을 계측 가능한 수준으로 낮춥니다. INA226의 전원 단자 VS는 별도의 2.7–5.5 V 공급을 받으며, 분압된 전압은 전원이 아니라 VBUS 측정 입력으로 들어갑니다. SCL·SDA는 마이크로컨트롤러와 값을 주고받는 I²C(Inter-Integrated Circuit) 신호선입니다.
버스와 VBUS 사이에 상부 저항 300 kΩ, VBUS와 접지 사이에 하부 저항 4.75 kΩ을 둔 예시를 보겠습니다. VBUS 단자가 전류를 거의 빼앗지 않는다고 가정하면 V_VBUS ≈ V_버스 × 4.75/(300 + 4.75)입니다. 400 V에서는 약 6.23 V, 40 V에서는 약 0.623 V입니다. 이는 공칭 저항값으로 계산한 무부하 근사이지 실제 보드에서 측정한 값이 아닙니다.
400 V에서 분압기에는 약 1.31 mA가 흐릅니다. 상부 300 kΩ을 한 부품으로 구현하면 계산상 그 부품에 약 394 V와 0.517 W가 걸립니다. 150 kΩ 두 개를 직렬로 나누면 각 부품은 약 197 V와 0.258 W를 받습니다. 둘로 나누었다고 해서 정격이 충족되는 것은 아닙니다. 실제 저항의 연속 사용전압·전력·온도에 따른 허용치와 예상 과도전압을 각각 확인해야 합니다.
버스 전압을 되돌려 계산할 때도 64를 무조건 곱하지 않습니다. 이 저항 공칭값의 역비는 약 64.16입니다. INA226의 VBUS 측정 입력에는 제품 버전과 동작 모드에 따라 검토해야 할 입력 부하가 있으며, 데이터시트에는 약 830 kΩ의 대표 입력 임피던스(input impedance)가 제시됩니다. 입력 임피던스는 계측 단자가 분압기에 거는 부하입니다. 저항 허용오차와 실제 측정 모드의 입력 부하를 포함해 변환 계수를 계산하고, 알려진 버스 전압으로 보정 결과를 확인합니다.
분압 노드와 접지 사이의 TVS(transient-voltage-suppression diode)는 과도전압이 생기면 전류를 접지 쪽으로 흘려 노드 전압 상승을 제한하는 다이오드입니다. 단방향 TVS의 음극은 분압 노드 쪽, 양극은 접지 쪽에 둡니다. 회로도에 36 V Transorb라고 적혀 있어도 어떤 서지에서나 VBUS가 36 V 이하로 유지된다는 뜻은 아닙니다. 제품 예시로 역방향 스탠드오프 전압(reverse stand-off voltage)이 24 V인 TVS도 지정 펄스 전류에서는 최대 클램프 전압(clamping voltage)이 38.9 V입니다. 스탠드오프 전압은 평상시 거의 도통하지 않는 역방향 전압이고, 클램프 전압은 서지 전류가 흐를 때 소자 양단에 남는 전압입니다. 실제 TVS의 펄스 정격과 클램프 특성, 배선 인덕턴스에 따른 추가 상승분을 확인해 VBUS의 36 V 동작 한계를 넘지 않도록 검증해야 합니다. ADC 눈금의 끝값인 40.96 V를 허용 입력 전압으로 읽어서는 안 됩니다.
작은 전달 전류라도 고전압에서는 열이 커질 수 있습니다
Vsense=80 mV, R1=10 Ω이면 전달 전류는 8 mA입니다. FET가 약 400 V를 떨어뜨리는 조건이면 손실은 약 3.2 W입니다. 작은 신호 전류라는 이유로 방열과 동작 영역 검토를 생략하지 않습니다.
600 V P채널 FET라는 표기는 그 예시 소자의 드레인–소스 차단 전압 정격을 뜻합니다. 여기서 FET는 완전히 켜진 스위치가 아니라 전압을 떨어뜨리며 전달 전류를 조절합니다. 버스 전압 400 V가 정격 600 V보다 낮다는 이유만으로 동작이 안전하다고 판단할 수 없습니다. 정상 운전과 기동·차단·고장 때의 드레인–소스 전압(VDS)과 게이트–소스 전압(VGS), 전류와 전압이 동시에 걸리는 시간, 안전동작영역(SOA; safe operating area), 기판의 열 방출 경로를 함께 대조합니다. 앞의 3.2 W도 정격 판정값이 아니라 이 검토에 넣을 한 동작점입니다.
공급용 저항도 전체 입력 범위에서 확인합니다. 계산 예시로 제너 5.1 V, 공급 저항 합계 2.4 MΩ에서 40 V 입력이면 전류는 (40−5.1)/2.4 MΩ≈14.5 µA입니다. 제너 바이어스 50 µA와 증폭기 최대 정지전류 25 µA를 필요로 가정한 75 µA보다 작습니다. 높은 버스 전압에 맞춘 저항값을 그대로 쓰면 입력 전압이 낮아졌을 때 공급 전류가 부족할 수 있음을 보여 주는 계산이며 실제 최소 동작전압 측정값은 아닙니다.
전위 검토표를 회로의 모든 연결까지 확장합니다
증폭기 전원 간 전압, 입력의 전원 레일(power rail) 대비 범위, FET VDS·VGS, 출력 저항과 수신 입력 범위를 따로 적습니다. 저항의 동작 전압·손실, FET 누설·방열과 고장 시 전류 제한도 대조합니다.
부하 전류가 지나는 넓은 동박에서 션트 전압을 임의로 따지 말고, 션트의 양쪽에 정한 감지점에서 가는 검출선을 각각 뽑습니다. 그러면 고전류 동박과 접점의 전압 강하가 측정값에 섞이는 일을 줄일 수 있습니다. 실제 기판에서는 부하 전류를 바꾸며 션트 양단 전압과 INA226이 읽는 값을 대조하고, 감지선이 고전류 경로를 공유하거나 노이즈를 끌어오지 않는지 확인합니다.
고전압 구역과 저전압 구역을 나눌 때는 동박·패드·비아·부품 단자 사이의 연면거리(creepage distance)와 공간거리(clearance distance)를 따로 잽니다. 연면거리는 절연물 표면을 따라가는 최단 경로이고, 공간거리는 공기 중의 최단 경로입니다. 필요한 거리는 지속 전압과 예상 과도전압, 절연 목적, 기판 재료와 오염·고도 조건, 적용 규격에 따라 정합니다. 도면에서 구역을 색으로 나누거나 솔더 마스크로 덮었다고 해서 간격이 충족되는 것은 아닙니다. 제조 출력과 실장 상태에서 전위가 다른 도체 사이의 가장 짧은 경로를 다시 확인합니다.
고전위·저전위 구역을 나눠 그렸더라도 전류가 직접 이어지는 이 구성은 비절연입니다. 제어기·USB 계측기·컴퓨터 연결을 포함한 접지 전위와 고장 전류 경로를 검토해야 합니다. 이 기능 해석만으로 실제 고전압 시험 결선과 절연·내전압 검증이 완료되는 것은 아닙니다. 정확도 또한 지정 공통모드·온도·입력 범위에서 따로 확인합니다.
작업 순서를 다시 확인합니다
