NI PXI-4110 프로그래밍 가능 전원 공급 장치 아키텍처 - 속도, 전력 및 정밀도를 3U PXI에서

최초의 프로그래밍 가능한 전원 공급 장치 설계는 모두 안정적인 출력 전압을 제공하기 위해 선형 조정에 중점을 두었습니다. 여기에는 선형(A급) 모드에서 작동하고 출력 특성을 설정하는 피드백을 활용하는 전력 트랜지스터가 포함되었습니다. 상당히 단순한 설계 개념을 기반으로 하는 선형 전원 공급 장치는 매우 정밀한 조정, 낮은 리플 및 노이즈, 라인 및 부하 변화에 대한 탁월한 응답이라는 이점이 있습니다. 그러나 물리적으로 크기 효율이 낮으며(5~60% 범위) 결과적으로 전력 손실이 크다는 단점으로 인해 PXI 기반 전원 공급 장치 설계에는 매우 바람직하지 않습니다. PXI 스펙은 슬롯당 약 20W의 냉각을 허용하지만 이는 ATE 시스템에 필요한 기존 수준의 전력을 제공하기에 충분하지 않습니다.

테스트 시스템에서 정확한 전력을 전달하는 방법으로 보다 최근에 수용되는 것은 스위칭 조정 방법에서 비롯된 것입니다. 스위칭 조정에서는 듀티 사이클이 출력 전압을 결정하고 트랜지스터가 빠르게 온/오프 정류합니다. 결과적으로 트랜지스터의 타이밍 조절이 출력 전압의 정밀도를 결정합니다. 이 방법은 종종 65%에서 90% 이상 범위 정도로 선형 대응 방식보다 훨씬 더 큰 효율성을 제공하므로 훨씬 더 낮은 온도의 설계를 얻을 수 있습니다. 각 부품의 일반적인 무게도 훨씬 낮아서 물리적 모양도 적당한 수준으로 유지할 수 있습니다. 그러나 최적의 과도 응답을 얻기가 더 어려운 경향이 있으며 스위칭 부품의 전자기 간섭도 고려되어야 합니다. 마지막으로, 위의 요소가 결합되어 선형 설계에서 가능한 낮은 출력 노이즈 및 속도와 경쟁하는 것은 여전히 어렵습니다.

그렇다면 고객이 기대하는 고성능을 제공하면서 극도로 제한된 공간에서 고효율 전원 공급 장치를 설계하는 문제를 어떻게 해결할 수 있을까요? 정밀 전원 공급 장치를 위한 단일 슬롯 PXI 모듈의 공간 제약 때문에 크고 성가신 방열판과 손실이 큰 대형 변압기의 사용은 한계가 있습니다. NI 엔지니어들은 이러한 설계 제약을 만족시키기 위해 기존의 선형 출력 방식과 새로운 FPGA 제어 선조정기(preregulator) 회로를 결합하는 방식을 취했습니다. 이를 더 자세히 살펴봅시다.

최신 스위칭 전원 공급 장치 기술은 기존의 무거운 전원 공급 장치보다 크게 향상되었습니다. 기술적으로 전원 공급 장치의 작은 크기는 주로 스위칭 속도에 의해 결정됩니다. 일반적으로 스위칭 속도가 높을수록 자기 부품이 작아집니다. 1980년대 중반에서 후반까지 MIT(Massachusetts Institute of Technology)와 다른 곳의 연구자들은 1MHz 스위칭 컨버터, 증폭기, 조정기의 개념을 실험하고 있었습니다. 지난 5년 동안 이 기술은 그 당시의 예상도 뛰어넘었습니다. 그러나 부품 크기는 개선되지만 스위칭 소자의 비효율성 때문에 손실이 너무 커서 스위칭 소자 방열 필요성이 너무 커지는 경우, 이 기술 진보의 효과가 최소화됩니다. 이 경우에서도, 기술은 지난 10년 동안보다도 극적으로 향상되었습니다. 새로운 전원 공급 장치 컨트롤러 통합 회로와 결합하여, 이제 기존 큰 장치의 기능을 하는 효율적이고, 고전력이며 심지어 조용하기까지 한 전원 공급 장치를 구축할 준비가 된 것입니다.

그러나 지금까지 이러한 기술 발전으로는 조정된 것처럼 보이지만 그렇지 않은 전원만 얻을 수 있었습니다. 0V까지의 프로그래밍, 마이크로암페어에서 암페어까지의 전류 감지, 부하 및 프로그래밍된 입력에 대한 빠른 응답 제공 등의 설계 문제가 여전히 있습니다. 이러한 문제를 해결하고 (뛰어난 노이즈 성능을 제공하는) 가장 좋은 방법은 기존의 선형 회로를 사용하는 것입니다. 따라서 대체로 최고의 솔루션은 선형 및 스위칭 기술의 결합입니다.

여담으로, 기성 D급 증폭기도 고성능 전원 공급 장치 설계에 쓸 수 있기도 합니다. 안타깝게도 NI 엔지니어들은 이것이 효율적 스피커 구동과 같은 오디오용으로는 혁신적인 디바이스이지만 정밀 DC 출력이 필요한 경우에는 한계가 있다고 판단했습니다. 이러한 한계가 잠재적인 이익을 능가한다고 판단한 것입니다.

NI PXI-4110 3중 출력 프로그래밍 가능 DC 전원 공급 장치는 스위처를 추적 조정기로 구성하여 본질적으로 프로그래밍된 출력 위에 가변적 여유 공간이 있는 레일을 생성함으로써 기존의 선형 및 스위칭 전력 기술을 결합합니다. 최종 결과는 0 ~ +20V 및 0 ~ -20V의 두 절연 채널과 0 ~ 6V의 단일 비절연 채널이 있고 모든 채널이 최대 1A를 출력할 수 있는 모듈입니다. 이러한 기본 전원 출력 사양은 전압 또는 전류 소스로서의 PXI-4110을 위한 탁월한 분해능과 낮은 노이즈로 보완됩니다.

PXI-4110의 선형 출력 제어는 그림 1에 나와 있습니다. 선형 단계의 핵심 기술은 조절 가능한 정밀 전류 제한이 있는 Linear Technologies LT1970 전력 연산 증폭기입니다. LT1970은 PXI 전원 공급 장치 구현에 맞는 몇 가지 장점이 있는데, 작은 크기와 ATE에서 특히 유용한 언제든지 설정 가능한 전류 제한이 큰 부분을 차지합니다. 전통적으로, 이것은 입력 설정과 출력 부하에 따라 출력을 정전압 또는 정전류로 제어할 수 있기 때문에 "VI 제어 블록"이라고 불렸으며 이산 연산 증폭기, 다이오드 및 저항기로 구현되었습니다. 이 VI 제어 블록은 기존 SMU(소스/측정 유닛)의 핵심이며 영혼이라고 할 수 있습니다. 따라서 LT1970 VI 제어 블록을 사용하면 PXI-4110에 SMU와 유사한 동작을 제공하는 데 도움이 됩니다.

그림 1: Linear Technology LT1970은 PXI-4110 전압/전류 제어 블록의 핵심입니다.

LT1970이 제공할 수 있는 것보다 더 많은 출력 전압과 전류가 필요했기 때문에 아날로그 "변환기" 회로는 출력 범위를 감당할 수 있도록 설계되었습니다. 이러한 방식으로 출력 제어와 측정을 모두 확장해야 했습니다. 그림 2는 이러한 양방향 변환을 나타내는 기본 블록을 보여줍니다. 이 변환을 설계하면서, 몇 가지 중요한 세부사항을 고려해야 했습니다.

• 출력을 0V로 끝까지 내려야 합니다
• 마이크로암페어 미만 단위로만 누설되면서 0V까지 전압과 전류를 모두 측정할 수 있어야 합니다
• 0V 근처에서도 양호한 응답 시간을 유지하려면 어떤 출력 부하 또는 커패시턴스에서도 충분한 전류를 입력해야 합니다
• 입력 과전압 조건을 견딜 수 있어야 합니다

그림 2: 선형 조정 단계는 매우 낮은 전압 및 전류를 소싱/측정하도록 설계되었습니다.

LT1970은 필요한 출력 전압으로 변환을 제공하여 개별 출력 장치를 구동하는 연산 증폭기 역할을 합니다. 각 채널에 대해 개별 MOSFET 출력 부품을 사용하면, LT1970 준수 전압 3배 이상에서 LT1970 출력 전류는 10배 이상으로 증가됩니다. 마찬가지로 고속 연산 증폭기/FET 조합을 전류 감지 변환기로 사용되어 전류 분기에 부하되는 전압을 LT1970 레일 내로 다시 낮춥니다. 그 결과 광범위한 부하에 걸쳐 탁월한 과도 응답과 안정성을 제공하는 빠른 제어 루프가 생성됩니다. 이 전류 감지 변환기는 또한 동적 범위 및 노이즈에 최적화되어 있어 전압은 0V까지, 전류는 마이크로암페어 미만 수준까지 감지할 수 있습니다.

비절연 채널 0에서의 스위칭 컨버터는 출력에 대해 동적 조정을 제공하는 Linear Technology LT1773 승강압 컨버터입니다. 채널 0의 제어 출력은 신호 컨디셔닝을 통해 LT1773으로 피드백되며, 그 결과 LT1773 출력이 1/10 볼트 단위로 채널 0 출력위에 뜨게 나타납니다. 그 결과 선형 조정기의 모든 장점을 갖춘 극도로 전력 효율적인 스위칭 설계가 탄생합니다.

위에서 설명한 출력 증폭기와 추적 조정기를 바로 결합하면 비절연 채널이 처리됩니다. 절연 채널 1과 2의 경우, 스위칭 조정기는 약 200kHz에서 작동하는 비교적 간단한 고전력 DC-DC 컨버터로 구성됩니다. 컨버터에 대한 입력 구동은 스위칭 MOSFET에 적용되는 구동 신호의 주기 점유율을 변경할 수 있는 FPGA에 의해 합성됩니다. FPGA는 PXI 백플레인에서 끌어온 과도 전류를 "완화"하여 PXI-4110이 PXI 스펙 내에서 작동할 수 있도록 하는 지능형 소프트 스타트 및 램프업의 이점을 제공합니다.

절연 채널의 경우 갈바닉 절연(그림 3 참조)으로 인해 스위칭 조정기 제어에 대한 직접적인 아날로그 피드백 경로가 없지만 전류와 전압을 읽기 위한 절연 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 데이터 경로가 이미 존재합니다. 이 ADC는 항상 출력 전압과 전류를 모니터링합니다. 따라서 선형 출력 증폭기에도 공급되는 원시 입력 레일을 "보도록” 전환할 수 있다면 이 신호를 절연 피드백으로 사용할 수 있습니다. 그런 다음 FPGA를 사용하면 FET 드라이브의 주기 점유율을 DC-DC 변환기에 맞게 변조하여 사실상 디지털로 제어된 소프트웨어 인 더 루프(software-in-the-loop) PID 알고리즘을 제공하여 선형 단계로 선조정 입력을 관리할 수 있습니다. 이 모든 것은 다른 이유로 설계에 이미 필요한 부품을 사용하여 수행할 수 있습니다. 그 결과는 추가 전원 공급 요구 사항이 생길 때 확장할 수 있는 비용 효율적이고 유연한 3U PXI 모듈 설계입니다.

그림 3: PXI-4110의 비절연 채널은 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 전류/전압 측정 리드백과 동일한 데이터 경로를 통해 스위칭 선조정 요소들을 제어합니다.

이 소프트웨어 구성 가능한 제어 루프를 사용하면 몇 가지 이점이 있습니다. 첫째, 출력 증폭기가 도달하기 전에 선조정기가 필요한 위치를 예상하는 것이 가능합니다. 그림 4는 이를 올바르게 구현하는 것의 중요성을 보여줍니다. 둘째, 시스템 효율성을 최적화하도록 응답을 조정할 수 있습니다. 마지막으로, 제어 알고리즘을 조정하여 입력 전원이 PXI 백플레인에서 오는지 아니면 외부 소스에서 오는지에 따라 성능을 최적화할 수 있습니다. PXI 백플레인에서 끌어오는 전력은 전체 제품에 대한 PXI 전력 스펙을 충족하도록 신중하게 관리하는 것이 중요합니다.

그림 4: PXI-4110의 FPGA에 구현된 PID 제어 알고리즘은 부하 또는 입력 전력의 모든 변화를 분석하고 보정하여 선조정기 전력 출력이 선형 단계에 충분하도록 합니다.

NI 엔지니어들은 전압 조절만으로는 충분하지 않다는 것을 발견했습니다. 대신, 그들은 선형 조정기에서 소산되는 전력을 조절함으로써 최적의 응답을 얻을 수 있다고 보았습니다. 그 이유는 그림 5에 나와 있습니다. 부하가 적고 낮은 주기 점유율로 실행될 때 DC-DC 컨버터는 전압 소스보다 전류 소스처럼 동작하는 경향이 있습니다. 전류 소스의 출력에 급격한 부하가 가해지면 출력이 급격히 저하됩니다. 따라서 PID에 응답할 시간을 주려면 전압에 더 큰 여유가 필요합니다. 이것은 출력 전압 여유분을 경부하 조건에서 훨씬 더 크게 자동으로 조정하는 전력 조정을 사용하여 가능해집니다.

그림 5: 전력(전압이 아니라)은 부하의 급격한 변화를 보상하기 위해 PXI-4110에서 조정됩니다. 선조정기 레일과 출력 전압 사이의 "충돌"을 방지하기 위해 항상 충분한 공간이 유지됩니다.

이러한 유연성의 또 다른 예는 입력 전원 공급 장치(이 경우 PXI 백플레인)에서 끌어온 전력을 최적화하는 것입니다. PXI 섀시에서는 사용할 수 있는 전력이 제한되어 있기 때문에 9W 이상의 어플리케이션의 경우 보조 전원을 공급해야 합니다. 그러나 9W 미만의 전력 레벨을 갖는 많은 어플리케이션이 존재하며, 이러한 상황에서는 PXI 백플레인을 보완할 필요가 없어야 합니다. 이 접근 방식을 사용하면 보조 공급 장치가 아니라 서로 다른 PID 세트 포인트(FPGA에 있음)가 PXI 백플레인에서 전원을 공급하는 데 사용됩니다. PXI 백플레인에서 사용할 수 있는 것보다 더 많은 전력이 필요한 경우 효율성과 계단 응답 간의 최적의 균형을 제공할 수 있게 PID 세트 포인트가 변경됩니다.

PXI-4110의 설계는 LabVIEW 그래픽 프로그래밍 언어를 광범위하게 사용하여 소프트웨어 PID를 시뮬레이션한 다음 코드를 VHDL로 변환하여 FPGA에서 실행하도록 했습니다. 이를 통해 엔지니어는 다양한 사용 사례와 출력 부하 조건이 식별됨에 따라 많은 아이디어를 신속하게 시도할 수 있는 엄청난 유연성을 얻을 수 있었습니다. 예를 들어, 선조정된 출력이 입력 계단 변경 요청에 응답할 수 있도록 하기 위해 PID는 사전 설정된 클록 주기 수에 대해 1A의 전체 출력 부하를 수용할 수 있는 주기 점유율을 기본으로 하도록 설정되었습니다. 따라서 요청 출력 상태와 출력 부하의 조합이 최대 전류를 요구하는 경우 선형 출력 단계는 항상 이를 수용할 수 있는 충분한 여유를 갖게 됩니다. 제어 블록 다이어그램과 그 예외 사례는 LabVIEW를 시뮬레이터와 "샌드박스"로 사용하지 않았다면 구현하기 어려웠을 것입니다.

전원 공급 장치 공급업체에 대한 보다 강력한 고객 요청 중 하나는 마이크로암페어 미만 범위의 전류 측정 감도였습니다. 전통적으로, 전원 공급 장치는 몇 mA보다 훨씬 낮은 값을 측정하지 않습니다. 이러한 작업을 수행하기 위해 고객은 전원 공급 장치 비용의 2~3배에 달하는 SMU 또는 기타 측정 제품을 사용해야 했습니다. 이에 따라 스위칭 및 기타 부품이 포함된 추가 정밀 제품을 시스템에 통합해야 하는 문제가 발생하여 시스템 비용이 추가됩니다. NI 엔지니어는 이러한 요구를 해결하기 위해 PXI-4110에 20mA 범위를 추가함으로써 마이크로암페어 미만 수준의 감도를 제공하기로 결정했습니다. 이는 기존 전원 공급 장치보다 100~1000배 더 나은 출력 분해능 및 측정 리드백 감도를 제공합니다. 따라서 시스템 비용, 최초 측정까지 걸리는 시간 및 필요한 벤치 공간을 상당히 줄여줍니다. 민감한 전류 측정을 위한 응용 분야에는 반도체 장치 특성화, IV 곡선 추적 및 배터리 작동 시스템의 누설 전류 테스트가 포함됩니다.

PXI-4110의 시장 조사 단계에서 많은 어플리케이션이 PXI 백플레인에서 직접 쉽게 공급되는 수준인 몇 와트의 출력 전력만 필요로 하는 것으로 나타났습니다. 고객들은 이러한 경우 외부 전원 공급을 꺼려했습니다. 반면에 단일 PXI 슬롯에서 사용할 수 있는 전력은 약 10W 이상을 필요로 하는 어플리케이션에는 충분하지 않습니다. 따라서 PXI-4110이 두 가지를 모두 지원하도록 하기로 결정했습니다. NI APS-4100 보조 전원은 고전력 어플리케이션을 수용하기 위해 PXI-4110의 액세서리로 개발되었습니다.

초기 실험은 이 장치에 두 개의 전원을 지원하는 것이 쉬운 일이 아님을 보여주었습니다. 예를 들어, 외부 전원에서 전원이 공급되고 이 전원이 갑자기 사라지면 PXI 백플레인에서 발생하는 전원 서지(surge)가 PXI 스펙(심지어 트립 보호 퓨즈도)을 초과하게 됩니다. PXI 백플레인에서 과도한 전력을 끌어내거나 인가할 수 있는 조건을 "배제"하려면 적절한 하드웨어와 제어 소프트웨어가 필요했습니다. 그림 7은 그 개념을 보여줍니다.

그림 7: PXI-4110의 입력 전원은 PXI 백플레인 또는 외부 11-15.5 V 소스에서 제공됩니다.

ATE 시스템 및 실험실 환경(학술적 환경 포함)에서는 프로그래밍 가능한 전원 공급 장치의 견고성이 매우 중요합니다. ATE 시스템 디버그 중에 전원 공급 장치 출력이 실수로 잘못된 위치에 연결될 수 있습니다. 실험실 환경에서는 노드가 종종 실수로 단락되거나 부적절하게 연결됩니다. 따라서 PXI-4110은 수많은 과부하 조건을 수용하도록 설계되었습니다. 다음은 PXI-4110의 주요 보호 요소에 대한 요약입니다.

• 채널 출력 보호 - 물론 각 채널은 프로그래밍 방식으로 전류 및 전압이 제한됩니다. 또한 각 출력은 역극성 전압 인가로부터 보호됩니다. 출력 퓨즈는 최후의 방어선으로 치명적인 오류를 방지하기 위해 추가 보호 기능을 제공합니다. 필요한 경우 가동 중단 시간을 최소화하기 위해 보드에 예비 퓨즈가 하나 있습니다.

• 보조 전원 입력 보호 - 보조 전원 입력을 통해 채널 1 및 2(+20 및 -20V)가 각각 최대 20W를 공급할 수 있습니다. PXI-4110은 외부 전원 디바이스의 사용을 허용하므로 모듈을 보호하기 위해 적절한 조치를 취해야 합니다.

• 과열 보호 - PXI-4110은 보수적으로 설계되었으며 출력 장치의 지능형 PID 제어 덕분에 내부적으로 공칭 온도 상승 조건에서 작동합니다. 그러나 섀시 팬 필터가 너무 더럽거나 흡입구 차단 또는 섀시 팬 오류 등으로 인한 장애가 발생하면 출력 채널이 차단되고 경고가 발생합니다. 과열 상태는 재설정을 위해 사용자 소프트웨어 개입을 요구하여 이러한 시스템 오류가 발생할 경우 모듈이 과도한 온도에서 "타는" 것을 방지합니다.
  

자동화된 테스트 시스템의 모든 계측기에서 가장 중요한 성능 중 하나는 속도입니다. 전원 공급 장치의 경우 프로그래밍, 측정 속도 및 통신 버스가 PXI-4110의 주요 차별화 영역을 형성합니다.

PXI-4110이 PXI 버스를 중심으로 구축되었다는 사실은 프로그래밍 및 측정 속도를 최적화하는 데 크게 도움이 됩니다. 132MB/s PXI 버스 속도로 인해 프로그램 파라미터 전송 및 데이터 검색이 크게 촉진됩니다. 각각 전압/전류 프로그래밍, 측정 파라미터와 상태 정보(준수 한계, 경고, 오류, 온도 등)를 요구하는 3개의 채널이 있으므로 양방향으로 이동해야 하는 데이터 양은 기존 버스 솔루션이라면 문제가 됩니다. PXI는 기존 계측기 버스 아키텍처(GPIB 또는 RS232)에서의 수 밀리초 또는 수십 밀리초에 비해 마이크로초 단위로 이 데이터를 이동시킬 수 있습니다. 따라서 소프트웨어 및 데이터 경로 오버헤드는 PXI-4110에서 거의 무시될 수 있습니다.

PXI-4110 측정 아키텍처는 기존 측정 방식에 비해 속도가 뛰어나다는 점도 주목할 만합니다. ADC 아키텍처 통합은 전통적으로 전원 공급 장치 측정에 사용됩니다. 이러한 ADC는 노이즈에는 이점이 있지만 속도 최적화, 특히 내부의 정밀 전원 공급 장치 또는 SMU와 같은 동적 자극-응답 장치의 속도를 최적화할 수 있는 유연성은 별로 제공하지 않습니다. 다중 채널 전원 공급 장치를 사용하는 경우 더 느린 ADC는 출력 상태를 나타내는 데 필요한 여러 파라미터를 획득하기 위해 상당한 오버헤드를 만듭니다.

그림 8은 PXI-4110에 사용된 아키텍처를 보여줍니다. NI의 고속 데이터 수집 시스템에 사용되는 유사한 측정 엔진을 기반으로 합니다. ADC는 200kS/s, 16비트 고대역폭 컨버터로, 하나는 비절연 채널용이고 다른 하나는 2개의 절연 채널용입니다. 앞서 언급했듯이 ADC는 측정 리드백과 PID 제어 모두에 사용됩니다. 측정의 순 루프 속도는 3kS/s 범위입니다. 즉, 300µs마다 측정 엔진은 3개의 채널 각각에 대한 전압 및 전류 출력(PID 루프 데이터 포함)의 6개 측정값을 반환합니다. 이는모든채널의 안정화 시간(밀리초 범위의 상승 시간)을 동시에 볼 수 있을 만큼 충분히 빠르며 사용자가 요구하는 모든 자극-응답 계단 파형에 필요한 것보다 빠릅니다.

그림 8: PXI-4110의 측정 아키텍처는 PXI 백플레인을 통해 사용자에게 데이터를 다시 전송하기 전에 각 채널의 전압/전류를 빠르게 다시 읽을 수 있도록 합니다.

측정의 최적 노이즈 성능은 여러 측정을 평균하여 얻어집니다. 기본값은 평균 10이지만 사용자는 어플리케이션의 필요에 따라 기본값을 선택하고 수정할 수 있습니다. 절연 데이터는 고속 MEMS 기반 디지털 절연기를 사용하여 10Mb/s 직렬 데이터 경로를 통해 빠르게 이동합니다.

최신 자동화 테스트 시스템에서는 사용 가능한 공간이 줄어들고 성능에 높은 프리미엄이 부여됨에 따라 이를 따라가려면 혁신적인 전원 공급 장치 설계가 필요합니다. PXI-4110 3중 출력, 프로그래밍 가능 DC 전원 공급 장치는 스위칭 및 선형 전원 공급 장치 설계의 최상의 요소를 결합하여 단일 슬롯, 3U PXI 모듈에 맞는 소형 고분해능 전원을 제공합니다. 이 제품을 PXI 모듈로 제공되는 다른 세계적 수준의 모듈형 계측기와 함께 사용하면, 모든 산업 분야의 과제를 충족할 수 있는 유연하고 효율적인 테스트 시스템을 개발할 수 있는 사용자의 능력이 더욱 향상됩니다.

관련 링크:
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