남규현
(Kyu-Hyun Nam)
1iD
이지훈
(Ji-Hoon Lee)
1iD
홍남표
(Nam-Pyo Hong)
1iD
박준석
(Jun Seok Park)
†iD
-
(Dept. of Secured Smart Electric Vehicle, Kookmin University, South Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
AC power line detector, non-contact, detection range, CMOS
1. 서 론
산업 재해에서 재해 원인에 비해 사망률이 매우 높은 감전 재해는 건설현장이 가장 높으며, 제조업 순으로 나타나며 전력선의 활선 상태로 접촉되어 발생하는
감전 등의 사고가 빈번히 발생한다. 감전 재해는 고압보다는 저압에서 사고 빈도가 높았으며, 220V AC 전압에서 감전 사망자가 60% 이상 차지한다(1). 또한, 미국 산업 안전 보건국 (Occupational Safety and health Administration, OSHA)의 OSHA Construction
eTool 웹 사이트에서 다음과 같이 5가지 위험 요소가 전기 사고의 가장 빈번한 원인으로 나타내며 다음과 같다(2).
(1) 전력선과의 접촉
(2) 지락 보호 결여
(3) 접지 누락 또는 불연속 경로
(4) 규정된 방식으로 사용되지 않는 장비
(5) 코드 연장 및 연선 코드의 부적절한 사용
이러한 전기 사고를 사전에 방지하기 위해서 산업 현장에서 근무하는 작업자에게 전기 위험에 대한 정보를 사전에 알려주는 경보장치가 필요하다. 이를 위해서
자기장의 신호를 검출하는 센서에 관한 연구와 검출 신호를 처리하는 readout 회로에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다(3,4). 하지만 기존에 발표된 논문은 자기장 신호를 검출하기 위한 센서와 고전압 (kV 이상) 신호 검출 연구가 대부분이며, 이를 처리하는 readout
회로의 경우 discrete components (개별 소자)를 사용하여 경보장치를 제작하고 있다.
본 논문에서는 CMOS를 이용하여 집적회로 구현하여 검출기에 대한 면적을 최소화하였으며, 비접촉식 AC 전압 검출 IC로 검출기를 제작하면 소형화가
가능하여 작업자들에게 휴대하기가 용이해 안전한 작업이 되도록 알람 신호 발생으로 감전 사고 예방이 가능하다. 그림 1은 전력선과 검출기 사이에 발생되는 플로팅 (Floating) 커패시터 C$_1$과 사용자와 접지면 사이에 생기는 human body 커패시터 C$_2$로
나타낸다.
그림. 1. 전원 검출기와 전력선 및 접지면 사이의 플로팅 커패시터 관계
Fig. 1. Floating capacitor between power detector and power line and ground plane
AC 전압 검출기가 전력선에 근접했을 때 전기장(electric field)에서 방출되는 전기장을 감지하며, 식(1)과 같이(5)
Er는 검출기의 반경 방향의 전기장의 벡터, λ는 검출 회로의 전하 밀도이며 r은 전력선과 검출기 간의 거리이다. 하나 이상의 전력선이 존재하는 경우
총 전기장은 개별 벡터의 중첩으로 나타나게 된다. 전력선과의 거리가 멀어질수록 방출되는 전기장이 줄어들어 AC 전압을 검출하기가 어려워진다.
2. 본 론
2.1 220V @ 60Hz AC 전원 검출기 구조
상용 활선 감지기는 discrete components(개별 부품)로 구성되어 있어 감지 거리가 짧고 (1cm 미만), 제품 가격이 고가로 활용성이
낮은 단점을 갖는다. 이를 해결하기 위해 집적화(integrated)로 220V AC 활선 감지기를 제작하였다. AC 전원 검출기는 60Hz active
band pass filter, amplifier, 비교기, 전류 및 전압공급 회로로 구성되어 있다. 본 논문에서는 AC 전원 상태 여부를 검출을
위한 활선 감지기를 CMOS로 on-chip으로 구현하였으며, 그림 2와 같이 구성되어 있다.
AC 전원 검출 시스템에서는 전기장의 커플링이 매우 중요한 요소이다. 일반적인 환경에서는 60Hz 신호가 항상 존재하기 때문에 활선 경보기의 오동작을
발생시킨다. 이는 입력뿐만 아니라 모든 포트 (port)로 60Hz 신호가 커플링이 되어 EARTH ground로 접지를 해줘야만 검출도가 높아진다.
산업 재해에서 사용하기 위해서는 EARTH ground가 없이도 동작할 수 있도록 원하는 신호에 대한 커플링만 검출할 수 있도록 요구된다.
그림. 2. 220V @ 60Hz AC 전원 검출기 IC 블록도
Fig. 2. 220V @ 60Hz AC Power Detector IC Block Diagram
2.2 AC 전원 검출기 구현
그림 3은 60Hz band pass filter를 위한 증폭기를 설계하였다. 증폭기의 입력으로 낮은 레벨의 AC 신호가 인가되어 증폭하게 되면 공통 모드
이득 (common mode gain)과 차동 모드 이득 (difference mode gain)이 동시에 커지게 된다. 공통 모드 이득은 식(2)와 같이
Rbias는 M$_{10}$에 흐르는 bias 전류에 의한 Rbias, M$_1$의 rds와 RL의 병렬로 rds는 R$_L$에 비해 매우 커서 R$_L$로
나타낼 수 있다. 공통 모드 이득은 식(2)와 같이 RL/Rbias에 비례하게 된다. 또한, 차동 모드 이득은 R$_L$과 R$_E$의 비에 따라서 결정되며 식(3)과 같다.
Differential amplifier는 공동 모드 이득과 차동 모드 이득을 일정하게 사용하였다. Differential amplifier 기반
대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)를 구현하기 위해 입력단과 출력단 각각에 RC-와 π-LC Low Pass Filter (LPF)
를 PCB 상에 구현하였으며, 그림 5와 같이 구성되어 있다. 첫 번째로, 220VAC 60Hz 신호를 검출하기 위해 그림 3의 M$_3$ 입력단으로 60Hz 입력 신호를 그대로 사용하고, 그림 3의 M$_4$의 입력단에는 RC-LPF를 연결하였으며, differential amplifier를 통과한 후 출력은 High Pass Filter
(HPF) 출력을 얻을 수 있다. 두 번째로, HPF 신호를 π-LC filter로 HPF 신호를 제거함으로써 BPF 특성을 갖는다. 이를 Cadence
시뮬레이션 결과 in-band gain, 3-dB bandwidth 그리고 input referred noise (IRN)는 각각 2.3 dB, 7.4~300
Hz 그리고 7.4 Hz 일 때 최대 11 V/sqar(Hz)를 갖는다.
그림. 3. 60Hz band pass filter를 위한 differential amplifier
Fig. 3. Differential amplifier for 60Hz band pass filter
Two-stage operation amplifier(OP-AMP) 입력단을 PMOS로 사용하여 노이즈 특성이 좋은 구조이며, 증폭기의 phase
margin을 60 dB 이상 갖기 위해 Miller-compensation 기법을 적용하여 그림 5와 같이 설계하였다. 그림 5에 사용된 two-stage OP-AMP는 그림 2의 AC 전원 검출기 IC 블록도의 사용된 증폭기 심볼 (symbol)로 differential to single ended (D2S) 구조이다.
이를 기반으로 BPF 검출 증폭기, unit-gain buffer 및 comparator를 구현하였다.
그림. 4. PCB 상에 구현된 60Hz BPF 회로도
Fig. 4. 60Hz BPF circuit diagram implemented on PCB
그림. 5. 2단 증폭기
Fig. 5. Two-stage operational amplifier
그림. 6. 220V @ 60Hz AC 전원 검출기 IC 시뮬레이션 결과
Fig. 6. 220V @ Simulation results of 60Hz AC power detector IC
그림 6은 220V @ 60Hz AC 전원 검출기 IC 시뮬레이션 결과이다. 그림 6에서 증폭기3 출력 신호와 기준 전압 1.0V (VREF)의 비교기 (증폭기4)에 의해서 비교기의 출력이 나타난다. 증폭기 3의 출력은 활선 신호의
검출 신호 감지 레벨에 따라서 1.7 V에서 시간에 따라서 전압이 떨어지게 되며, 이는 입력되는 기준 전압과 비교하여 비교기의 출력을 결정하게 된다.
활선 신호 감지가 안될 시 (비활선시) 증폭기 3의 출력전압은 기준 전압보다 높게 되어 비교기의 출력이 “HIGH (3.3V)”를 유지하게 되나,
활선 신호가 감지 되면 (활선시) 증폭기 3의 출력전압은 기준 전압 1V 보다 낮은 전압 (0.99V)으로 떨어지면서 비교기의 출력 신호가 HIGH에서
LOW로 바뀌게 된다. 비교기의 출력 신호 상태에 따라서 LED 및 Buzzer를 구동하는 신호를 생성하게 된다.
그림 7은 비활선 상태와 활선 상태에 의해서 비교기의 전압이 결정됨에 따라서 LED와 buzzer를 구동할 수 있는 신호를 나타낸다. LED와 buzzer를
구동하기 위해 LED 구동부는 open drain으로 buzzer는 5단 인버터를 사용하여 구동할 수 있도록 하였다. 그림 6 (a)는 비활선시 상태로 비교기의 출력이 HIGH로 유지되면서 구동 신호는 그림 7 (a)와 같이 LOW 상태를 유지하게 되어 LED 및 buzzer를 동작시킬 수 없게 된다. 하지만, 반대로 활선 상태가 되면 비교기가 HIGH에서 LOW로
출력이 변화하게 되며, LED 및 buzzer의 구동 신호는 LOW에서 HIGH로 바뀌면서 HIGH 상태를 유지하게 된다. 이를 통해서 PCB 상에
구현된 LED와 buzzer가 동작하여 활선 유무를 육안 및 소리로 확인을 할 수 있다.
그림. 7. 비활선시(a) 및 활선시(b) 상태에 따른 LED와 Buzzer 구동 신호 시뮬레이션 결과
Fig. 7. Simulation results of LED and buzzer driving signal according to (a) inactive
state (b) live state
그림. 8. 활선 검출기의 마이크로 포토 및 검증 보드
Fig. 8. Micro photo and verification board of live line detector
2.3 측정 결과
그림 8은 180nm magna BCDMOS 공정을 이용하여 제작한 활선 검출기 마이크로 포토 및 검증 보드이다. 제작된 전체 칩 사이즈는 680 μm X
550 μm 이며, 검증 보드는 LED, buzzer 등을 포함하여 35 mm X 30 mm 이다. 활선 검출기 검증을 위해서 전원은 코인형 배터리
(CR2032)를 사용하였으며, 비활선시 구동 전류는 800 μA, 활선시 LED 구동 전류 포함 3mA가 흐른다. 220V 전원선에 AC 전압 검출기를
가까이 다가가면 전원선의 활선 유무 상태에 따라서 AC 전원 검출기 검출 보드에 있는 LED 불이 들어와 동작 유무를 육안으로 확인할 수 있다.
그림 9는 BPF의 출력 신호의 측정 결과이다. BPF를 구현하기 위해 PCB에 연결한 수동소자는 다음과 같이 사용되었다. 입력단 RC-LPF에 사용된 저항은
20 kΩ, 커패시터는 1 uF 이며, π-LC filter에 사용된 인덕터는 3nH, 커패시터는 15 nF을 이용하여 구현하였다. 이때, 입력된
신호에 의해 BPF의 출력단의 검출 주파수는 60Hz로 출력 신호의 크기는 885 mVpp을 갖는다.
그림. 9. 60Hz BPF 출력단 측정 결과
Fig. 9. Measurement result of 60Hz BPF output stage
전력선을 가까이 가져갔을 때, LED가 on이 되는 것을 확인하였다. 그림 10과 같이 기준 전압 (VREF, 1V)와 정류된 신호 크기는 0.99V로 나오는 것을 확인하였으며, 이는 기준 전압보다 낮을 때 활선 검출기가 동작하여
활선 상태를 감지하였다. AC 전압 검출기를 전력선에 가까이 다가갈 때 최대 30cm 거리까지 감지가 됨을 확인하였다.
그림. 10. 활선시 비교기 입력단 출력 신호 측정 결과
Fig. 10. Measurement result of comparator input signal at live state
활선 감지기를 측정한 결과 및 성능 지표를 표 1에 나타낸다. 이는 BCDMOS를 이용하여 220VAC @60Hz 전력 신호를 감지하는 IC를 제작하였다.
활선 감지기는 coin battery (3.3V)로 구동을 시키며, 비활선시는 800 μA, 활선시 동작 여부 판단을 위한 LED 동작 포함하여 3mA
전류가 흐른다. 활선 감지기의 최대 감지 거리는 30cm이며, 최대 차동 이득은 20 dB를 갖는다.
표 1. 활선 경보기 IC 측정 결과
Table 1. Measurement result of live line detector IC
|
Parameter
|
Unit
|
성능지표
|
|
Process
|
㎛
|
BCDMOS 0.18
|
|
Supply voltage
|
V
|
3.3 (CR2032, coin battery)
|
|
Supply current
|
mA
|
3 (LED 포함)
|
|
AC input frequency
|
Hz
|
60
|
|
Input detector voltage
|
Vac
|
220
|
|
Differential gain
|
dB
|
20
|
|
Live line detection range
|
cm
|
Max. 30
|
|
Die size
|
㎛2
|
680 X 550
|
3. 결 론
본 논문은 220V 전압의 활선 유무에 대한 판단을 할 수 있는 활선 감지기로 수동 (discrete) 소자로 구현된 상용제품을 CMOS 기반 집적회로로
구현하였다. 활선 감지기 IC는 잡음 제거 및 60Hz 신호 검출을 위한 능동 대역통과 필터, 활선 신호 감지 신호 증폭을 위한 증폭기, 활선 유무
판단을 위한 비교기, 그리고 동작 여부 확인을 위한 LED 및 buzzer driver로 구성되어 있다. 활선 감지기 IC는 20 dB 이득을 통해
최대 감지 거리 30cm 까지 220V @ 60Hz AC 활선 신호를 감지하였다. 본 논문에서 제안한 활선 감지기 IC 기존의 상용제품보다 넓은 감지
거리, EARTH ground 와 상관없이 동작이 되며, 기존 상용제품을 대체할 수 있는 장점이 있다.
Acknowledgements
The chip fabrication and EDA tool were supported by the IC Design Education Center(IDEC),
Korea.
References
S. W. Choi, 2014, A Study on the Characteristic of Electrical Construction Work for
Prevention Electric Shock Accident, J. Korean Soc. Saf., Vol. 29, No. 5, pp. 29-34
OSHA, 2020, OSHA Construction eTool: Electrical Incidents. Washington, DC: Author,
http://www.osha.gov/SLTC/etools/construction/electrical_incidents/mainpage.html.
Ozaki Mitsunori, 2015, Equivalent Circuit Model for the Electric Field Sensitivity
of a Magnetic Search Coil of Space Plasma, IEEE Sensors J., Vol. 15, No. 3, pp. 1680-1689
D. Lawrence et al., 2016, Non-Contact Measurement of Line Voltage, IEEE Sensors J.,
Vol. 16, No. 24, pp. 8990-8997
D. J. Griffiths, 2013, Introduction to Electrodynamics, 4th Edition, Pearson Education
저자소개
He received the B.S. and M.S. degrees in electrical engineering from kookmin University,
Seoul, South Korea, in 2012 and 2014, res- pectively, where he is currently pursuing
the Ph.D. degree in RFIC and mm-Wave communi- cation and electronics engineering.
He received the B.S. and M.S. degrees in electrical engineering from kookmin University,
Seoul, South Korea, in 2012 and 2014, respec- tively, where he is currently pursuing
the Ph.D. degree in RF system and wireless com- munication system
He received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees from the school of electrial engineering,
Chung-Ang University, Seoul, South Korea, in 2007, 2009, and 2015, respectively.
From 2015 to 2018, he was a Post-doctoral Research Fellow with the electrical engineering,
Kookmin University.
He was a senior researcher with ICT device and Packing research center, KETI, from
2019 to 2020.
He is currently a research professor with Kookmin University.
His research interests include analog, RF, and mixed-mode circuit designs for mobile
communication.
He received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees in electronics engineering from Kookmin
University, Seoul, South Korea, in 1991, 1993, and 1996, respectively.
In 2003, he joined the Depart- ment of Electrical Engineering in Kookmin University,
Seoul, Korea.
He is currently a Professor with the Department of Electrical Engineering, Kookmin
University.
His research interests include the RF/microwave/mm-Wave SoC, monolithic microwave
integrated circuit, the numeric methodology for integrated meta- material applications,
electromagnetic bandgap, DGS, and solid-state ground configuration and optimization,
low-noise phased array for the military/automotive radar systems.