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MSP430 MCU 스마트 아날로그 콤보를 이용한 연기 감지기 설계

전기 화재 경보기, 열 감지기 등 최초의 연기 감지 장치는 1890년대에 발명됐다. 이 발명품들은 다년간에 걸쳐 향상돼 이온화식 및 광전식 연기 감지기와 같은 보다 정교한 설계로 발전했다. 

[그림 0] 연기 감지기.jpg

현대에 들어 전자장치 덕분에 이러한 유형의 연기 감지기 설계는 간단하고 견고하며 비용 효율적으로 구현할 수 있게 됐다. 연기 감지기를 AC 전원으로 구동하는 경우, 일반적으로 9V의 백업 배터리가 들어간다. 따라서 이러한 감지기는 AC/DC 전원 크기를 줄이고 백업하는 동안 배터리 수명을 증가시키기 위해 절대적인 최저 전력소모를 갖도록 설계해야 한다.

이온화식 연기 감지기는 방사성 물질(주로 아메리슘-241)을 사용하여 공기를 이온화하는 방식으로 작동한다. 공기가 연기 감지기로 유입되면, 방사성 물질은 공기 분자를 양이온과 음이온으로 분리시킨다. 연기 감지기의 이온화 챔버는 양전극과 음전극을 포함하며, 그림 1에 챔버와 소스로 표시되어 있다.

양이온은 음의 전하를 띄는 소스에 끌리고, 음이온은 양의 전하를 띄는 챔버에 끌린다. 그림 1에서 보듯 이러한 끌어당김은 집전판에 전압을 발생시킨다. 연기 감지기에 유입되는 연기 입자는 이온화를 방해하여 집전판에 전압 강하를 일으킨다. 이 전압 강하는 VOUT으로 버퍼링되고, 감지기는 이러한 버퍼링을 챔버에 유입되는 연기를 나타내는 표시로 모니터링한다. VOUT은 비교기나 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에 제공될 수 있다.

[그림 1] 이온화식 연기 감지기의 작동 원리.png

그림 1: 이온화식 연기 감지기의 작동 원리

광전식 연기 감지기는 적외선(IR) LED와 IR 수신기를 사용하여 연기를 감지한다. IR 수신기는 IR LED로부터 나오는 빛을 감지하고, 검출하는 IR 빛의 양에 따라 일정한 양의 전류를 출력한다. 이 전류는 트랜스 임피던스 증폭기(그림 2)로 공급되어 전류를 전압으로 변환한다. 전압은 2차 스테이지 증폭기로 공급되어 모니터링에 적합한 레벨로 신호를 증폭시킨다. 연기가 IR 챔버로 유입되면 IR 빛을 산란시키고 IR 수신기 검출을 방해한다. 이로 인해 IR 수신기의 전류 출력이 변화하고, 최종적으로 2차 스테이지 연산 증폭기(op 앰프)의 출력 전압이 변화한다. 이온화식 연기 감지기와 마찬가지로 비교기 또는 ADC가 이러한 전압 변화를 모니터링하여 연기를 감지할 수 있다.

[그림 2] 광전식 연기 감지기 작동 원리.png

그림 2: 광전식 연기 감지기 작동 원리

위에서 알 수 있듯이 이러한 유형의 연기 감지기를 설계할 경우 op 앰프는 필수적이다. 그러나 이와 같은 외부 op 앰프는 BOM을 증가시키고 PCB 공간을 차지하며 추가적인 비용을 발생시킨다. TI는 아날로그 주변장치를 통합해 이러한 문제를 덜어주는 새로운 MSP430™ 마이크로컨트롤러(MCU)를 출시했다.

MSP430FR2355는 스마트 아날로그 콤보(Smart Analog Combo)라고 하는 4개의 구성 가능한 신호 체인 모듈을 갖는 주변장치를 제공한다. 각 모듈은 유연하며 구성 가능한 12bit 디지털-아날로그 컨버터(DAC)와 op 앰프를 포함한다. 범용 모드, 버퍼 모드, 비반전 프로그래머블 게인 증폭기(PGA) 모드, 반전 PGA 모드 및 DAC 모드 등 각 모듈을 구성하는 다양한 방법이 있다. 이 주변장치는 설계에서 추가적인 부품을 줄이도록 도와주고 전체 부품 비용을 절감하고 견고성을 증가시킨다.

MSP430FR2355 MCU를 사용하여 연기 감지기를 설계할 수 있다. 디바이스의 넓은 온도 범위(-40°C~105°C)는 연기 감지기가 사용되는 고온 환경에 적합하다. 이온화식 연기 감지기를 설계하는 경우, 그림 1과 같이 스마트 아날로그 콤보를 버퍼 구성으로 구성할 수 있다.

광전식 연기 감지기를 설계한다면 2개의 스마트 아날로그 콤보 모듈을 그림 3과 같이 1차 스테이지를 트랜스 임피던스 증폭기(TIA 모드)로, 2차 스테이지를 게인 스테이지(PGA 모드)로 구성할 수 있다. 스마트 아날로그 콤보는 피코 암페어 수준의 낮은 누설 입력을 지원하므로 전류 측정의 정확도를 향상시켜 연기 감지기 설계에 유용하다.

[그림 3] 스마트 아날로그 콤보 모듈을 사용해 구현한 광전식 연기 감지기.png

그림 3: 스마트 아날로그 콤보 모듈을 사용해 구현한 광전식 연기 감지기

연기 감지기 설계를 더욱 향상시키기 위해 스마트 아날로그 콤보를 이온화식 및 광전식 방법에 모두 사용할 수 있다. 하나의 MCU에 두 설계를 모두 구현하고도(광전식 회로에 2개 모듈, 이온화식 회로에 1개 모듈) 여전히 한 개의 모듈이 남는다. 광전식 감지기 설계를 향상시키려면, 다른 파장을 갖는 2개의 서로 다른 IR 이미터를 통합할 수 있다. 4개의 모든 모듈을 사용하면(각 IR 회로에 2개), 측정 정확도를 향상시키고 잘못된 경보를 방지할 수 있다. TI의 모든 MSP430 디바이스와 마찬가지로 MSP430FR2355는 저전력에 최적화됐다.

설계에 스마트 아날로그 콤보 모듈을 사용하는 방법에 대한 보다 자세한 내용은 애플리케이션 리포트 “MSP430™ MCU에서 스마트 아날로그 콤보 사용법”을 참조하면 된다.


기사입력 : 2018-09-27



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