전원 공급 장치 기초 : 작업 모드, 원격 감지, 리플, 노이즈

연구, 설계, 개발 및 생산 어플리케이션에서 일반적으로 사용되는 DC 전원 공급 장치는 연결된 디바이스에 DC 전원을 공급할 수 있는 계측기입니다. 전원 공급 장치에 연결된 디바이스는 상황에 따라 로드, 테스트 대상 디바이스(DUT) 또는 테스트 대상 유닛(UUT)으로 불릴 수 있습니다. DUT의 특성을 분석하거나 DUT가 예상대로 작동하는지 테스트하기 위해, 많은 DC 전원 공급 장치는 전원을 공급하는 동시에 DUT에서 소비하는 전압 또는 전류를 측정하는 기능을 갖추고 있습니다. 일반적으로 전원 공급 장치는 정전류 또는 정전압을 제공하고 그 결과로 발생하는 전압 강하 또는 전류 소모를 모니터링합니다. 프로그래 가능한 DC 전원 공급 장치는 컴퓨터로 디바이스와 통신하여 자동화할 수 있습니다. 일부 프로그래 가능한 DC 전원 공급 장치는 출력 시퀀스 또는 측정값을 온보드 메모리에 저장할 수 있는 반면, 다른 장치는 즉각적인 동작만 처리할 수 있습니다.

^{그림 1. 대부분의 DC 전원 공급 장치는 양의 전압과 양의 전류를 제공하는 사분면 I, 또는 음의 전압과 음의 전류를 제공하는 사분면 III에서 작동합니다.}

그림 1의 I-V 다이어그램을 참조하면, 대부분의 DC 전원 공급 장치는 양의 전압과 양의 전류를 제공하는 사분면 I, 또는 음의 전압과 음의 전류를 제공하는 사분면 III에서 작동합니다. DC 전력을 계산하는 공식은 P = V x I입니다. 사분면 I에서는 전압과 전류가 모두 양수이며 사분면 III에서는 전압과 전류가 모두 음수입니다. 두 경우 모두, 숫자를 전력 공식에 대입하면 양의 전력 출력값이 나오며, 이를 소싱이라고 합니다. 사분면 II 및 IV에서 작동하면 음의 전력 출력이 발생하며, 이를 싱킹이라고 합니다. 소싱 시는 전력이 공급 장치에서 생성되고 DUT에서 사라집니다. 싱킹 시는 전력이 DUT에서 생성되고 공급 장치에서 사라집니다.

소스 측정 유닛(SMU)이라고 하는 일부 디바이스는 4개 사분면 모두에서 작동하여 전력을 소싱 및 싱킹할 수 있습니다. SMU는 이상적인 충전식 배터리로 생각할 수 있습니다. 이 배터리는 충전기에 연결하면 배터리가 충전기로부터 전력을 끌어옵니다. 즉, 싱킹 장치로 동작합니다. 그런 다음 충전기에서 배터리를 분리하고 이를 사용하여 손전등에 전원을 공급하면 배터리가 전구에 전력을 공급하는 소스가 됩니다. SMU는 일반적으로 배터리, 태양 전지, 전원 공급 장치, DC-DC 변환기 또는 기타 전력 생성 디바이스의 특성을 분석하는 데 사용됩니다.

DC 전원 공급 장치와 SMU를 구별하는 또 다른 요소는 정밀도입니다. 일부 어플리케이션은 특히 까다롭고, 일반적인 전원 공급 장치보다 더 높은 정밀도를 요구합니다. SMU는 µV 또는 pA 범위의 높은 정밀도를 갖는 것이 일반적이며, 이것이 바로 소싱된 값과 측정된 값의 정확도가 중요하고 일반적인 전원 공급 장치의 감도보다 높은 감도를 요구되는 경우에 SMU가 선호되는 이유입니다. 정밀도가 매우 중요한 경우, NI의 아날로그 샘플 품질: 정확도, 감도, 정밀도 및 노이즈 백서를 참고하십시오.

전원 소싱과 싱킹의 차이점을 이해하는 것 외에, 정전압 모드와 정전류 모드의 차이점을 이해하는 것도 중요합니다. 프로그래 가능 DC 전원 공급 장치는 원하는 출력 레벨과 부하 조건에 따라 정전압 모드 또는 정전류 모드로 작동할 수 있습니다.

정전압 모드

전압 제어 모드라고도 하는 정전압 모드에서는, 전원 공급 장치가 전압 소스처럼 동작하여 출력 터미널의 전압을 일정하게 유지하는 동시에 전류 출력은 부하 조건에 따라 변하게 합니다. 부하 저항이 변경될 때 전원 공급 장치의 출력 전압 레벨을 유지하려면 옴의 법칙(V = I x R)에 따라 공급된 전류도 이에 비례하여 변경되어야 합니다. DUT의 저항이 갑자기 떨어지면 전원 공급 장치는 전압을 일정하게 유지하기 위해 전류를 증가시킵니다.

프로그래 가능한 DC 전원 공급 장치를 사용할 때는 원하는 전류 제한을 설정할 수 있습니다. 부하가 프로그램된 전류 제한보다 더 많은 전류를 소비하려고 하면 전원 공급 장치가 규정을 준수하여 작동하기 시작합니다. 즉, 전원 공급 장치는 사용자가 프로그램한 전류 제한을 위반하지 않고는 요청된 출력 전압 레벨에 도달할 수 없습니다. 이 때 전원 공급 장치는 정전류 모드로 전환되고 전류는 전류 제한값으로 유지됩니다. 이 중요한 로드 저항 레벨을 규정 저항이라고 하며, 전압 설정값을 전류 제한으로 나누어 계산할 수 있습니다. 규정 저항의 다른 일반적인 이름은 임계 저항 및 크로스오버 저항입니다.

예를 들어, DUT에 일정한 5V(VS = 5V)를 공급하고 싶다고 하면 일반적으로 50Ω의 부하 저항(RL = 50Ω)이 공급됩니다. 또한 DUT의 손상을 방지하기 위해 전류 출력을 300mA(IS = 0.3A)로 제한하기로 결정합시다. 규정 저항 공식(RC = VS / IS)을 사용하면, 16.67Ω이 출력을 정전압 모드에서 작동하도록 유지하기 위한 최소 부하 저항임을 계산할 수 있습니다. 부하 저항이 변동하더라도 16.67Ω 이상을 유지하면, 전원 공급 장치는 계속 일정한 5V를 제공합니다. DUT에 장애가 발생하여 부하 저항이 16.67Ω 미만으로 떨어지면 전원 공급 장치는 규정에 맞게 작동하도록 정전류 모드로 전환되며 5V 미만의 전압 레벨에서 300mA의 안정된 전류를 출력합니다.

^{그림 2. 정전압을 출력할 때는 전류 제한을 설정하여 DUT를 보호할 수 있습니다.}

정전류 모드

정전류 모드는 본질적으로 정전압 모드의 반대입니다. 전류 제어 모드라고도 하는 정전류 모드에서는 전원 공급 장치가 전류 소스처럼 작동하여 출력 터미널을 통해 흐르는 전류를 일정하게 유지하는 동시에 출력 전압은 부하 조건에 따라 변합니다. 옴의 법칙을 참조하면, 부하 저항이 변경될 때 일정한 전류를 유지하려면 전압도 적절하게 변경되어야 합니다. 이전 예제의 DUT에 장애가 발생하여 부하 저항이 떨어지면 전원 공급 장치가 출력 전압을 비례적으로 감소시켜 전류를 일정하게 유지합니다. 예를 들어, 고전류로 인해 손상될 수 있는 LED를 제어할 때는 정전류 작동이 바람직합니다.

또한 정전류 모드는 설정 가능한 전압 한계값에 의해 제한되며, 정전압 모드와 유사한 규정 저항을 부과합니다. 정전압 모드 섹션에서 사용한 것과 동일한 식을 사용하여 정전류 작동에 대한 규정 저항값을 계산할 수 있습니다. 그러나 정전류 모드의 경우, 원하는 정전류를 유지하려면 부하 저항이 규정 저항 미만으로 유지되어야 합니다. 그림 2는 정전압 모드와 정전류 모드 모두에 대한 규정 저항 개념을 보여줍니다.

리튬 이온 배터리 충전은 정전압 및 정전류 작동이 모두 필요한 특별한 분야입니다. 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 기억 효과의 부재, 미사용 중 느린 방전으로 인해 휴대용 전자 제품에 흔한 유형의 충전식 배터리입니다. 리튬 이온 배터리를 재충전하려면 전원 공급 장치가 일정한 전류를 인가하고 배터리가 최대 전압에 도달할 때까지 배터리 전압 레벨을 모니터링해야 합니다. 리튬 이온 배터리가 완전히 충전되면, 전원 공급 장치는 배터리를 최대 전압으로 유지하는 데 필요한 최소 전류를 제공하는 정전압 모드로 전환해야 합니다.

대부분의 프로그램 가능한 DC 전원 공급 장치의 주요 기능은 생성된 전류와 전압을 측정하는 기능입니다. 이 기능은 I-V 곡선 추적과 같이 여러 전압 설정값에서 전류 소모를 측정해야 하는 여러 분야에서 필수적입니다. 프로그램 가능한 DC 전원 공급 장치의 측정 작업은 디지털 멀티미터(DMM)의 측정 기능과 유사합니다. 어떤 측정 디바이스와도 마찬가지로, 측정을 수행하는 속도와 이러한 측정에서 발생하는 노이즈의 양 사이에는 절충 관계가 있습니다.

이러한 측정을 수행하려면 사용자의 환경에 적합한 측정 방법을 사용하는 프로그램 가능한 전원 공급 장치를 선택하십시오. 예를 들어, NI는 여러 일반적인 프로그램 언어용 API가 포함된 NI-DCPower와 쉽고 효율적인 대화식 측정에 사용할 수 있는 InstrumentStudio를 제공합니다. 

정밀한 전압을 정확하게 소싱하거나 측정할 때의 문제는 도선 저항이 DUT에 표시되는 전압에 미치는 영향입니다. 도선 저항은 항상 존재하지만 매우 길고 작은 게이지의 선을 사용할 때 문제가 될 수 있습니다. 테이블 1은 다양한 구리선의 게이지에 따른 일반적인 저항값을 보여줍니다. 일반적으로 몇 옴을 넘지 않지만, 이러한 작은 저항은 특히 DUT의 내부 저항이 작은 경우 DUT가 받는 전압에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

^{테이블 1. 도선 저항은 DUT가 받는 전압에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.}

그림 3은 전원을 DUT에 연결하는 전원 공급 계측기, 도선으로 구성된 일반적 회로의 다이어그램을 보여줍니다. 이 경우, 도선은 24피트 길이의 26 AWG 구리선으로, 전원을 DUT에 연결하는 양극과 음극 도선 모두에서 약 1Ω의 도선 저항이 발생합니다. 전원 공급 장치에서 나오는 전류는 Rlead1과 Rlead2에 전압 강하를 일으켜 RDUT의 전압이 V_소스보다 작아집니다.

^{그림 3. 이것은 DUT가 수신하는 전압을 계산하는 데 사용할 수 있는 일반적인 프로그램 가능 DC 전원 공급 장치의 연결 다이어그램 예를 보여줍니다.}

전원이 5V의 출력으로 설정되고 DUT의 임피던스가 1kΩ이라고 가정하면, 다음 방정식을 사용하여 DUT의 터미널에서 보이는 실제 전압을 계산할 수 있습니다.

최초에는, 실제로 보이는 전압이 4.99V입니다. 일부 디바이스의 경우 이 작은 차이가 문제가 되지 않지만 작동 전압에 기반한 정밀한 특성화가 필요한 분야에서는 이 에러가 치명적일 수 있습니다. 또한 입력 임피던스가 낮아 많은 전류를 소비하는 디바이스의 경우, DUT의 실제 전압은 전원 공급 장치의 출력 전압보다 훨씬 낮을 수 있습니다. 테이블 2는 더 낮은 입력 임피던스 값을 고려했을 때 예제 DUT에 표시되는 값을 나열합니다.

^{테이블 2. 입력 임피던스가 더 낮은 디바이스의 경우, DUT에서 관찰되는 전압은 도선 저항으로 인해 전원 공급 장치의 출력 전압보다 훨씬 낮을 수 있습니다.}

도선 저항으로 인한 전압 에러에 대한 솔루션은 4선 감지라고도 하는 원격 감지입니다. 이 기술은 DUT에서 직접 전압을 측정하고 그를 보상하여 도선 저항 양단의 전압 강하를 처리합니다. 이 방법은 DMM이 4선 저항 측정을 수행하여 저항 측정에서 도선 저항의 영향을 제거하는 방식과 유사합니다. 대부분의 전원 공급 장치, SMU 및 DMM은 출력에 2개의 추가 터미널이 있어 이 4선 원격 감지 기술을 사용할 수 있으며, 이러한 추가 터미널은 그림 4와 같이 DUT에 직접 연결됩니다. 원격 감지에 사용되는 선에는 여전히 도선 저항이 있지만 전압 측정은 높은 임피던스이므로 감지 선을 통해 전류가 흐르지 않고 전압 강하가 나타나지 않습니다.

^{그림 4. 원격 감지는 도선 저항의 영향을 제거할 수 있는 4선 연결 기술입니다.}

리플 및 노이즈

어플리케이션에서 어떤 프로그램 가능한 DC 전원 공급 장치를 사용할지 고려할 때, 중요한 것은 PARD(주기적 무작위 편차, Periodic and Random Deviation)라고도 불리는 출력 리플과 노이즈를 고려하는 것입니다. 진정한 노이즈는 무작위이며 주파수 영역에서 볼 때 모든 주파수에 퍼져 있는 반면, 리플은 일반적으로 주기적입니다. 리플은 벽 콘센트의 AC 전원을 원하는 DC 레벨로 변환하는 데 필요한 AC-DC 정류에 의해 생깁니다. 전원 공급 장치에서 사용하는 조정 유형에 따라 리플은 하나 또는 두 개의 기본 주파수를 갖습니다.

DC 전원 공급 장치는 일반적으로 선형 또는 스위칭 조정을 사용하여 50/60Hz AC 전원을 DC 전원 신호로 변환합니다. 선형 조정 전원 공급 장치는 AC-DC 트랜스포머를 사용하여 라인 전압을 안정적인 DC 출력으로 변환합니다. 따라서 선형 조정된 전원 공급 장치의 전압 출력은 일반적으로 노이즈에 추가로 50/60Hz의 저주파 리플을 가집니다. 선형 조정 전원 공급 장치는 일반적으로 리플과 노이즈가 낮지만 효율이 낮고 크기가 크며 더 많은 열을 발생시킵니다. 반면에, 스위칭 전원 공급 장치는 50/60Hz 전류를 훨씬 더 높은 주파수로 변환하여 50/60Hz의 저주파 리플과 함께 일부 주기적 고주파 리플을 생성합니다. 스위칭 전원 공급 장치는 일반적으로 크기가 더 작고 발열이 적으며 더 효율적이지만 고주파 노이즈에 매우 취약합니다. 그림 5는 고주파 리플과 무작위 노이즈를 보여줍니다.

^{그림 5. 전원 공급 장치에서 노이즈는 일반적으로 무작위이며 모든 주파수에 퍼젼서 나타나고 리플은 주기적입니다.}

또한 프로그램 가능한 DC 전원 공급 장치로부터의 전송은 고유한 시스템 노이즈에 추가로 환경 노이즈의 영향을 받을 수 있습니다. 환경 노이즈의 영향을 줄이려면 가능하면 차폐된 연선을 사용하는 것이 중요합니다.

상승 시간 및 안정화 시간

상승 시간과 안정화 시간은 전원 공급 장치가 원하는 전압 레벨에 도달하고 안정화하는 능력을 나타내는 핵심 지표입니다. 그 중 상승 시간은 출력이 설정 출력의 10%에서 90%까지 가는 데 필요한 시간입니다. 안정화 시간은 출력 채널이 상승 시간을 포함하여 최종 값의 지정된 백분율 내에서 안정화되는 데 걸리는 시간을 나타냅니다.

그림 6은 전원 공급 장치 출력이 0V에서 10V로 변할 때의 상승 시간과 안정화 시간을 보여줍니다.

^{그림 6. 상승 시간과 안정화 시간은 전원 공급 장치가 원하는 전압 레벨에 도달하고 안정화하는 능력을 나타내는 핵심 지표입니다.}

상승 시간과 안정화 시간은 다음 측정을 수행하기 전에 회로가 과도 상태에서 회복될 때까지 기다려야 하는 시간을 더하므로, 측정 시간에 직접적인 영향을 미칠 수 있어서 중요한 전원 공급 장치 스펙입니다. 측정 시간은 자동화된 테스트 시스템과 같이 측정 시간을 줄이면 전체 비용을 절감할 수 있는 상황에서 특히 중요합니다.

과도 응답

과도 응답은 일반적으로 평형 상태에서의 변화에 대한 시스템의 응답을 나타냅니다. DC 전원 공급 장치의 경우, 과도 응답은 정전압 모드에서 작동하는 전원 공급 장치가 부하 전류의 급격한 변화에 어떻게 반응하는지를 설명합니다. 전류 펄스와 같은 부하 전류의 변화는 그림 7과 같이 큰 과도 전압을 유발할 수 있습니다. 전원 공급 장치의 내부 제어 회로가 부하 전류의 변화를 보상하면서 전압은 다시 원하는 레벨로 안정됩니다. 전원 공급 장치의 과도 응답은 설정된 전압 지정 백분율 내로 과도 상태가 복구되는 데 걸리는 시간을 정합니다. 일반적으로 과도 응답은 부하 전류가 50% 변경된 후 전압 설정값의 지정 백분율 내로 복구하는 데 필요한 시간으로 명시됩니다. For 예를 들어, 디바이스는 로드 전류가 50% 변경된 후 50 μs 이내에 원래 전압 설정값의 0.1%로 복구할 수 있습니다.

^{그림 7. 전류 펄스에 대한 과도 응답}

어플리케이션을 고려할 때 DUT 저항이 갑자기 떨어지면서 전류 펄스가 발생하면 전원 공급 장치의 내부 제어 회로가 부하 변화를 보상하기 전에 일시적인 전압 강하가 발생합니다. 상승 시간 및 안정화 시간과 마찬가지로 전원 공급 장치의 과도 응답 스펙은 측정 시간에 영향을 미칠 수 있으므로 중요합니다. 과도 응답 및 부하 고려 사항에 대한 자세한 내용은 전원 공급 장치 라인, 부하 조정 및 캐스케이딩 고려 사항 백서를 참조하십시오.

절연

절연은 측정 또는 소싱 디바이스의 두 부분을 물리적, 전기적으로 분리하는 방법입니다. 전기 절연은 두 개 전기 시스템 간의 접지 경로를 제거하는 것입니다. 전기적 절연을 제공하면 접지 루프를 끊고 전원 공급 장치의 공통 모드 범위를 늘리며 신호 접지 참조를 단일 시스템 접지 레벨로 시프트할 수 있습니다. 전원 공급 장치의 출력을 캐스케이드하여 전압 및 전류 범위를 확장하려는 경우 전원 공급 장치 절연 스펙이 특히 중요합니다. 이에 대한 자세한 내용은 전원 공급 장치 라인, 부하 조정 및 캐스케이딩 고려 사항 백서에서 다룹니다.

가장 탄탄한 절연 토폴로지는 채널 대 채널 절연입니다. 이 토폴로지에서 각 채널들은 서로 절연되어 있고 절연되지 않은 기타 시스템 구성요소와도 절연되어 있습니다. 또한 각 채널에는 절연된 고유의 전원 공급 장치가 있습니다.

NI는 이전 섹션들에서 설명한 모든 작업을 수행할 수 있는 랙 마운트형 및 PXI Express 시스템용 프로그램 가능한 전원 공급 장치를 제공합니다.

PXI 프로그램 가능 전원 공급 장치는 단일 PXI 슬롯에서 최대 120W의 전력을 제공하므로 테스트 시스템 내에서 값비싼 랙 공간을 절약할 수 있습니다. 완전히 프로그램 가능한 전원 공급 장치에는 계측기를 DUT에서 절연하기 위한 출력 연결 해제 릴레이, 시스템 배선의 손실을 수정하기 위한 원격 감지, PXI 플랫폼을 통한 통합 타이밍 및 동기화 기능이 있습니다. 

더 높은 출력 전력이 필요한 경우, 전체 또는 1/6 랙 폭의 랙 마운트 폼 팩터로 프로그램 가능한 DC 전원을 제공하는 NI의 프로그램 가능 전원 공급 디바이스를 선택하십시오. 프로그램가능한 전원 공급 디바이스는 단일 채널, 랙 마운트 DC 정원 공급 장치입니다. 특정 모델은 컴팩트한 디자인에서 수백 와트를 소싱할 수 있어 여러 개의 전원 레일이 필요한 테스트 시스템에 이상적입니다.

• 연구, 설계, 개발 및 생산에 일반적으로 사용되는 프로그램 가능한 DC 전원 공급 장치는 연결된 디바이스에 전원을 공급할 수 있는 계측기입니다.
• 소싱 시에는 전력이 공급 장치에서 생성되고 DUT에서 소모됩니다. 싱킹 시에는 전력이 DUT에서 생성되고 전원 공급 장치에서 소모됩니다. 
• DC 전원 공급 장치는 사분면 I 또는 III에서 작동합니다. SMU는 네 개의 사분면 모두에서 작동합니다.
• 프로그램 가능 DC 전원 공급 장치는 정전압 모드 또는 정전류 모드에서 작동할 수 있습니다. 
• 정전압 모드에서 전원 공급 장치는 전압 소스처럼 동작하여 전류 출력이 변하는 동안 출력 터미널의 전압을 일정하게 유지합니다.
• 정전류 모드에서 전원 공급 장치는 전류 소스처럼 동작하여 출력 전압이 변하는 동안 전류를 일정하게 유지합니다.
• 부하가 규정 저항을 초과하고 전류 또는 전압 제한값을 지나면 전원 공급 장치는 규정 모드로 작동하기 시작합니다.
• 원격 감지는 도선 저항의 영향을 제거할 수 있는 4선 연결 기법입니다.
• 리플은 벽 콘센트의 AC 전원을 원하는 DC 레벨로 변환하는 데 필요한 AC-DC 정류로 인해 발생하는 일종의 주기적인 노이즈입니다.
• 상승 시간과 안정화 시간은 전원 공급 장치가 원하는 전압 레벨에 도달하고 안정화하는 능력을 나타내는 핵심 지표입니다.
• 과도 응답은 정전압 모드에서 작동하는 전원 공급 장치가 부하 전류의 급격한 변화에 어떻게 반응하는지를 설명합니다.
• 전기적 절연을 제공하면 접지 루프를 끊고 전원 공급 장치의 공통 모드 범위를 늘리며 신호 접지 참조를 단일 시스템 접지 레벨로 시프트할 수 있습니다.