개요: MAX1452/MAX1455는 고정밀, 저가 신호 컨디셔너로 시스템 레벨 제조를 위해 디지털 모드에서 동작하고 정상 동작을 위해 아날로그 모드에서 동작할 수 있다. 애플리케이션 회로에서는 VDD 핀에 전력을 공급하는 데 사용되는 전원의 구동 성능에 따라 (a) 아날로그 모드로 시작하게 되어 있는 소자가 디지털 모드로 시동되거나 (b) 과도한 출력 잡음이 발생하거나 (c) 신뢰할 수 있는 EEPROM 동작을 위한 충분한 VDDF 전압이 존재하지 않을 가능성이 있다. 이 애플리케이션 노트에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 애플리케이션 회로에 단일 부품을 추가할 것을 제안한다. 이렇게 하면 생산 수율과 제품 신뢰성을 모두 향상시킬 수 있다.
설명
MAX1452/MAX1455는 시스템 레벨 제조를 위한 디지털 모드와 정상 동작을 위한 아날로그 모드의 두 가지 모드로 동작할 수 있는 저가의 고정밀 신호 컨디셔너이다. MAX1452/MAX1455에는 파워 온 리셋 (POR) 회로가 내장되어 있어 파워 업 시 그리고 브라운아웃 발생 후 온 칩 디지털 로직과 상태 머신이 적절한 상태로 초기화되도록 한다. 이 POR은 전원 전압을 감지하고 이 전압이 필요한 동작 레벨에 도달할 때까지 로직을 초기화 상태로 유지한다. MAX1452/MAX1455는 2개의 전원 입력, (1) 내부 로직과 아날로그 회로에 전력을 공급하는 VDD (2) 온 칩 EEPROM 메모리 회로에 전력을 공급하는 VDDF로 동작한다. 시스템 레벨에서 VDD와 VDDF는 직접 또는 저항을 통해 연결된다(아래에 설명).
일반적인 애플리케이션 회로에는 VDDF 핀에 RC 회로가 있다(VDD와 VDDF 사이에 R, VDDF와 GND 사이에 C). 선택된 VDD 전원은 비용과 공간 제한으로 인해 보통 구동 성능을 제한하고 EEPROM 동작 중에는 VDD 레벨을 유지할 수 없기 때문에 RC 필터가 필요한 것이다. 이와 같이 제한된 구동 성능으로 인해 제조 및/또는 동작 시 잠재적인 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제 중 하나는 잘못된 모드로 시동되는 것이다. 이 문제가 발생하면 출력은 아날로그 모드로 시작하는 대신 디지털 모드로 시작한다. 그 원인은 일반적으로 VDDF가 VDD보다 많이 뒤쳐져 플래시 메모리에서 제어 위치를 정확하게 읽지 못하는 데 있다. 두 번째 문제는 VDD의 리플에 의해 발생하는 출력 잡음으로, 이 잡음은 출력과 결합될 수 있다. 마지막으로 WRITE 동작 후 EEPROM 셀 충전 성능이 저하될 수 있다. 그러나 애플리케이션에서 적절한 전류 성능을 갖는 VDD 전원을 선택할 경우 이러한 문제들은 발생하지 않는다.
배경
MAX1452/MAX1455에는 캘리브레이션 계수와 소자 구성 정보를 저장하기 위한 EEPROM이 내장되어 있다. 수행되는 EEPROM 동작에 따라 VDDF 전원에서 소비되는 전류는 7mA ~ 25mA 사이이다. 동작 시 EEPROM은 읽기, 쓰기 및 삭제의 세 가지 동작 모드를 갖는다. 쓰기와 삭제 동작은 모두 (디지털 모드에서) 캘리브레이션과 테스팅을 위해 모듈 제조 시에 사용된다. 제조 후 소자는 잠금 상태가 되고 (아날로그 모드로 스위칭) 읽기 동작만 수행한다. 쓰기 및 삭제 동작을 위한 대전류 레벨은 제조 시에만 발생하며, 애플리케이션 회로 설계에는 대전류 레벨에 대한 요구사항이 없으므로 주의한다.
제조 시 EEPROM 동작은 캘리브레이션 및 테스트 수행 동안 VDDF로 약 25mA를 소비할 수 있다. 삭제 동작은 1µs 동안 25mA를 소비하고, 이어지는 5ms 동안 16mA의 전류를 소비한다. 쓰기 동작은 1µs 동안 25mA를, 이어 80µs 동안 16mA의 전류를 소비한다.
정상 동작 중에는 계수 및 구성 레지스터를 로드하거나 리프레시하기 위해 1ms마다 10번의 EEPROM 읽기 동작이 이루어진다. 각각의 읽기 동작은 1µs 동안 7mA 전류를 소비하고 다음 1µs 동안에는 전류 소비가 없다. 따라서 1ms마다 간격이 좁은 10번의 읽기 동작 버스트로 VDDF에서 효율이 낮은 평균 전류 소비를 초래한다.
MAX1452/MAX1455 애플리케이션에서 (특히 4-20mA 애플리케이션의 경우) EEPROM 동작에 필요한 전류를 공급하려면 VDD 전원은 적절한 크기를 가져야 한다. 충분한 전류 소싱이 없으면 VDDF와 VDD 전압은 최소 보장 동작 전압인 4.5V 미만으로 떨어질 수 있다.
MAX1452/MAX1455가 정상 동작 모드에 있는 동안 내부 EEPROM이 읽기 동작을 수행할 경우 VDDF에 전압 리플이 발생할 수 있다. 약한 VDD 전원에서 이러한 전압 리플은 VDD상에서 커플링되어 원치 않는 출력 잡음을 발생시킬 수 있다. 칩에는 개별적인 VDD와 VDDF 전원 핀이 제공되므로 사용자 애플리케이션은 VDDF 전원 핀에서 외부 RC 필터링을 통합하여 원하지 않는 잡음 커플링을 줄일 수 있다. 그러나 RC 필터값을 선택할 때에는 여러 가지 사항을 고려해야 한다. R의 값은 EEPROM 동작 중에 VDD에 전류 스파이크를 발생시키지 않을 만큼 충분히 커야 한다. 또 모든 시동 문제를 방지하려면 초기 시동 시 VDDF가 VDD 전압을 근접하게 트래킹할 수 있을 만큼 R은 충분히 작아야 한다. 물론 C의 선택도 매우 중요하며 R과 C를 최적의 값으로 절충할 수 있다. 그러나 이 경우 최적의 값으로 모든 문제를 해결할 수 있는 것은 아니다.
다이오드를 추가하여 약한 VDD 전원으로 발생되는 문제 해결
원치 않는 결과를 발생시키지 않으면서 출력 잡음을 개선하기 위해 VDDF상에 RC 필터를 이용하려면 VDD와 VDDF 사이에 Schottky 다이오드를 RC 필터의 R과 병렬로 추가할 수 있다(그림 1). 이 Schottky 다이오드의 순방향 전압은 VDD와 GND 사이에 기생 다이오드의 순방향 전압보다 작으면서 동시에 제품의 최대 동작 온도에서 전도되지 않도록 충분히 커야 한다. 이러한 애플리케이션을 위해 +25°C에서 300mV의 순방향 전압을 갖는 BAT54 Schottky 다이오드를 시험하고 적합성을 검증하였다. VDD와 VDDF 사이의 이러한 다이오드는 다음과 같은 성능 향상을 가져다 준다.
시동 문제 해결 이 다이오드는 VDDF가 VDD 전압을 다이오드 드롭 하나 (300mV 미만) 차이로 매우 근접하게 트래킹할 수 있게 해준다. 따라서 POR 신호가 발생하면 VDDF 전압은 적절한 레벨에 위치하여 EEPROM에서 제어 위치를 정확하게 읽어내고 올바른 동작 모드에서 시작할 수 있게 한다.
출력 잡음 감소 다이오드를 추가하면 훨씬 더 큰 값의 C(읽기 동작에서 대전류를 소비하는 동안 VDDF 레벨을 유지하려면 최소 0.47µF 필요)와 R(보통 1kΩ)을 사용할 수 있다. 시동 시 문제를 발생시키지 않으면서 더 큰 RC 값을 사용할 수도 있다. RC-필터의 시간 상수와 상관없이 VDD와 VDDF는 언제나 다이오드 드롭 하나 (300mV 미만) 차이이다. 다이오드를 사용하지 않을 경우 너무 큰 C 값은 읽기 동작 중에 VDDF 램프에 상당한 지연을 발생시켜 시동 문제를 일으킬 수 있다. 또 C 값이 너무 작으면 출력을 통해 전달되는 더 큰 VDD 스파이크를 발생시켜 원치 않는 출력 잡음을 발생시킬 수 있다.
EEPROM에 쓸 때 EEPROM 셀 충전 성능 향상 VDDF 레벨이 요구되는 최소 전압 4.5V(VDD = 5V)보다 항상 위에 있으므로 이러한 향상이 가능하다.
그림 1. 일반적인 MAX1452 애플리케이션 회로에는 VDD 전원 구동 제한을 해결하기 위해 Schottky 다이오드도 내장되어 있다.
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