온도는 우리 생활과 밀접하게 관련되어 있지만 정확히 측정하는 것은 어렵다. 리니어 테크놀로지의 고성능 온도 측정 시스템으로, 실험실 수준의 정밀도를 가지고 서모커플, RTD, 서미스터, 다이오드를 디지털로 직접 변환할 수 있다. 또한 3개의 24비트 델타 시그마 ADC와 고유의 프런트 엔드를 결합해 온도 측정과 관련된 문제들도 해결할 수 있다.

전자산업 시대 이전, 갈릴레오는 온도 변화를 탐지할 수 있는 기초적인 온도계를 발명했고, 그로부터 200년 후 제벡(Seebeck)은 서로 다른 종류의 금속에서 온도 기울기의 함수로 전압을 생성할 수 있는 디바이스인 서모커플을 발견했다. 오늘날에는 서모커플뿐 아니라 온도에 따라 변화하는 저항 소자(RTS 및 서미스터)와 반도체 소자(다이오드)가 온도를 전기적으로 측정하는 데 많이 이용되고 있다. 이와 같은 소자에서 온도를 추출하는 방법은 잘 알려져 있지만, 0.5℃ 또는 0.1℃ 이상의 정확도로 온도를 측정하는 것은 까다로운 과제이다(그림 1).

이러한 기본 센서 소자를 디지털로 변환하려면 아날로그 회로 설계를 비롯해 디지털 회로 설계와 펌웨어 개발에 대한 전문지식이 필요하다. 리니어테크놀로지의 LTC2983은 이러한 전문지식을 단일 IC에 집약해 서모커플, RTD, 서미스터 및 다이오드와 연관된 각각의 고유 과제를 해결한다. 이 제품은 각 센서 유형에 필요한 모든 아날로그 회로와 온도 측정 알고리즘, 선형화 데이터를 결합하여 각 센서를 직접 측정하고 결과를 섭씨 온도(℃)로 출력한다.

그림 1. LTC2983의 온도 정확도

 ‌서모커플이란

서모커플은 한쪽 끝(서모커플 온도)과 회로 보드의 전기적 연결(냉접점 온도) 간의 온도 차 함수로서 전압을 발생시킨다. 서모커플 온도를 결정하려면 냉접점 보상을 통한 영점조정과 냉접점 온도의 정확한 측정이 필요하다. 냉접점 온도는 일반적으로 냉접점에 별도의(서모커플 이외의) 온도 센서를 배치해 결정한다.

LTC2983은 다이오드, RTD, 서미스터를 모두 냉접점 센서로 사용할 수 있다. 서모커플에서 발생한 전압 출력을 온도 결과로 변환하려면 측정 전압과 냉접점 온도에 대해 모두 표 또는 수학적 함수로 고차 다항식(최대 14차)을 풀어야 한다. 이 제품은 8개의 표준 서모커플(J, K, N, E, R, S, T, B)에 대해 다항식뿐 아니라 커스텀 서모커플을 위한 사용자 프로그래밍 테이블 데이터를 내장하고 있다. 또한 서모커플 출력과 냉접점 온도를 동시에 측정하고, 모든 필요한 계산을 실행해 섭씨 온도(℃)로 서모커플 온도를 보고한다.

 ‌서모커플에서 고려해야 할 사항

그림 2. 서모커플 설계 과제


그림 3. 다이오드 냉접점 보상을 이용한 서모커플 측정

서모커플에서 발생되는 출력 전압은 100mV 미만(풀스케일)의 작은 값이다(그림 2). 따라서 전압을 측정하는 ADC의 오프셋과 잡음이 낮아야 한다. 그뿐만 아니라 절대 전압을 읽을 때는 정확하고 낮은 드리프트의 기준 전압을 필요로 한다. LTC2983은 저잡음이며 지속적으로 오프셋 보정되는 24비트 델타 시그마 ADC(오프셋 및 1㎶ 미만의 잡음) 및 10ppm/℃ 최대 레퍼런스를 포함하고 있다(그림 3).

서모커플의 출력 전압은 끝단이 냉접점 온도보다 낮은 온도에 노출될 때 접지 미만으로 내려갈 수 있다. 이것은 2차 네거티브 전원 또는 입력 레벨 시프팅 회로를 추가해야 하므로 시스템을 복잡하게 만든다. LTC2983은 단일 접지 기준 전원에 접지 미만 신호를 디지털로 변환할 수 있는 고유의 프런트 엔드를 통합하고 있다.

서모커플 회로는 높은 정확도를 가진 측정 외에도 잡음 제거, 입력 보호 및 안티 에일리어싱 필터링을 통합해야 한다. 이 제품은 입력 임피던스가 높으며 최대 입력 전류는 1nA 미만이다. 또한 외부 보호 저항과 필터링 커패시터를 추가 오차 없이 받아들일 수 있으며, 50Hz 및 60Hz에서 75dB 제거의 온칩 디지털 필터를 포함하고 있다.

오류 검출은 서모커플 측정 시스템의 주요 기능이다. 가장 일반적인 오류는 개방 회로(고장 또는 플러그가 꽂혀 있지 않은 서모커플)이다. 전통적으로 이러한 유형의 오류를 검출하기 위한 방법으로 전류 소스 또는 풀업 저항을 서모커플 입력에 인가한다. 그러나 이러한 방법은 유도된 신호가 오차와 잡음을 발생시키고 입력 보호 회로와 상호 작용한다는 점에서 문제될 수 있다.

LTC2983은 측정 사이클 바로 전에 서모커플 고장 여부를 검사하는 고유의 개방 회로 검출 회로를 포함하고 있다. 이 경우 개방 회로에서 발생하는 전류/저항이 측정 정확도에 영향을 미치지 않는다. 또한 냉접점 센서와 관련된 오류를 보고하며, 산업 환경에서 긴 센서 연결이 사용될 경우 발생할 수 있는 정전기 방전(ESD)을 검출 및 보고하고 복구한다. 그리고 자체 오류 보고를 통해 측정된 온도가 특정 서모커플의 예상 범위보다 높은지 혹은 낮은지도 보고한다.

 
‌다이오드란

그림 4. 다이오드 설계 과제

그림 5. RTD 설계 과제

다이오드는 온도 센서로 사용할 수 있는 저렴한 반도체 기반 소자이며, 주로 서모커플을 위한 냉접점 센서로 사용된다. 전류를 외부 소스로 다이오드에 인가하면, 다이오드는 온도와 인가되는 전류의 함수로 전압을 발생시킨다. 만약 2개의 정합된 비율의 외부 전류 소스를 다이오드에 인가하면, 온도에 대해 알려진 비례(PTAT) 전압이 출력된다.

 ‌다이오드에서 고려해야 할 사항

알려진 비례 PTAT 전압을 생성하려면, 2개의 높은 정합으로 비례하는 전류 소스가 필요하다(그림 4). LTC2983은 델타 시그마 오버샘플링 구조를 채택하여 이러한 비율을 정확히 생성한다.

다이오드와 ADC에 연결되는 리드는 알려지지 않은 기생 다이오드 효과를 갖고 있다. LTC2983은 기생 리드 저항을 제거하는 3전류 측정 모드를 제공한다. 다이오드 제조업체들은 서로 다른 다이오드 비이상계수(Non-ideality Factor)를 지정하고 있다. 이 제품은 각 다이오드의 비이상계수에 대해 개별적으로 프로그래밍할 수 있다. 절대 전압이 측정된 후에는 ADC 기준 전압값과 드리프트가 중요하다. LTC2983에는 공장에서 트리밍된 최대 10ppm/℃의 기준 전압 IC가 포함되어 있다.

또한 비례하는 전류를 자동으로 생성해 그에 따른 다이오드 전압을 측정하고, 프로그래밍된 비이상계수를 사용하여 온도를 계산한 후 그 결과를 섭씨 온도로 출력한다. 이 제품은 서모커플을 위한 냉접점 센서로도 이용할 수 있다. 다이오드가 고장, 단락되거나 부적절하게 삽입된 경우, 오류를 검출하여 변환한 결과를 워드 바이트로 레지스터에 보고하고, 냉접점 온도 측정에 서모커플이 사용된 경우 해당 서모커플 결과를 보고한다.

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RTD란

RTD는 온도 함수로서 값이 변하는 저항이다. 이러한 디바이스 중 하나를 측정하려면 낮은 드리프트의 정밀한, 알려진 감지 저항을 RTD와 직렬로 연결해야 한다. 외부 전류 소스를 네트워크에 인가하고 비율계량 측정을 수행한다. RTD의 옴(Ohm) 값을 이러한 비율로 결정할 수 있다. 이 저항은 테이블 룩업을 이용하여 센서 소자 온도를 결정하는 데 사용된다.

LTC2983은 외부 전류 소스를 자동으로 생성하고 감지 저항과 RTD 전압을 동시에 측정하며, 센서 저항을 계산하고 결과를 섭씨 온도로 보고한다. RTD는 －200℃부터 850℃까지 넓은 범위에서 온도를 측정할 수 있다. 또한 대부분의 RTD 유형(PT-10, PT-50, PT-100, PT-200, PT-500, PT-1000, NI-120)을 디지털로 변환할 수 있으며 커스텀 RTD를 위한 사용자 프로그래밍 테이블 데이터뿐 아니라 다양한 표준(미국, 유럽, 일본, ITS-90)에 대한 계수를 내장하고 있다.

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RTD에서 고려해야 할 사항

일반적인 PT100 RTD(그림 5 참조) 저항 변화는 100㎂ 전류 소스에서 4㎶ 신호 레벨에 해당하므로 섭씨 0.1도당 0.04Ω보다 작게 변한다. 따라서 정확하게 측정하기 위해서는 낮은 ADC 오프셋과 잡음이 필수적이다. 온도 계산 시 외부 전류 소스의 절대값과 기준 전압이 중요하지 않은 것은 아니지만, RTD 온도 측정은 감지 저항에 대한 비율 계량 방식이다.

전통적으로 RTD와 감지 저항 사이의 비율 계량 측정은 단일 ADC를 사용해 수행됐다. 감지 저항의 전압 강하는 RTD 전압 강하를 측정하는 ADC의 기준 입력으로 사용됐다. 이러한 구조는 10kΩ 이상의 큰 감지 저항을 필요로 하므로, ADC 기준 입력의 동적 전류로 인한 강하를 피하기 위해 감지 저항에 버퍼링이 필요하다. 감지 저항값은 핵심적이므로 이러한 버퍼는 낮은 오프셋, 드리프트 및 잡음을 가져야 한다. 이와 같은 구조는 기생 열전대 효과를 제거하기 위한 전류 소스 순환을 어렵게 한다.

그림 6. LTC2983을 이용하여 RTD 온도 측정

델타 시그마 ADC 기준 입력은 입력보다 잡음에 훨씬 더 민감하므로 기준 전압의 작은 값도 불안정을 초래할 수 있다. LTC2983의 다중 ADC 구조는 이러한 문제를 모두 해결한다(그림 6). 이 제품은 RTD용과 감지 저항용으로 각각 하나씩, 2개의 고정합 버퍼링된 자동 보정 ADC를 사용한다. 이들 ADC는 RTD와 Rsense를 모두 동시에 측정하며, RTD 저항을 계산하여 이를 ROM 기반 룩업 테이블에 적용해 RTD 온도를 섭씨 온도로 최종 출력한다.

RTD는 2-선식, 3-선식, 4-선식의 다양한 구성으로 제공된다. LTC2983은 구성 가능한 단일 하드웨어를 구현, 3가지 구성을 모두 받아들일 수 있으며, 단일 감지 저항을 여러 RTD 사이에서 공유할 수 있다. 그리고 디바이스의 높은 임피던스 입력은 오차 발생 없이 RTD와 ADC 입력 사이에 외부 보호 회로를 배치할 수 있게 하며, 외부 전류 소스를 자동 순환시킬 수 있어 외부 열 오차(기생 열전대)가 없다. 감지 저항의 기생 리드 저항이 성능을 저하시킬 경우, Rsense의 켈빈 감지를 사용할 수 있다.

LTC2983에는 오류 검출 회로가 있어 감지 저항 또는 RTD가 고장나거나 단락이 발생하면 이를 결정할 수 있다. 또한 측정된 온도가 RTD에 대해 지정된 최대값보다 높거나 낮으면 경고한다. 서모커플을 위한 냉접점 센서로 RTD를 사용할 경우 3개의 ADC가 서모커플, 감지 저항, RTD를 동시에 측정한다. RTD 오류는 서모커플 결과에 전달되고, 냉접점 온도를 보상하기 위해 RTD 온도가 자동으로 사용된다.

 ‌서미스터란

서미스터는 온도의 함수로서 값이 변하는 저항이다. RTD와 달리 서미스터의 저항은 온도 범위에서 10의 제곱으로 훨씬 크게 변화한다. 이러한 디바이스 중 하나를 측정하려면 감지 저항을 센서와 직렬로 연결한다. 여기 전류를 네트워크에 인가하고 비율 계량을 측정한다. 서미스터의 옴값을 이러한 비율로 결정할 수 있다.

이 저항은 Steinhart-Hart 방정식을 풀거나 테이블 데이터를 이용해 센서의 온도를 결정하는 데 사용된다. LTC2983은 여기 전류를 자동으로 생성하고 감지 저항과 서미스터 전압을 동시에 측정하며, 서미스터 저항을 계산하고 그 결과를 섭씨 온도로 보고한다.

서미스터는 일반적으로 －40℃∼150℃ 범위에서 동작한다. LTC2983은 표준 2.252kΩ, 3kΩ, 5kΩ, 10kΩ, 30kΩ 서미스터 온도를 계산할 수 있는 계수를 포함하고 있다. 서미스터 유형과 값이 다양하므로 커스텀 서미스터 테이블 데이터(R vs. T) 또는 Steinhart-Hart 계수를 사용하여 프로그래밍할 수 있다.

 ‌서미스터에서 고려해야 할 사항

그림 7. 서미스터 설계 과제

서미스터의 저항(그림 7)은 온도 범위에서 10의 제곱으로 크게 변화한다. 예를 들어 실온에서 10kΩ을 측정하는 서미스터는 최고 온도에서 100Ω, 최저 온도에서 300kΩ 이상이 될 수 있다. 한편 다른 서미스터 표준은 1MΩ 이상이 될 수 있다.

일반적으로 큰 값의 저항을 받아들이기 위해 작은 외부 전류 소스를 큰 값의 감지 저항과 함께 사용한다. 이렇게 하면 서미스터 범위의 낮은 쪽 끝에 매우 작은 신호 레벨이 존재한다. ADC의 동적 입력 전류를 이렇게 큰 저항과 격리시키기 위해 입력 및 기준 버퍼가 필요하다. 

그러나 버퍼는 별도의 전원을 사용하지 않을 경우 접지 근처에서 잘 작동하지 않으며, 오프셋과 잡음 오차를 최소화해야 한다(그림 8).

그림 8. LTC2983을 이용하여 서미스터 온도 측정

이 제품은 접지 또는 접지 미만에서 신호를 디지털화할 수 있는, 지속적으로 보정되는 버퍼와 함께 다중 ADC 구조를 결합하고 있다. 2개의 정합되고 버퍼링된 ADC가 서미스터와 감지 저항을 동시에 측정하고, 표준에 기초해 서미스터 온도를 섭씨 온도로 계산한다. 큰 값의 감지 저항이 필요하지 않으므로 서로 다른 종류의 RTD 및 서미스터가 단일 감지 저항을 공유할 수 있다. 또한 서미스터의 출력 저항에 따라 외부 전류 소스의 범위를 자동 조정할 수 있다.

LTC2983은 오류 검출 회로를 포함하고 있어 감지 저항 또는 서미스터가 고장나거나 단락된 경우 이를 결정할 수 있다. 또한 측정된 온도가 서미스터에 대해 지정된 최대값보다 높거나 최소값보다 낮을 때 경고한다. 

서미스터는 서모커플을 위한 냉접점 센서로 사용할 수 있다. 이러한 경우 3개의 ADC가 서모커플, 감지 저항, 서미스터를 동시에 측정한다. 서미스터 오류는 서모커플 결과에 전달되고, 냉접점 온도를 보상하기 위해 서미스터 온도가 자동으로 사용된다.

 ‌범용 측정 시스템

그림 9. 범용 온도 측정 시스템

LTC2983은 범용 온도 측정 디바이스로 구성할 수 있다
(그림 9). 최대 4개의 범용 입력 세트를 하나의 LTC2983에 인가할 수 있으며, 이들 세트는 각각 온보드 하드웨어를 변경하지 않아도 3-선식 RTD, 4-선식 RTD, 서미스터 또는 서모커플을 직접 디지털로 변환할 수 있다.

각 센서는 동일한 4 ADC 입력 및 보호, 필터링을 공유하며 소프트웨어를 사용하여 구성된다. 하나의 감지 저항을 센서의 4개 뱅크에서 공유하며, 냉접점 보상은 다이오드에 의해 측정된다. 이 제품의 입력 구조에 의해 모든 채널에서 모든 센서를 사용할 수 있다. 어떤 조합의 RTD, 감지 저항, 서미스터, 서모커플, 다이오드, 냉접점 보상이라도 LTC2983에 있는 21개의 모든 아날로그 입력에 인가할 수 있다.

실시간 제로 입력 범위에 있어서 높은 입력의 임피던스는 모든 온도 센서를 직접 디지털로 변환할 수 있게 하고 입력을 손쉽게 반영할 수 있게 한다. LTC2983은 20개의 유연한 아날로그 입력을 제공하므로 간단한 SPI 인터페이스를 통해 디바이스를 재프로그래밍 하면 하나의 하드웨어 설계로 모든 센서를 측정할 수 있다.

또한 이 제품은 냉접점 보상을 자동으로 수행하며, 모든 종류의 센서를 사용해 냉접점을 측정할 수 있고, 오류 보고를 제공한다. 디바이스는 2, 3, 4-선식 RTD를 직접 측정할 수 있고 감지 저항을 쉽게 공유할 수 있어 비용을 절감할 수 있으며, 전류 소스를 순환시켜 기생 열 효과를 제거한다. 그뿐만 아니라 전류 소스 범위 조정을 자동으로 할 수 있어 정확도를 증가시키고 서미스터 측정과 관련된 잡음을 감소시킨다.

LTC2983은 커스텀, 사용자 프로그래밍이 가능한 센서를 구성할 수 있다. 또한 커스텀 테이블 구동 방식 RTD, 서모커플, 서미스터를 디바이스 내로 프로그래밍할 수 있다. 그리고 높은 정확도, 간편한 센서 인터페이스, 높은 유연성을 단일 칩 온도 측정 시스템에 결합했다.

Michael Mayes Linear Technology Corp.

정리 : 임재덕 기자 (eled@hellot.net)