[ZSC31014] 사양 정리

ZSC31014는 Renesas Electronics에서 제공하는 RBicdite™ Digital Output Sensor Signal Conditioner로, 주로 센서 신호의 고정밀 증폭 및 아날로그-디지털 변환(ADC)을 위해 설계된 CMOS 집적 회로입니다. 이 장치는 차동(differential) 및 하프 브리지(half-bridge) 입력 신호를 처리하며, 오프셋, 감도, 온도 드리프트, 비선형성을 디지털 방식으로 보정할 수 있습니다. 아래는 ZSC31014의 사용법에 대한 주요 지침입니다.

1. ZSC31014 개요

1. 주요 기능:
   •   차동 및 하프 브리지 센서 신호의 증폭 및 14비트 ADC 변환.
   •   오프셋, 1차 및 2차 스팬, 온도 보정(Tco, Tcg)을 지원.
   •   저전력 Sleep Mode 및 Update Mode 지원.
   •   I²C 또는 SPI 인터페이스를 통해 디지털 출력 제공.
   •   내부 온도 센서를 통한 온도 보정 가능.
   •   진단 기능(EEPROM 무결성, 센서 연결/단락 체크 등).
2. 응용 분야:
   •   산업: 빌딩 자동화, 데이터 로거, 압력계, 누출 감지.
   •   의료: 주입 펌프, 혈압계, 공기 매트리스.
   •   가전: 유체 레벨, 냉매 모니터링.
   •   소비자: 웨어러블 기기, 날씨 스테이션, 욕실 저울, 장난감 등.

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2. ZSC31014 설정 및 사용 단계

ZSC31014를 효과적으로 사용하려면 다음과 같은 단계를 따라야 합니다:

2.1. 하드웨어 연결

1. 핀 구성 (SOP-8 패키지 기준, 페이지 54 참조):
   •   VDD (Pin 8): 2.7V~5.5V 전원 연결.
   •   VSS (Pin 1): 접지(GND) 연결.
   •   VBP/VBN (Pin 3, 4): 차동 센서(브리지)의 양극/음극 입력.
   •   Bsink (Pin 2): 저전력 Bsink 옵션 사용 시 브리지 접지로 사용(사용하지 않을 경우 NC).
   •   SCL/SCLK (Pin 5): I²C 또는 SPI의 클럭 신호.
   •   SDA/MISO (Pin 6): I²C 데이터 또는 SPI 데이터 출력.
   •   INT/SS (Pin 7): I²C 모드에서는 인터럽트, SPI 모드에서는 슬레이브 선택 신호.
2. 외부 커패시터: VDD와 GND 사이에 100nF~470nF 커패시터를 연결(페이지 6, Table 1.2).
3. 풀업 저항: I²C 모드에서 SDA 및 SCL에 최소 1kΩ 풀업 저항 연결.
4. 브리지 저항: 0.2kΩ~100kΩ 범위의 브리지 저항 사용 가능.

 

ZSC31014 Block Diagram

2.2. 동작 모드 설정

ZSC31014는 두 가지 주요 동작 모드를 지원합니다(페이지 26~30):

1. Update Mode:
   •   연속적으로 설정된 주기(Update Rate)에 따라 측정 및 보정을 수행.
   •   Update Rate는 EEPROM의 Update_Rate 비트(EEPROM word 01HEX, 비트 [7:6])로 설정:
     •   1MHz 클럭: 1.6ms, 5ms, 25ms, 125ms.
     •   4MHz 클럭: 0.5ms, 1.5ms, 6.5ms, 32ms (페이지 29, Table 3.2).
   •   전력 소모를 줄이기 위해 느린 업데이트 주기를 선택 가능.
2. Sleep Mode:
   •   저전력 모드로, 마스터로부터 명령(Read_MR 또는 Write_MR)을 받을 때만 측정 수행.
   •   전형적인 전류 소모: 25°C에서 <2μA (페이지 10, Figure 1.3).
   •   I²C 또는 SPI를 통해 Measurement Request(MR)로 깨어남(페이지 34).

2.3. 아날로그 프론트 엔드(AFE) 설정

1. 프리앰프(PreAmp) (페이지 14):
   •   8가지 아날로그 게인 설정 가능(1.5, 3, 6, 12, 24, 48, 96, 192).
   •   게인 설정은 EEPROM의 B_Config 레지스터(0FHEX, 비트 [6:4])에서 조정.
   •   높은 게인에서는 오프셋이 증폭되므로 ADC 포화를 방지하기 위해 Nulling 기능 사용(비트 [12], 페이지 15).
   •   게인 극성(Gain_Polarity)은 B_Config 비트 [7]로 설정(0: 음수, 1: 양수).
2. ADC 오프셋:
   •   A2D_Offset (B_Config 비트 [3:0])를 통해 ADC 입력 범위를 조정(페이지 16, Table 2.4).
   •   예: 1000은 -1/2 ~ 1/2 VREF 범위.
3. Bsink 옵션:
   •   저전력 모드에서 브리지 전원을 주기적으로 끄고 켜서 전력 소모 감소(페이지 18).
   •   예: 2.5kΩ 브리지에서 5V 바이어스 사용 시, 6.35ms 업데이트 주기에서 평균 112μA 소모.

2.4. 디지털 인터페이스 설정

1. I²C 인터페이스 (페이지 20~21):
   •   슬레이브 주소는 EEPROM word 02HEX, 비트 [9:3]로 설정(기본값: 28HEX).
   •   지원 비트레이트: 1MHz 클럭에서 100kHz, 4MHz 클럭에서 100kHz 또는 400kHz.
   •   명령: Read_MR, Read_DF2/3/4, Write_MR, Command Mode Write (페이지 33~37).
   •   INT/SS 핀은 인터럽트로 작동하며, 데이터 준비 시 상승.
2. SPI 인터페이스 (페이지 22, 34~35):
   •   SPI 극성은 SPI_Polarity 비트(EEPROM word 02HEX, 비트 0)로 설정.
   •   데이터 패킷: 4바이트(브리지 데이터 14비트 + 온도 데이터 11비트, 페이지 35, Figure 3.8).
   •   Read_MR은 SS 핀을 8μs 이상 낮춘 후 올려 측정을 시작.

2.5. 캘리브레이션

ZSC31014는 센서 특성에 맞게 디지털 보정을 수행해야 합니다(페이지 44~48). 캘리브레이션 과정은 다음과 같습니다:

1. 고유 식별자 할당:
   •   EEPROM word 00HEX, 0EHEX, 13HEX에 고객 ID 저장(페이지 45).
   •   공장 설정값(Y 좌표 등)을 기록해 두는 것이 중요.
2. 데이터 수집:
   •   알려진 압력과 온도에서 보정되지 않은(raw) 브리지 데이터를 수집.
   •   Offset_B를 적절히 설정해 raw 데이터를 얻음(페이지 15, Table 2.4).
3. 계수 계산 및 EEPROM 저장:
   •   IDT 제공 소프트웨어(DLL)를 사용해 보정 계수(Gain_B, Offset_B, Tcg, Tco, SOT 등) 계산.
   •   계산된 계수를 EEPROM에 기록(페이지 40~43, Table 3.7).
   •   주요 계수:
     •   Gain_B: 브리지 게인(페이지 48, Table 3.9).
     •   Offset_B: 브리지 오프셋(페이지 48, Table 3.10).
     •   Tcg, Tco: 온도 보정 계수.
     •   SOT 계수: 2차 비선형성 보정(페이지 46~47).

2.6. 진단 기능

1. EEPROM 무결성 체크 (페이지 25):
   •   16비트 서명(LFSR)을 통해 EEPROM 데이터 무결성 확인.
   •   서명 불일치 시 진단 상태 출력(2 MSBs = 11, 페이지 24).
2. 센서 연결/단락 체크:
   •   브리지 연결 상태 및 단락 여부를 지속적으로 모니터링.
   •   단락 감지 시 BP 입력을 일시적으로 접지로 끌어내어 확인(페이지 25).
3. 진단 상태는 다음 측정 사이클에서 보고되며, 수정 후 전원 재설정(POR) 필요.

2.7. 전원 관리

•   전원 공급: 2.7V~5.5V (페이지 6, Table 1.1).
•   전류 소모:
  •   Update Mode: 최소 70μA (1MHz, 느린 업데이트) ~ 2.5mA (4MHz, 빠른 업데이트, 페이지 7).
  •   Sleep Mode: <2μA (25°C, 페이지 10).
•   클럭 선택: 1MHz(저전력, 저노이즈) 또는 4MHz(고속, 페이지 23).

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3. 응용 회로 예시

ZSC31014 데이터시트는 세 가지 응용 회로를 제공합니다(페이지 50~52):

1. I²C 인터페이스 - Bsink 옵션 (페이지 50, Figure 4.1):
   •   저전력 Bsink과 내부 온도 보정 사용.
   •   설정: B_Config = 0010 1010 0100, T_Config = 공장 설정 유지.
2. 범용 차동 A2D 변환기 (페이지 51, Figure 4.2):
   •   PreAmp_Gain = 24, A2D_Offset = -1/2 ~ 1/2.
   •   설정: B_Config = 0100 1010 0100.

3. 하프 브리지 측정 (페이지 52, Figure 4.3):

•   Honeywell HIH4000 습도 센서 사용.
•   PreAmp_Gain = 1.5, Nulling 비활성화.
•   설정: B_Config = 0110 0000 0010.

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4. 평가 및 지원

•   평가 키트: ZSC31014KIT (페이지 55)에는 통신 보드, 센서 보드, USB 케이블, 샘플 IC 5개 포함.
•   소프트웨어: Renesas 웹사이트에서 다운로드 가능.
•   관련 문서 (페이지 56):
  •   ZSC31014 SSC Evaluation Kit Description.
  •   ZSC31014 Technical Note-Detailed Equations for Calibration Math (요청 시 제공).
•   캘리브레이션 시스템: 대량 캘리브레이션을 위한 Renesas Mass Calibration System 사용 가능.

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5. 주의사항

•   EEPROM 설정 변경: T_Config(10HEX) 및 Osc_Trim(11HEX)은 공장 설정값을 유지해야 함(페이지 43).
•   고객 ID 저장: 공장 설정값(Y 좌표 등)을 덮어쓰기 전에 기록(페이지 45).
•   고속/고게인 사용 시: PreAmp_Gain = 96 또는 192, 4MHz 클럭 사용 시 3점 온도 캘리브레이션 필요(페이지 8).
•   ESD/래치업 보호: 모든 핀은 >4000V ESD 보호 및 ±100mA 래치업 보호 제공(페이지 53).

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6. 시작 가이드

1. 하드웨어 준비:
   •   센서와 ZSC31014를 연결하고, VDD, VSS, I²C/SPI 핀을 적절히 배선.
   •   Bsink 사용 여부 결정.
2. EEPROM 설정:
   •   I²C 또는 SPI 모드, 클럭 속도, 업데이트 주기 등을 EEPROM에 프로그래밍.
   •   센서 신호 범위에 맞게 B_Config에서 게인 및 오프셋 설정.
3. 캘리브레이션:
   •   IDT 제공 소프트웨어로 데이터 수집 및 계수 계산.
   •   계산된 계수를 EEPROM에 기록.
4. 동작 테스트:
   •   Update Mode 또는 Sleep Mode로 동작 확인.
   •   I²C/SPI를 통해 데이터 읽기 및 진단 상태 확인.