들어가며
고압산소챔버(HBOT)를 제어하면서 챔버 내 압력 경로는 다음과 같이 구성했다.
비례제어 밸브가 압력을 정밀하게 조절하는 동안, 앞뒤의 솔레노이드 밸브(solenoid valve, 이하 솔밸브)는 경로 자체를 열고 닫는 역할을 한다. 치료가 시작되면 솔밸브가 열리고, 치료가 끝날 때까지 계속 열린 상태를 유지해야 한다.
문제는 솔밸브가 열린 상태를 유지하기 위해 코일에 전류를 계속 흘려야 한다는 것이었다. 일반적인 ON/OFF 구동 회로는 밸브가 열려 있는 내내 정격 전력을 소비한다. 밸브 2개가 120분짜리 HBOT 세션 동안 계속 켜져 있으면, 낭비되는 전력이 꽤 된다.
이걸 해결하려고 솔레노이드 구동 방식을 다시 들여다봤고, 그 과정에서 피크-앤-홀드(Peak & Hold) 개념과 DRV110을 알게 됐다.
솔레노이드 밸브 동작 원리
솔레노이드 밸브는 전자기력으로 플런저(plunger)를 이동시켜 유로를 개폐한다. 구조는 단순하다.
- 코일에 전류가 흐르면 자기장이 생성된다
- 자기장이 철심 플런저를 잡아당긴다 (또는 밀어낸다)
- 플런저가 이동하며 밸브가 열리거나 닫힌다
VXZ240FGE는 상시 닫힘(Normally Closed, N.C.) 타입이다. 전원이 없으면 스프링 힘으로 닫혀 있고, 코일에 전류를 공급해야 열린다.
HBOT에서는 이 특성이 안전 설계와 직결된다. 치료 중 예기치 않게 전원이 차단되면 N.C. 밸브는 즉시 닫혀 고압 상태가 유지된다. 비상 감압 밸브를 별도로 두어 압력을 뺄 수 있는 경로는 확보했지만, 그것만으로 충분하지 않다. 고압 상태에서 압력을 갑자기 빼는 것 자체도 위험하기 때문이다. 급격한 감압은 감압병(decompression sickness)이나 barotrauma를 유발할 수 있어, 비상 상황에서도 압력은 천천히, 제어된 속도로 낮춰야 한다.
여기서 핵심 포인트가 있다.
- 당기는 순간(Pull-in): 플런저가 정지 상태에서 이동해야 하므로 스프링 반발력 + 마찰을 이겨낼 만큼 큰 자기력이 필요하다 → 높은 전류 필요
- 붙어 있는 동안(Hold): 이미 이동한 플런저를 제자리에 붙들어 두기만 하면 된다. 자기 회로 에어갭이 줄어 효율이 올라가므로 → 훨씬 낮은 전류로 충분
일반 ON/OFF 구동은 이 차이를 무시하고 처음부터 끝까지 같은 전류를 흘린다. 당기는 데 필요한 높은 전류를 유지 단계에도 그대로 쓰는 것이다.
전통적인 구동 방식의 문제
VXZ240FGE의 코일 스펙은 다음과 같다.
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 정격 전압 | 24VDC |
| 소비전력 | 7W |
| 정격 전류 | ≈ 292mA |
| 코일 저항 | ≈ 82Ω |
MOSFET으로 직결 구동하면 밸브가 열려 있는 동안 항상 7W를 소비한다.
HBOT 한 세션이 120분이고, 가압·유지 구간(약 100분) 동안 솔밸브 2개가 동시에 열려 있다면:
$$P_{total} = 2 \times 7\text{W} = 14\text{W}$$$$E = 14\text{W} \times \frac{100}{60}\text{h} \approx 23.3\text{Wh (세션당)}$$밸브 코일 하나가 뜨거워지는 것도 문제다. 코일에 292mA가 계속 흐르면 $P = I^2 R = 0.292^2 \times 82 \approx 7\text{W}$ 만큼 열이 발생한다. 장시간 운용에서 코일 수명에도 영향을 준다.
피크-앤-홀드 개념
솔레노이드의 특성을 이용하면 훨씬 효율적인 구동이 가능하다.
- 피크 구간: 밸브를 처음 열 때만 정격 전류(292mA)를 짧게 공급한다
- 홀드 구간: 플런저가 열린 위치에 고정되고 나면 낮은 전류(예: 100mA)로 떨어뜨려 유지한다
플런저가 자성체에 밀착되면 자기 회로 효율이 올라가므로, 정격 전류의 1/3 수준만으로도 충분히 붙들어 둘 수 있다.
| 구간 | 전류 | 소비전력 |
|---|---|---|
| 피크 (수십 ms) | 292mA | 7W |
| 홀드 (수십~수백 분) | 100mA | 2.4W |
피크 구간은 수십 밀리초에 불과하므로, 실제 에너지 소비는 거의 홀드 구간이 결정한다.
DRV110
Texas Instruments의 DRV110은 피크-앤-홀드 동작을 IC 하나로 처리한다. EN 핀에 HIGH 신호를 주면 피크 전류로 구동을 시작하고, $t_{KEEP}$ 시간이 지나면 자동으로 홀드 전류로 전환한다.
회로 구성
외부 MOSFET을 통해 솔레노이드를 구동한다. 설정에 필요한 부품은 저항 3개(RPEAK, RHOLD, RSENSE)와 커패시터 1개(CKEEP)가 전부다.
| 부품 | 역할 |
|---|---|
| RSENSE | 코일 전류 감지용 션트 저항 |
| RPEAK | 피크 전류 설정 |
| RHOLD | 홀드 전류 설정 (14핀 패키지만) |
| CKEEP | 피크 유지 시간 설정 |
| RS | VIN 과전압 보호 (VS > 15V일 때 필요) |
전류 설정 공식
DRV110은 RSENSE 양단 전압을 기준으로 전류를 제어한다. 피크/홀드 전류는 각각 RPEAK/RHOLD로 설정된 기준 전압 $V_{PEAK}$, $V_{HOLD}$와 RSENSE의 비율로 결정된다.
$$I_{PEAK} = \frac{V_{PEAK}}{R_{SENSE}}, \quad I_{HOLD} = \frac{V_{HOLD}}{R_{SENSE}}$$$V_{PEAK}$는 RPEAK 값에 따라 300mV~900mV 범위에서 설정된다.
피크 유지 시간은 CKEEP으로 설정한다.
$$t_{KEEP}\ [\text{s}] = C_{KEEP}\ [\text{F}] \times 10^5$$VXZ240FGE 적용 계산
| 설계 조건 | 값 |
|---|---|
| 피크 전류 목표 | 300mA (정격, 확실한 개방) |
| 홀드 전류 목표 | 100mA (정격의 약 1/3) |
| 피크 유지 시간 | 20ms (밸브 동작 완료 여유) |
RSENSE — 전류 측정 기준 저항
$$R_{SENSE} = 1\ \Omega$$RPEAK — 피크 전류 설정
데이터시트 기준: $R_{PEAK} = 200\text{k}\Omega$ 일 때 $I_{PEAK} = 300\text{mA}$ (RSENSE = 1Ω)
$$R_{PEAK} = 200\ \text{k}\Omega$$RHOLD — 홀드 전류 설정 (14핀 패키지)
$R_{HOLD} = 50\text{k}\Omega$ → $I_{HOLD} = 150\text{mA}$, $R_{HOLD} = 200\text{k}\Omega$ → $I_{HOLD} = 50\text{mA}$이므로, 100mA를 위해 중간값 사용.
$$R_{HOLD} \approx 100\ \text{k}\Omega \rightarrow I_{HOLD} \approx 100\ \text{mA}$$CKEEP — 피크 유지 시간
$$C_{KEEP} = \frac{t_{KEEP}}{10^5} = \frac{20 \times 10^{-3}}{10^5} = 200\ \text{nF} \rightarrow \text{표준값 }220\ \text{nF}$$RS — VIN 과전압 보호 저항
VS = 24V가 DRV110의 내부 레귤레이터 상한(15V)을 초과하므로 RS가 필요하다.
$$R_S = \frac{V_S - 15\text{V}}{1\text{mA}} = \frac{24 - 15}{0.001} = 9\ \text{k}\Omega \rightarrow 9.1\ \text{k}\Omega$$실제 회로에서는 1% 정밀 저항을 사용했고, 동작 여유를 고려해 피크 전류는 정격보다 약간 높게, 홀드 전류와 tKEEP는 여유 있게 잡아 부품값을 최종 결정했다.
부품값을 잘못 설정하면 밸브가 제대로 동작하지 않는다. RPEAK가 너무 높으면 피크 전류가 부족해 밸브가 아예 열리지 않고, 너무 낮으면 코일이 과열될 수 있다. RHOLD는 플런저가 붙은 상태를 유지할 수 있는 최솟값 이상이어야 한다. 너무 높게 잡으면 홀드 전류가 부족해 플런저가 도중에 떨어지면서 밸브가 의도치 않게 닫힌다. CKEEP도 중요한데, 너무 작으면 밸브가 완전히 열리기 전에 홀드 전류로 전환되어 개방에 실패할 수 있다.
전력 절감 결과
홀드 시 밸브 소비전력:
$$P_{hold} = I_{hold} \times V = 0.100 \times 24 = 2.4\ \text{W (1개)}$$| 방식 | 밸브 2개 소비전력 | 세션당 에너지 (가압·유지 100분) |
|---|---|---|
| MOSFET 직결 | 14W | 23.3Wh |
| DRV110 피크-앤-홀드 | 4.8W | 8.0Wh |
| 절감 | 9.2W (66%) | 15.3Wh (66%) |
정리
솔레노이드 밸브는 당기는 힘과 붙어 있는 힘의 요구량이 다르다. 직결 구동은 이 차이를 무시하고 항상 최대 전류를 공급한다. DRV110은 이 차이를 이용해 피크 구간에만 충분한 전류를 쓰고, 이후에는 낮은 전류로 유지한다.
밸브가 많고 장시간 통전되는 시스템일수록 효과가 크다. HBOT처럼 한 세션이 120분이고 복수의 솔밸브가 내내 켜져 있는 구조라면, 저항 두 개로 66% 전력 절감은 꽤 실용적인 선택이다.
회로도 및 그래프 출처: Texas Instruments, DRV110 데이터시트 (SLVSBA8)