전자회로 아이디어: (3)

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버스를 5V 신호로부터 보호하는 회로

그림 1의 회로는 전압을 자동적으로 검출하여, 3.3V 대응의 PCI와 같은 버스를 5V 진폭의 신호로부터 보호하는 회로이다. 보호 다이오드나 종단저항을 이용해서 적절한 종단전압을 설정하면 1버스사이클 이내에서 버스의 신호진폭을 어떤 값으로 설정하는 회로로서도 사용할 수 있다.
최근의 VLSI 기술은 가공 치수가 「딥 서브미크론」이라고 하는 영역에 도달했다. 이 때문에 이러한 기술로 제조하는 IC는 입출력부의 진폭이 3.3V로 제한되는 경우가 있다. 이 IC와 5V의 버스를 탑재하는 카드 등을 접속하면 IC에 손상을 주고만다.
그림 1의 회로는 1 버스사이클 이내에서 진폭이 3.3V보다 큰 신호를 정확하게 검출한다. 과전압을 검지했을 때에는 알람과 리셋 신호를 출력하여 유저와 시스템 양쪽으로 모두 알린다.
이 회로의 특징은 4가지가 있다. 첫째는 동기하여 과전압을 검출할 수 있으므로 신호가 오버슛에 의해 전압이 높아져도 알람을 출력하지 않는다는 점, 둘째는 버스에 대해서 임피던스가 높고, 용량이 작은 부하로서 동작한다는 점, 셋째는 과전압을 검출했을 경우에 시스템을 자동적으로 슛다운 할 수 있다는 점, 넷째는 응답시간이 1 버스 사이클보다 짧다는 점이다.
이 회로는 미국 이퀘이터 테크놀로지스사(
www.equator.com)의 동작전압이 3.3V인 프로세서「MAP-CA」패밀리와 조합하여 동작을 확인했다. 동작전압이 3.3V 이하의 시스템에도 적용이 가능하다. 이퀘이터사의 최신 칩은 동작전압이 3.3V라도 5V 진폭의 신호에 견딜 수 있다. 그러나, 동작전압이 1.8V나 2.5V 이외의 칩에서는 보호가 필요하다.
IC3에는 전달지연시간(TPD)이 4.5 ns로 짧은 미국 맥심 인티그레티드 프로덕트사(
www.maxim-ic.com)의 비교기 IC MAX999」를 사용했다. PCI 버스 신호선 중의 1선(PCI_AD10)으로 3.8V의 기준전압을 항상 비교하고 있다. 이 기준전압이면 5V신호가 3.3V의 보호 다이오드에 의해 클램프되었을 때의 전압인지, 통상적인 3.3V의 동작전압인지를 판별할 수 있다. 신호전압이 이 기준전압을 1 버스사이클에 걸쳐 넘었을 경우에 회로는 트랜지스터 Q1에 접속한 알람·버저를 울린다.
이 회로는 리셋 신호를 시스템에 출력할 수 있다. 이 신호는 시스템의 오류검출신호로도 사용할 수 있다. 알람용 레지스터 IC2B는 비동기형이다. 이 때문에 알람은 시스템에서 IC2B에 공급하는 전력을 정지하든가, 리셋 신호를 입력하여 해제한다.
신호의 overshoot이나 undershoot 현상으로 잘못하여 트리거가 걸리지 않도록 하기 위해 플립플롭 논리를 기본으로 한 레지스터 IC2A는 버스 클록신호의 상승 에지에서 비교기 IC의 출력을 받아들인다. 이 방법을 이용하면 일반적인 버스클록 신호 주파수인 33MHz에 있어서의 33 ns 주기내에서 신호가 안정화되고 나서 보호회로로서 동작하게 된다.
IC3의 3번 핀에 있어서 3p~5pF의 기생용량과 검출저항인 R2와 R3으로 구성되는 저대역 통과 필터에 의해 이 회로에서 대응할 수 있는 최대 클록신호 주파수가 정해진다. 따라서, IC3의 3번 핀과 R2, R3 사이의 배선을 짧게 하면 이 회로에서 대응할 수 있는 주파수를 최대 40M~50MHz로 할 수 있다. 게다가 R2와 R3의 저항값을 대칭성을 유지하면서 작게 하면 버스의 동작 주파수는 이론적으로는 최대 140MHz 이상(주기는 7 ns)으로 할 수 있다. 그러나 이 경우 버스의 부하전류가 커져 버린다.
PCI 버스에 이 회로를 실제로 적용하기 위해서는 비교기 IC3의 3번 핀을 PCI_AD10 신호와 접속하면 된다. PCI 버스를 사용하고 있는 기기는 다른 기기를 검출할 경우에 반드시 한번은 이 신호를 사용하기 때문이다. 다른 신호를 동시에 관측함으로써 동일한 기능을 실현할 수 있다. 그러나 PCI_AD10 신호를 감시하는 것만으로도,
BIOS가 시스템을 부트할 경우에 다른 기기를 검출하는 동작을 실행할 수 있다. 이 때문에 5V 대응의 PCI 버스를 사용한 기기를 찾아낼 수 있다.
5V 대응의 PCI 버스를 사용한 기기가 접속되었을 경우, 비교기 IC3의 1번 핀(출력 Q)은 PCI 버스 클록신호의 상승 에지에서 IC2A를 latch-on한다. 이렇게 해서 플립플롭 논리의 레지스터 IC2B가 동작하게 된다. 이 결과, 버저 LS1가 울림과 동시에 IC1의 오픈 컬렉터를 통해 음논리의 오류검출신호가 시스템에 출력된다. 이 오류검출신호를 이용하여 자동적으로 시스템을 정상화하는 기능도 실현할 수 있다. 이 경우, 고장난 회로를 동작시키지 않도록 한다.
검출저항 R2와 R3, 기준전위 생성용 저항 R5와 R6은 공칭오차가 1%의 금속피막저항을 사용할 필요가 있다. R5에 입력하는 5V의 기준전압이 비교기 IC의 임계값 확도를 결정한다. 최근의 전압 레귤레이터 IC는 충분한 전압확도가 있으므로 시스템의 5V 전원을 기준전압원으로 사용할 수 있다. 즉 별도로 5V 기준전압을 준비할 필요는 없다. 점퍼(보호회로 동작 스위치) JP1를 해제하면 이 회로의 동작을 무효로 할 수 있다.


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그림 1] 사용자에게 과전압을 알리는 회로
과전압을 검출했을 경우에 버저를 울림과 동시에 시스템에 대해서 오류검출신호를 출력한다. PCI_AD10를 입력신호에 이용했다.

 

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