[첨단 헬로티]

원격 다이오드 온도 모니터링 IC는 컴퓨팅 및 서버 업계에서 10년 이상 활용돼 온 검증된 온도 감지 기술이다. 이 기술은 많은 애플리케이션 상에서 비용과 개발기간을 줄이고 열 설계 시 요구되는 전문성을 최소화한다. 이 글은 원격 다이오드 온도 모니터링 IC가 실리콘 외기 온도 센서 IC(Silicon ambient temperature sensor IC), 서미스터(Thermistor), 저항형 열감지기(Resistive Thermal Detector: RTD), 서모커플(Thermocouple) 등 기존의 온도 감지 기술들과 비교해서 갖는 장점, 제한점, 비용 효율성을 설명한다. 또한 이들 각 솔루션들과 관련된 핵심 설계 기준들, 예를 들어 온도 정확도, 소비전력, 시스템 비용 및 규모, 설계 복잡성 등에 대해 검토한다. 

더불어 앞에서 언급한 기존 솔루션들이 갖는 한계를 극복하기 위해 원격 다이오드 솔루션을 어떻게 활용할 수 있는지에 대해 설명하겠다. 그리고 저항오차 수정, 동적 평균화, 초과/미달 온도 및 임계 온도 모니터링 등의 통합 기능들을 어떻게 시스템 성능 개선에 활용할 수 있는지도 다룬다. 끝으로 개발자들이 자신의 애플리케이션에 가장 적합한 제품을 확인하는 데 도움을 줄 수 있는 이용 가능한 툴(MAPS)을 소개하겠다. 

  

서미스터(Thermistor)

서미스터는 온도 감지를 위해 가장 흔하게 사용되는 방법이다. 반도체 재료를 이용해 만들어지며 포지티브 또는 네가티브(PTC 또는 NTC)의 온도계수를 가질 수 있다. 서미스터의 저항은 온도의 변화에 따라 달라진다. 포지티브형 온도계수(PTC) 서미스터 저항은 온도 증가에 따라 높아지며, 반대로 네가티브형 온도계수(NTC) 서미스터 저항은 온도가 증가하면 낮아진다. 서미스터 기반 솔루션에는 몇 가지 장점이 있다. 첫째, 서미스터는 온도 변화에 매우 민감하다. 또한 빠른 열 응답(Thermal response)을 보이며 가격이 저렴하다. 가장 큰 단점은 폭넓은 온도 범위에서 높은 비선형성(Nonlinear)을 보인다는 점이다.

[그림 1]은 저역 필터(Low-pass filter)와 고정 게인 버퍼 증폭기(Fixed-gain buffer amplifier)가 있는 서미스터 회로를 보여준다. 저역 필터(R2와 C1) 네트워크는 센서 출력으로부터 시스템 잡음을 걸러내며, 저항성 또는 용량성 부하를 공급하기 위해 단위 게인(unity-gain) 버퍼가 이용된다. 서미스터 전압(Voltage across the thermistor: VTH)은 온도변화에 비례한다. 그래프는 00C에서 700C까지의 선형 응답(Linear response)을 보여준다. 그러나 극한온도에서는 두드러진 비선형성이 나타난다. 이때는 온도에 따른 저항의 변화가 선형 영역에 비해 크게 줄어든다. 이에 따라 아주 덥거나 추운 극한온도에서는 측정 정밀도 개선을 위한 신호 증폭이 필요하다. 

  

서미스터는 가격이 저렴하고 제한된 온도 범위에서 정확한 온도 모니터링 기능을 제공한다. 더 넓은 범위에서 고도의 정밀성을 얻기 위해서는 보다 복잡한 설계가 필요하다. 이러한 부분이 전체적인 시스템 비용을 상승시킨다. 대부분의 상황에서는 실리콘 외기 온도 센서 또는 원격 다이오드 컨디셔닝 IC(Remote diode conditioning IC) 등의 다른 솔루션들이 폭넓은 온도 애플리케이션에 보다 적합할 수 있다. 여러 구역의 온도 모니터링을 하는 애플리케이션의 경우 원격 다이오드 컨디셔닝 IC가 상당 부분 비용우위를 점할 수 있다.    

그림 1. 고정 게인 서미스터 컨디셔닝 회로와 이에 상응하는 출력 특성

(좌측) 기존 고정 게인 서미스터 증폭기, (우측)서미스터 온도℃

저항형 온도 감지기(RTD)

저항형 온도 감지기(Resistive Temperature Detector; RTD)는 강력한 온도 모니터링 솔루션이다. 이 센서는 탁월한 반복성과 안정성이라는 특성을 제공한다. 개발자는 RTD를 이용해 섭씨 수백 도 범위에 걸쳐 높은 정확성을 얻을 수 있다. 이를 위해서는 세심한 단위 설정(Scaling), 교정(Calibration), 온도변환에 대한 저항성이 필요하다. 세계적으로 다양한 표준들과 스펙들이 조정되어 사용되고 있다.

기본적인 RTD 회로는 RTD의 전압강하를 측정하기 위해 바이어싱(Biasing)을 위한 정전류원과 계측 증폭기와 같은 아날로그 계측 회로를 필요로 한다. 증폭기 출력은 일반적으로 디지털화를 위해 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에 연결된다. 다른 회로들은 저항의 변화를 주파수로 변환시킨다. [그림 2]의 회로는 온도 변화에 비례하는 주파수를 생성하기 위해 RC 네트워크와 비교기(Comparator)를 이용하는 완화 발진기 회로(Relaxation oscillator circuit)를 보여준다. 주파수는 디지털화를 위해 직접 마이크로컨트롤러(MCU)에 연결될 수 있다. RTD 회로를 설계할 때는 자가열(Self-heat) 효과가 세심하게 고려되어야 한다.   

RTD는 탁월한 반복성을 나타내며 폭넓은 온도 범위에 걸쳐 정확한 온도 모니터링 솔루션을 제공할 수 있다. 이 기술의 단점은 비용, 설계의 복잡성, 그리고 높은 시스템 소비전력이다. 

 

그림 2.  저비용 RTD 회로 구현 

서모커플

서모커플(Thermocouple)은 -270℃에서 1750℃에 이르는 매우 폭넓은 온도 동작범위를 가지고 있다. 미국계측학회 (Instrument Society of America: ISA)는 성능에 따라 다수의 상용화 된 서모커플 제품들을 분류했다. E형, J형, K형, T형은 비금속(Base-metal) 서모커플로  -200°C에서 1000°C에 이르는 온도 측정에 이용할 수 있다. S형, R형, B형은 귀금속(Noble-metal) 서모커플이며 -50°C에서 2000°C 범위의 온도 측정에 이용될 수 있다. 

서모커플은 온도 측정을 위해 알루멜(Alumel)과 크로멜(Chromel) 등의 두 가지 금속 합금을 이용한다. 이 두 금속은 한쪽 끝은 용접해 결합되고 다른 한쪽 끝은 떨어져 있다. 접합부 쪽 전선들의 전기적 특성은 온도 의존적이다. 접합부 끝에서 전압이 발생하며, 이 전압은 접합되지 않은 반대 끝에서 전압계를 이용해 측정이 가능하다. 전압의 크기는 온도 변화에 비례하여 증가 또는 감소한다. 서모커플은 높은 비선형성을 나타내며 선형화 알고리즘을 필요로 한다.  

접합부 끝부분은 열접점(Hot junction)이라 불리며 비접합부 끝부분은 냉접점(Cold junction)이라고 한다. 열접점과 냉접점의 실온 또는 외기온도의 차이에 의해 온도 측정이 이루어진다. 냉접점의 온도는 열접점에 대한 기준으로 이용된다. 냉접점의 온도는 다양한 온도 감지 기술을 이용해 측정된다.

서모커플의 전체 전압범위는 100mV 미만이다. 따라서 고성능 아날로그 신호 컨디셔닝이 필요하다. [그림 3]의 회로는 전형적인 서모커플 회로를 나타낸다. 이 서모커플은 산업용 애플리케이션을 위해 EMI 필터로 계측 시스템에 연결되어 있다. 서모커플은 회로가 개방회로를 감지할 수 있도록 대형 저항기들을 통해 정전원과 부전원(Positive and negative supply)에 연결되어 있다. 신호 조정에는 오토-제로 및 초퍼 증폭기(Auto-zero and chopper amplifier)의 이용이 가능하며, 그 이유는 낮은 오프셋 전압과 공통모드 제거(Common Mode Rejection: CMR) 사양 때문이다. 냉접점 보정 회로(Cold-junction compensation circuit)는 원격 다이오드 컨디셔닝 회로 및 PCB에 위치한 원격 다이오드와 함께 설치된다. 

  

그림 3. 서모커플 온도 감지 회로 

실리콘 외부온도 센서

많은 반도체 제조업체들은 실리콘 기반 온도 센서(Silicon Ambient Temperature Sensor) 제품을 판매한다. 이러한 디바이스들은 출력 유형, 논리, 전압, 직렬 출력 등에 따라 분류될 수 있다. IC 센서에는 시스템 개발자들로 하여금 애플리케이션 요건에 가장 잘 부합하는 설계를 할 수 있도록 하는 여러 유용한 기능들이 통합돼 있다. 온도 센서 회로의 설계에는 많은 노력이 필요하지 않으며, 통합된 기능들은 전반적인 시스템 비용을 절감하고 설계에 필요한 노력을 최소화한다. 

실리콘 원격 다이오드 컨디셔닝 IC

앞서 원격 다이오드 컨디셔닝 IC(Silicon Remote Diode Conditioning IC)가 다년간 PC와 서버에 이용되어왔다고 언급했다. 이 기술은 아직까지 주류 애플리케이션에서 충분히 활용되지 않고 있지만, 상당한 비용 절감은 물론 다양한 통합 기능들을 활용함으로써 제품을 개선할 수 있는 잠재력을 지니고 있다.  

원격 다이오드 컨디셔닝 IC는 프로세서 또는 그래픽 처리장치(GPU)에 부착된 버티컬 PNP 또는 표준 다이오드가 연결된 NPN(Negative-Positive-Negative) 트랜지스터의 델타 Vbe를 모니터한다. 업계 표준 NPN 트랜지스터 이용의 장점은 대량 생산 시 트랜지스터의 비용이 거의 들지 않는다는 것이다. 다양한 온도 대역에 대한 정확한 모니터링이 필요한 애플리케이션의 경우 이러한 특성으로 상당한 비용 절감을 거둘 수 있다. [그림 4]는 마이크로칩의 MCP9904를 이용한 NPN 및 PNP(Positive-Negative-Positive) 트랜지스터를 위한 전형적인 다이오드 연결방식들을 나타낸다. 

두 가지 방식에서 모두 MCP9904는 크기가 다른 두 개의 전류를 가해 트랜지스터의 Vbe를 측정한다. 이 전류들은 DP에서 나오며 DN을 통해 돌아간다. 그 차이를 계산해서 델타 Vbe가 산출되고 [등식 1]을 이용해 온도 계산이 이루어진다. 이 등식에 관한 자세한 설명은 마이크로칩 홈페이지의 애플리케이션 참고사항 AN10.14(“Using Temperature-Sensing Diodes with Remote Thermal Sensors”)에서 찾아볼 수 있다. 

 

PNP 트랜지스터는 DP1과 DN1 핀에 연결돼 있다. 이미터(Emitter)가 접지되어 있을 때 전류가 이미터에 가해지고 PNP 트랜지스터의 베이스(Base)로부터 돌아온다. 이러한 구조에서 회수전류(Return current)는 트랜지스터의 베타에 의해 제한되며[등식 2], DP와 DN 사이의 필터링 정전용량 방출을 제한하게 된다. 따라서 GPU/CPU의 임베디드 버티컬 PNP 트랜지스터와 같은 옵션을 사용할 수 없을 경우 NPN 트랜지스터 사용이 권장된다.

그림 4. MCP9904의 전형적인 원격 다이오드 연결방식

[그림 4]는 또한 역병렬 다이오드 구성을 보여준다. 이 구성은 다이오드로 연결된 두 개의 트랜지스터가 동일한 두 개의 핀을 활용하는 경우이다. 어떻게 이 구성이 가능한지는 쉽게 이해할 수 있다. 위의 예시에서 MCP9904는 트랜지스터의 온도를 알아내기 위해 여전히 두 가지 크기의 전류를 이용하지만, 이 디바이스는 전류의 방향을 교대로 엇갈리게 한다. 한 전류 방향에서 다이오드 중 하나는 꺼진 상태(OFF)이고 또 하나는 켜진 상태(ON)이다. 이것은 해당 디바이스가 더 적은 수의 핀으로 더 많은 온도 모니터링을 할 수 있게 한다. 

이 방법의 장점은 패키징(Packaging)의 크기를 줄이고 디바이스 비용을 낮출 수 있다는 것이다. NPN 구성에서 베이스가 컬렉터에 연결돼 있고 DN으로의 전류 회수 경로가 이미터로부터 출발한다는 사실은 주목할 만한 가치가 있다. 이 구성에서 회수전류는 트랜지스터의 베타에 따라 결정되지 않는다. 이에 따라 DP와 DN 사이의 필터 정전용량이 더 높아질 수 있다.

원격 다이오드 컨디셔닝 IC는 또한 동적 평균화(Dynamic averaging), 직렬 저항 보정, 사용자 프로그래밍 알림, 열 한계(Thermal limit) 등 많은 유용한 기능들이 내장되어 있다. 동적 평균화 기능은 델타 Vbe 측정을 위한 과다 표본추출(Oversampling)을 하고 전도 노이즈의 효과를 최소화하기 위해 평균화 양을 증가시킨다. 오늘날 많은 애플리케이션들은 잠재적으로 Vbe 신호 측정에 노이즈를 유발할 수 있는 다수의 소스들을 가지며, 그 예로는 배면광 인버터, 시계, 데이터 라인, 스위치 모드 전원장치 등이 있다. 250µV의 Vbe 변화는 섭씨 1도의 온도변화에 상응한다는 사실에 주의해야 한다. 

1Ω의 직렬저항은 0.656℃의 정의 온도감소(Positive temperature offset)를 가져올 것이다. 직렬 저항 소스(Series resistance source)의 예를 살펴보면 기판 저항, 패키지 리드(Package lead) 저항, 트레이스(Trace) 저항, 외장형(Off board) 온도측정을 위한 저항선(Wire resistance) 등이 있다. 원격 다이오드 컨디셔닝 IC는 두 개의 추가 전류를 가하고 [등식 3]의 저항조건을 제거하는 비율을 선택함으로써 직렬저항을 최대 100Ω까지 없앨 수 있다. 더 상세한 내용은 마이크로칩 홈페이지의 애플리케이션 참고사항 AN13.19(“Resistance Error Correction”)에서 찾아볼 수 있다. 

 

알림(Alert)과 온도 제한 기능은 호스트 마이크로컨트롤러가 직렬 인터페이스를 이용해 온도 트리거 값(Temperature-trigger value)을 실리콘 온도 센서에 위치한 내부 장치에 입력할 수 있게 한다. 원하는 온도 값이 초과되면 센서는 호스트 컨트롤러에 온도 초과 또는 미달 상황이 발생했음을 알린다. 이 기능은 마이크로컨트롤러가 끊임없이 온도를 모니터링 할 필요 없이 직렬 인터페이스를 이용하여 불이 들어오게 하거나 팬(Fan)을 조정하는 방식으로 이용될 수 있다. 이 방식을 사용할 경우 호스트 마이크로컨트롤러는 시스템을 계속적으로 모니터링 할 필요가 없으므로 유연성이 향상되며, 또한 소프트웨어와 하드웨어 개발을 단순화할 수 있다. 

요약

온도 센서는 다양한 장단점을 가지고 있다. 모든 온도 모니터링 애플리케이션에 적합한 단 하나의 센서는 존재하지 않는다. 마이크로칩은 개발자들이 가장 적합한 온도 관리 솔루션을 선택할 수 있도록 유용한 도구 모음을 제공하고 있다. MAPS(Microchip Advanced Parts Selector)는 사용자가 가장 적합한 마이크로칩 제품을 추릴 수 있도록 구체적인 제품 사양 요건을 입력할 수 있다. 

서미스터는 제한된 온도 범위에서 동작하는 애플리케이션에 유용한 저비용 온도 감지 솔루션을 제공한다. 저항형 온도 감지기(RTD)는 섭씨 수백도 범위에 걸쳐 높은 정확성을 얻을 수 있으며, 세심한 단위 설정 및 교정이 필요하다. 서모커플은 극한의 온도에서 작동하는 애플리케이션에서 가장 유용하다. 하지만, RTD 및 서모커플 솔루션은 상당히 많은 비용이 들고 집약적인 설계를 요구한다. 실리콘 IC 기반 온도 센서와 원격 다이오드 컨디셔닝 IC는 광범위한 온도에서 높은 정확성을 제공함은 물론 설계를 단순화시키며, 시스템 유연성과 성능을 향상시키는 많은 통합된 기능을 제공한다. 

글: 존 오스틴 (John Austin) 마이크로칩 테크놀로지(Microchip Technology) 애플리케이션 및 아키텍처 엔지니어