UART 절연 회로는 논리 극성, 타이밍, 온도에 따른 구동 여유를 함께 확인해야 한다. 특히 트랜지스터 출력형 포토커플러를 고온 환경에서 사용한다면 선정 부품 데이터시트의 CTR–온도 그래프를 반드시 확인해야 한다. 상온에서 확보한 출력 전류가 고온에서도 유지된다고 가정하면 Low 레벨과 통신 타이밍의 여유를 잃기 쉽다.
목차
1. UART 절연에서 먼저 확인할 타이밍
UART는 별도의 클록선을 공유하지 않는 비동기 통신이다. 수신기는 Idle High에서 스타트 비트의 하강 에지를 검출한 뒤 자체 클록으로 데이터와 스톱 비트를 샘플링한다. 오버샘플링 배수와 다수결 판정 방식은 MCU마다 다르므로 해당 UART 매뉴얼을 확인한다.
절연 소자의 상승·하강 전파지연(propagation delay)을 각각 \(t_{PLH}\), \(t_{PHL}\)이라고 하면 펄스폭 왜곡(PWD, Pulse Width Distortion)은 다음과 같다.
\[PWD = |t_{PHL}-t_{PLH}|\]공통된 고정 지연은 전체 파형을 같은 시간만큼 늦출 뿐이다. 반면 두 전파지연의 차이, 부하에 따른 느린 에지, 지터는 수신단에서 High와 Low가 유지되는 시간을 왜곡한다. 여기에 송수신 클록 오차가 프레임 진행에 따라 누적되면 샘플링 여유가 급격히 줄어든다. 데이터 비트를 잘못 읽으면 데이터 오류가 발생하고, 스톱 비트를 Low로 읽으면 프레이밍 에러(framing error)가 발생한다.
| 보레이트 | 1비트 시간 \(T_b=1/baud\) |
|---|---|
| 9600 bps | 약 104.17 μs |
| 115200 bps | 약 8.68 μs |
비트 시간이 짧을수록 같은 지연 비대칭이 차지하는 비율이 커진다. 허용 PWD를 일률적인 비율로 못 박기보다는 MCU의 수신 타이밍, 프레임 길이, 송수신 클록 오차, 지터와 입력 임계값을 포함한 시간 예산(timing budget)으로 검토한다. Microchip 비동기 수신기 설명
2. 보레이트와 출력 구조에 따른 소자 선정
| 소자군 | 대표 부품 | 설계에서 확인할 사항 |
|---|---|---|
| 트랜지스터 출력형 | PC817, TLP785 | CTR, 포화 전압, 저장시간, 부하저항, 온도별 스위칭 특성 |
| 고속 토템폴 로직 출력형 | TLP2361 | 입력 임계전류, 권장 LED 전류, 전원 범위, 전파지연·PWD, 출력 전압 |
| 고속 오픈컬렉터 계열 | 6N137 | 제조사별 전원·온도 범위, 입력 전류, 출력 풀업, Enable, 부하 조건 |
| 디지털 아이솔레이터 | ISO7721 등 | 양단 전원, 채널 방향, 기본 출력 상태, 지연·CMTI·절연 사양 |
일반 포토트랜지스터는 접합 용량과 깊은 포화에 따른 저장시간(storage time) 때문에 LED를 꺼도 출력 전류가 즉시 사라지지 않는다. 출력이 High로 복귀할 때는 풀업 저항과 부하 용량의 RC 시상수도 영향을 준다. 높은 CTR이 정적 구동에는 유리하지만 턴오프 속도에는 오히려 불리하게 작용하기도 한다.
실무에서 PC817이나 TLP785로 2400 또는 4800 bps를 다룰 때는 회로 조건에 따른 편차를 먼저 고려하게 된다. 같은 부품이라도 LED 전류, 부하 저항, 온도와 포화 깊이에 따라 실제 스위칭 속도가 크게 달라지기 때문이다. 만약 9600~115200 bps 이상의 UART를 새로 설계한다면, 조건별 스위칭 특성이 보증된 고속 로직 출력형이나 디지털 아이솔레이터를 우선 검토하는 편이 설계 여유를 확보하기에 훨씬 수월하다. Toshiba 트랜지스터 커플러 설계 자료
3. Idle에서 LED를 끄는 Active-Low 연결
UART가 Idle High일 때 LED가 꺼지도록 송신 MCU의 TX로 LED 전류를 싱크(sink)하는 구성을 사용한다. 전류 경로는 송신측 전원 VDD_A → RLED → LED 애노드 → LED 캐소드 → MCU_TX다. 이때 LED 전원은 TX의 GPIO 전압 도메인에서 공급해야 한다.
TX는 MCU가 제어하는 출력 노드이므로 접지에 직접 묶지 않는다.
| MCU_TX | LED | 반전형 포토IC 출력 | MCU_RX |
|---|---|---|---|
| High | 소등 | High | Idle 또는 데이터 1 |
| Low | 점등 | Low | 스타트 비트 또는 데이터 0 |
LED 구동의 Active-Low 동작과 포토IC의 반전 특성이 결합하여 TX에서 RX까지 전체 논리는 비반전으로 전달된다. UART 신호는 대부분 시간을 Idle High 상태로 유지하므로, 이 구성은 대기 중 LED 전류와 누적 점등 시간을 줄이는 데 효과적이다. 다만 수신측 IC 자체의 대기 전원 소비는 별도로 고려해야 한다.
3.3 V TX에 연결한 LED를 5 V 전원에서 공급하면 TX High 상태에서도 LED 잔류전류가 흐르거나 GPIO 내부 보호 다이오드로 전류가 유입될 수 있다. 따라서 GPIO의 허용 전압, 싱크 전류, 부하에 따른 \(V_{OL}\), 리셋 시 내부 풀업·풀다운, 부분 전원(partial power-down) 상태를 함께 점검한다. 핀이 단순히 High-Z 상태라고 해서 LED 소등이 저절로 보장되지는 않는다.
4. TLP2361과 6N137의 수신부 구성
TLP2361은 반전 토템폴(totem-pole) 출력형이므로 외부 풀업 저항 없이 출력을 MCU_RX에 곧바로 연결할 수 있다. 수신측 전원 VDD_B와 GND_B를 사용하며, 출력 High/Low 보증값이 MCU 입력 임계값을 충분히 만족하는지 확인한다.
핀 배치는 1번 애노드, 3번 캐소드, 4번 GND, 5번 출력 VO, 6번 VCC다. VCC와 GND 사이에는 0.1 μF 바이패스 커패시터를 배치하며, 데이터시트 권장대로 각 핀에서 1 cm 이내에 가깝게 실장한다. 송신측 GND_A와 수신측 GND_B는 절연 경계를 가로질러 결코 연결하지 않는다.
TLP2361의 전원 범위는 2.7~5.5 V, 동작 온도 범위는 −40~125 °C다. 권장 LED ON 전류는 2~6 mA이며, 최대 입력 임계전류 \(I_{FHL}\)은 105 °C까지 1.3 mA, 125 °C까지 1.6 mA로 규정되어 있다. 표기의 15 MBd는 전형값이므로 실제 전원·온도·부하 조건에서 보증된 전파지연과 PWD 규격을 함께 살펴봐야 한다. TLP2361 공식 데이터시트
이 회로 예시에서 수신측 풀업 전원은 5 V다. 따라서 수신 MCU의 RX 핀이 5 V 입력을 견딜 수 있는 사양이어야 한다.
6N137은 외부 풀업이 필요한 오픈컬렉터 출력형이다. 여기서 참고한 Vishay 제품은 권장 VCC가 4.5~5.5 V, 동작 온도 범위가 −40~100 °C다. 풀업 저항 330 Ω~4 kΩ 및 입력 High 전류 5~15 mA는 해당 Vishay 데이터시트의 권장 조건이므로, 제조사별로 세부 정격이 다른 동명 6N137 계열 부품을 쓴다면 해당 부품의 규격을 개별 검토해야 한다.
Enable이 High일 때 LED ON이면 출력 Low, LED OFF이면 출력 High가 된다. Enable 핀은 의도한 활성 상태로 확실히 바이어스하고, 풀업 전원은 출력 트랜지스터의 허용 전압 및 수신 MCU_RX의 입력 정격에 맞춘다. IC 전원(VCC)과 풀업 전압을 관성적으로 동일하게 맞추기보다는 각 도메인의 전압 사양을 분리해 점검하는 편이 안전하다. Vishay 6N137 공식 데이터시트
풀업 저항을 작게 잡으면 상승 에지는 빨라지지만, 출력 Low 상태에서 흘려야 하는 싱크 전류가 늘어난다. 단순 RC 시상수 모델에 따른 10~90% 상승시간은 다음과 같으며, 실제 지연에서는 소자 내부의 저장시간과 전파지연을 함께 더해 계산해야 한다.
\[t_r \approx 2.2R_LC_{load}\]5. LED 전류와 저항의 최악조건 계산
로직 출력형 소자는 트랜지스터 출력형의 CTR 대신 입력 임계전류와 권장 LED 전류를 기준으로 삼아 계산한다. 저항 공차와 사용 온도 범위에서의 전압 한계를 반영한 최악조건 식은 다음과 같다.
\[I_{F,min}=\frac{V_{DD,min}-V_{F,max}-V_{OL,max}}{R_{LED,max}}\] \[I_{F,max}=\frac{V_{DD,max}-V_{F,min}-V_{OL,min}}{R_{LED,min}}\]계산 시 분자의 전압 마진이 항상 양수인지 먼저 확인한다. 최소 전류 \(I_{F,min}\)은 전 온도 범위의 임계전류와 장기 노화 마진을 넘겨 권장 ON 영역에 들어가야 한다. 반대로 최대 전류 \(I_{F,max}\)는 권장 상한, 고온에 따른 LED 정격 저감(derating), 저항 발열, GPIO 핀 및 포트별 최대 허용 전류를 넘지 않아야 한다.
특히 TLP2361의 \(V_F\) 최소·전형·최대 규격 1.35/1.50/1.65 V는 \(I_F=2\) mA, 25 °C 기준이다. 저온에서는 LED 순방향 전압이 상승하여 구동 전류가 의도보다 줄어들 수 있고, 고온에서는 반대로 전압이 떨어져 전류가 증가한다. 따라서 상온 전형값이나 평균 온도계수에만 의존하지 않고, 최저 온도에서의 \(V_F\) 상승분과 최고 온도에서의 전류 증가분을 각각 최악조건 식에 대입해 여유를 확인한다.
6. 고온 환경에서는 CTR–온도 그래프를 반드시 확인
트랜지스터 출력형의 전류전달비(CTR, Current Transfer Ratio)는 다음과 같이 정의된다.
\[CTR(\%)=\frac{I_C}{I_F}\times100\]CTR은 입력 전류, 컬렉터–이미터 전압, 소자 개체차와 랭크, 동작 온도, 누적 사용 시간에 따라 크게 변한다. LED의 발광 효율과 포토트랜지스터의 전류 이득은 온도 계수가 서로 다르므로, 온도 곡선의 정점과 감쇄 특성은 부품과 구동 조건마다 제각각이다. 고온 환경에서 회로를 운용해야 한다면 선정한 부품의 CTR–온도 그래프를 반드시 확인하고, 전 동작 온도 범위에서 가장 취약한 최저 CTR 조건을 찾아내야 한다. Renesas CTR·온도·열화 설명
예를 들어 TLP785 데이터시트 14쪽을 보면 CTR 직접 표기 대신 고정 \(I_F\) 조건에서의 \(I_C-T_a\) 특성이 나와 있다. 입력 전류 \(I_F\)가 일정하므로 컬렉터 전류가 줄어드는 것은 곧 CTR 감소를 의미한다. 이 곡선을 통해 고온에서 출력 전류가 얼마나 급격히 떨어지는지, 입력 전류 크기에 따라 감쇄 기울기가 어떻게 달라지는지 읽어낼 수 있다. 아울러 같은 페이지의 \(V_{CE(sat)}-T_a\) 곡선도 함께 확인해 포화 전압의 변동을 살핀다.
데이터시트의 곡선은 대표적인 참고 특성이므로 전수 선별로 보증되는 최소 규격값과는 차이가 있다. 또한 \(V_{CE}=5\) V 조건에서 측정한 활성 영역(active region) CTR을 깊은 포화 영역(saturation region)의 유효 CTR로 그대로 끌어다 쓸 수는 없다. 따라서 그래프의 측정 바이어스와 정규화 기준, 랭크별 최소 보증 CTR을 대조하여 실제 동작점에서의 유효 CTR을 보수적으로 산정하고, 장기적인 LED 광량 감쇄(열화) 마진을 추가로 반영해 설계 여유를 둔다.
산출한 유효 최소 CTR을 적용하면 해당 \(V_{CE}\) 조건에서 출력단이 끌어당길 수 있는 가용 전류를 추정할 수 있다.
\[I_{C,avail}\approx I_{F,min}\frac{CTR_{min,eff}}{100}\] \[I_{C,req}=\frac{V_{PU,max}-V_{OL,target}}{R_{L,min}}+I_{leak,max}\]여기서 누설전류는 출력이 추가로 흡수(sink)해야 하는 최악조건 부하다. 정상적인 Low 레벨을 보장하려면 \(I_{C,req}\le I_{C,avail}\)이어야 하므로, 정적 Low 조건은 풀업 저항의 하한값을 결정한다.
\[R_{L,min}\ge\frac{V_{PU,max}-V_{OL,target}}{I_{C,avail}-I_{leak,max}}\]반대로 통신 속도를 맞추기 위한 출력 상승시간 조건은 저항의 상한값을 제한한다.
\[R_{L,max}\le\frac{t_{r,budget}}{2.2C_{load,max}}\]저항 공차를 고려했을 때 이 두 조건을 동시에 만족하는 저항값 구간이 존재해야 회로가 성립한다. 고온에서 CTR이 떨어져 가용 전류가 줄어들면 정적 조건을 맞추기 위해 더 큰 저항이 필요해지지만, 빠른 파형 복귀를 위해서는 저항을 줄여야 하는 설계 상충(trade-off)이 생긴다. 이를 단순히 LED 구동 전류를 늘려 해결하려 들면 포화 깊이가 깊어져 저장시간이 길어지고 LED의 장기 신뢰성도 저하된다. 저항값 여유가 나오지 않는다면 고속 로직 출력형으로 소자를 전환하는 것이 합리적이다. 아울러 LED OFF 시 고온 암전류(dark current)와 수신단 입력 누설로 인해 High 전압 레벨이 처지지 않는지도 점검한다.
TLP2361 같은 고속 로직 출력형 소자에서는 이러한 CTR 계산 대신 전 동작 온도 범위에서의 최대 입력 임계전류와 권장 ON 전류, 보증된 전파지연 스펙을 직접 기준으로 삼는다.
7. Fail-Safe는 전원과 배선 조건을 나누어 검증
수신측 전원과 Enable 신호가 정상이고 LED가 꺼져 있을 때, 반전형 포토IC는 RX 라인을 안전하게 High(Idle)로 유지한다. 실무에서는 이 기준 상태를 전제로 다음 이상 조건을 나누어 점검한다.
- 송신 보드 전원 차단: 타 회로 전원이나 GPIO 보호 다이오드 경로를 통해 LED로 역유입되는 전류가 없는가?
- 송신 MCU 리셋 및 High-Z: 부팅 시 내부 풀다운, 누설 전류, 외부 바이어스 때문에 의도치 않게 LED가 켜지지 않는가?
- LED 직렬 선로 단선: 신호선 단선 시 LED가 확실히 꺼지며 수신부 전원은 안정적으로 유지되는가?
- 수신측 전원 차단·투입 및 저전압(Brown-out): 수신부 전원이 불안정할 때 출력단 상태와 수신 MCU 입력의 부분 전원(partial power-down) 정격에 문제가 없는가?
수신부 전원 자체가 상실되었을 때는 RX High 상태를 보장할 수 없다. 부품 구조와 풀업 구성에 따라 출력이 Low로 떨어지는지, 고임피던스(Hi-Z)로 뜨는지, 혹은 불확정 상태가 되는지 회로 단위로 파악해 두어야 한다. 케이블 하네스 전체가 분리되는 경우와 LED 직렬 신호선 1가닥만 단선되는 경우의 거동도 나누어 분석한다.
만약 단선이나 전원 이상으로 RX가 지속적인 Low 상태에 빠지면 MCU는 이를 Break 신호나 프레이밍 에러로 인식한다. MCU 설계마다 오류 플래그 발생 시점이나 버퍼 처리, 자동 복구 루틴이 다르므로, 사용하는 MCU의 UART 레퍼런스 매뉴얼에 맞춰 예외 처리 절차를 구현한다.
8. 절연 하드웨어와 통신 검증 순서
양방향 UART 통신을 구성하려면 송신(TX→RX)과 수신(RX←TX) 경로를 각각 격리하는 2개 채널이 필요하다. 양측 수신부는 각 접지 도메인에서 독립적으로 공급되는 유효 전원을 요구한다. 일반적으로 독립된 로컬 전원이나 절연 DC-DC 컨버터를 함께 배치하며, 신호 절연 소자 자체는 전력을 전달하지 않으므로 수신측 전원 설계를 분리해 계획한다.
디지털 아이솔레이터(예: ISO7721 등)를 도입하면 광학 LED 특유의 CTR 열화나 수명 문제는 사라지지만, 상시 대기 전력 소비와 전원 차단 시 기본 출력 상태(default output state)를 면밀히 따져야 한다. 예컨대 TI ISO772x 계열은 입력 전원이나 신호가 끊겼을 때 출력을 High로 유지하는 기본형과 Low로 떨어뜨리는 F 접미사형으로 나뉜다. UART의 Idle 상태가 High인 만큼 시스템 기본 상태에 부합하는 모델을 골라야 한다. TI ISO772x 데이터시트
절연 내력은 데이터시트 첫 장의 단시간 내전압(dielectric withstand voltage) 수치에만 기대어 정하지 않는다. 상시 인가되는 실제 동작 전압, 기본절연 또는 강화절연 요구, 연면거리(creeping)와 공간거리(clearance), PCB 연면 슬릿 구조 및 관련 안전 규격을 종합 검토한다. 스위칭 노이즈가 심한 인버터나 전력 변환기 근처라면 공통모드 과도내성(CMTI, Common-Mode Transient Immunity) 스펙도 실제 스위칭 \(dv/dt\) 조건과 비교해 넉넉한 부품을 선정한다.
보드 검증은 다음 절차로 나누어 단계별로 진행한다.
- 논리 극성 확인: 송신단 TX와 수신단 RX 간에 Idle High, 스타트 비트 Low, 스톱 비트 High 논리가 정확히 일치하는지 먼저 검측한다.
- 동적 파형 및 패턴 시험:
0x55,0xAA,0x00,0xFF와 장문 연속 프레임을 전송하면서 신호 에지 시간, PWD, 수신 전압 레벨 및 통신 프레임 오류 유무를 계측한다. 연속 토글뿐 아니라 긴 Low(0x00) 유지 후 첫 High 복귀 시의 지연도 유심히 살핀다. - 온도·전원 4코너(Corner) 시험: 목표 최저·최고 온도와 전원 전압의 최소·최대 조건을 조합해 시험한다. 저온에서의 LED 순방향 전압(\(V_F\)) 상승에 따른 구동 전류 감소와 고온에서의 CTR 저하 및 암전류 증가가 통신 타이밍에 미치는 영향을 확인한다.
- 전원 차단 및 단선 시험: 송수신측 전원을 개별적으로 켜고 끄거나 MCU 리셋 및 LED 직렬 신호선 단선 상황을 모사한다. 통신 두절 시 MCU의 오류 검출, 버퍼 플러시, 전원 복구 후 자동 통신 재개 루틴이 의도대로 동작하는지 검증한다.
9. 설계 체크리스트
- 목표 보레이트와 부하 조건에서 소자의 전파지연·PWD 및 출력 전압 마진을 검토했는가?
- Idle High 상태에서 LED가 소등되며 TX에서 RX까지 신호가 비반전으로 정상 전달되는가?
- LED 구동 전류를 GPIO 출력 특성, 저항 공차, 온도 계수, 장기 열화 마진까지 반영해 최악조건으로 계산했는가?
- 고온 운용 시 선정한 부품 데이터시트의 CTR–온도 또는 고정 IF 조건 IC–온도 곡선을 직접 확인했는가?
- 데이터시트의 전형 곡선과 최소 보증값, 활성 영역 CTR과 포화 상태 CTR의 차이를 명확히 구분했는가?
- 출력 풀업 저항이 정적 Low 구동 조건(하한)과 동적 상승시간 요건(상한)을 동시에 충족하는가?
- 수신부 전원 정상 조건뿐 아니라 MCU 리셋, 선로 단선, 전원 차단 시의 RX 수신 라인 상태를 점검했는가?
- 양단 분리된 절연 전원과 접지 구성, 패키지 및 PCB의 연면·공간거리 요구사항을 만족했는가?
