저전력 검증을 마스터하여 제품 성능 향상하기

전자 디바이스의 전력 소비를 정확하게 측정하려면 계측 옵션과 적절한 측정 설정을 모두 이해해야 합니다. 그림 1의 디바이스 예를 살펴보겠습니다. 이 다이어그램은 유효 전력 모드와 저전력 모드의 두 가지 상태일 때 간단한 회로를 보여줍니다. V1은 측정된 소스 전압입니다. 배터리는 시간이 갈수록 전력이 손실되기 때문에 이 측정값은 중요한 고려 사항입니다. 전력 소비를 측정하려면 전류 감지 저항에서 두 번째 전압 측정이 필요하며, 이 저항은 도표에서 R1으로 표시되어 있습니다. R2와 R3은 DUT(Device Under Test)의 대표 부하를 나타냅니다. 여기서 R3은 유효 전력 모드를, R2는 저전력 모드를 나타냅니다.

^{그림 1: 유효 전력 및 휴면 상태의 전압 측정을 위한 회로 예시}

V1 = 1 VDC의 전압 소스 

R1 = 전압 측정을 위한 100 mΩ의 전류 감지 저항

R2 = 10 kΩ의 유효 전력 모드 저항

R3 = 1 Ω의 저전력 모드 저항

S1 및 S2 = 로드 적용/시뮬레이션 스위치

션트 저항의 중요성

외부 션트 저항이나 전류 감지 저항은 전력 소비 측정에서 중요한 부분입니다. 디지털 멀티미터 (DMM), 데이터 수집 (DAQ) 디바이스 또는 오실로스코프와 같은 전압 측정 계측기로 디바이스의 전류 소비를 측정하려면 션트 저항의 크기와 허용오차에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 이 시나리오에서는 션트 저항을 사용하여 전압 강하를 측정하고 이를 전류로 변환합니다. 이 저항의 크기를 적절하게 조정하면 정확한 측정이 보장됩니다.

그림 1에서 R1 (100 mΩ, 허용오차 0.1%) 저항은 계측기가 측정해야 하는 측정된 전압 강하를 나타냅니다. 여기서 옴의 법칙을 사용하여 감지 저항의 예상 전압을 계산할 수 있습니다. 저항은 에러를 낮출 수 있을 만큼 충분히 낮으면서도 정확한 전압 강하 측정이 가능하도록 충분히 커야 합니다. 이 예시에서는 100mΩ을 선택하여 전류 측정의 정확도를 높임과 동시에 측정 저항이 소비하는 전력을 최소화했습니다.

유효 전력 모드와 저전력 모드 둘 다를 위한 NI 모델을 기반으로 아래 방정식을 사용하여 션트 저항에서 예상되는 전압 강하를 추정할 수 있습니다. 이러한 계산은 전압 측정의 전제이며 다양한 계측기의 정확도를 이해하는 데 기본이 됩니다.

R2: 저전력 모드 조건

예상 전류 소비 = ^{1 VCD}/_{10 kΩ} = 100 uA

션트 저항의 예상 전압 강하 = 100 uA x 100 mΩ = 10 uV

예상 전력 소비 = 10 uV x 100 uA = 1 nW

R3: 유효 전력 모드 상태 

예상 전류 소비 = ^{1 VCD}/_{1 Ω}= 1 A

션트 저항의 예상 전압 강하 = 1 A x 100 mΩ = 100 mV

예상 전력 소비 = 100 mV x 1 A = 100 mW

위에서 볼 수 있듯 이 계산은 저전력 모드 상태가 션트 저항에서 가장 작은 전압 강하를 초래한다는 것을 보여줍니다. 이 상황에서는 전력 소비 측정이 더 어렵기 때문에 저전력 상태에 대한 정확도 계산에 중점을 둘 것입니다.

션트 저항을 사용해 전력 소비를 측정하는 경우 측정의 총 에러는 디바이스 에러와 설정 에러로 구성됩니다. 설명을 위해, 션트 저항 R1과 전압 소스 V1에 연결된 고정 장치와 케이블 사이의 전압 강하는 무시할 수 있다고 가정합니다. 하지만 아래 방정식을 이용해 저항의 허용오차로 인한 측정 에러를 계산할 수 있습니다. 이 예에서 유효 전력 모드 측정값은 100 mV이고 저전력 모드는 10 uV입니다.

R1 감지 저항 값 = 100 mΩ, 0.1%

감지 저항 R1 에러 (V) = 10 uVv*0.1% = 10 nV

감지 저항 전류 에러 (A) = ^{10 nV}/_{100 mΩ} = 100 nA

전압 및 전류 측정을 처음 살펴볼 때 전압, 전류, 저항의 상관 관계를 이해하는 것이 매우 중요합니다. 계측기는 일반적으로 전압이나 전류를 측정하므로 여기서는 옴의 법칙을 사용해 IC 레벨, 파워 레일, 회로 및/또는 시스템 레벨에서의 전력 소비를 확인합니다. 저전력 측정 방식에는 여러 가지가 있는데, 각 측정 방식마다 장단점이 있습니다. 전압 측정에 사용되는 가장 일반적인 디바이스는 DMM, 오실로스코프, DAQ 디바이스입니다.

저전력 판독값에 DMM 사용하기

DMM은 하위 레벨 전압 측정에 가장 일반적으로 사용되는 계측기 중 하나로, 일반적으로 다양한 기능을 활용해 전압 불확실성을 보정합니다. 이 계측기의 정확도를 알아보기 위해 7½ 자릿수 정밀도, 최대 ± 1,000 V 입력 범위, 온보드 1.8 MS/s 절연 디지타이저를 탑재한 DMM (PXIe-4081)을 사용해 보겠습니다. 표 1은 스펙에서 발췌한 내용입니다. 이 경우 자동 영점 조정, ADC 교정, 오프셋 널링과 같은 고급 DMM 정확도 향상 기능은 비활성화되었습니다. 여기서 중요한 점은 DC 오프셋 널링이 활성화된 경우 DMM의 전반적인 정확도가 2uV까지 높아질 수 있다는 것입니다. DC 오프셋 널링은 다양한 유의사항과 장단점이 존재하는 고급 토픽입니다. 여기서는 감지 저항에서 측정된 전압은 최악의 경우 10uV이므로 당분간 DC 오프셋 널링은 무시해도 됩니다.

전압 및 전류 측정 모드 둘 다 DMM을 적용할 수 있지만, 외부 션트 저항을 사용하여 전압 측정 모드에서 DMM의 사용 사례를 평가해 보겠습니다. 이 모드는 전력 소비 측정에 흔히 사용되는데, 그 이유는 션트 저항의 값을 사용자 정의할 수 있기 때문입니다.

DC 전압 ± (판독 값의 ppm + 범위의 ppm)

표  1: PXIe-4081 DMM 스펙

다음 방정식은 최악의 시나리오에서 DMM의 정확도를 계산하는 데 도움이 됩니다.

정확도 = ± (^A/_1,000,000) x 판독 값 + (^B/_1,000,000) x 범위

A = 판독 성분의 ppm

B = 범위 성분의 ppm

참고: Null을 사용하지 않는 경우 2 uV 추가

측정하려는 전압 강하 (10 uV)를 기반으로 100 mV 범위의 스펙을 고려합니다. 이전 수식을 사용하여 DMM의 전압 측정 정확도를 추정할 수 있습니다. DMM이 측정 후 90일 이내에 자기 교정되었다고 가정하여 다음 숫자를 사용할 수 있습니다.

판독 값의 ppm = 27

범위의 ppm = 7

범위 = 100 mV

예상 신호 = 10 uV

정확도 = 700 nV + 2 uV = 2.7 uV

계측기 정확도가 ± 2.7 uV임을 알면 옴의 법칙, 계측기 정확도 및 감지 저항 에러를 사용하여 전류 판독 값의 정확도를 계산할 수 있습니다.

옴의 법칙 = I = ^V/_R

측정 에러 = ± ^{2.7 uV}/_{100 mΩ} = ± 27 uA

총 에러 = 측정 에러 + 감지 저항 에러= ± 27 uA + 100 nA = ± 27.1 uA

전력 소비 에러 = 2.7 uV x 27.1 uA = 73.17 pW

이러한 방정식에서 알 수 있듯이 1%의 허용오차 저항을 사용하면 감지 저항 에러는 무시할 수 있는 수준이 됩니다. 결과적으로 시스템 설정은 DC 널링을 사용하지 않고도 ± 27 uA의 정확도 내에서 저전력 상태의 100 uA 전류 소비를 측정할 수 있습니다. 이 기법을 적용하면 정확도를 손쉽게 개선할 수 있습니다.

저전력 판독에 오실로스코프 사용하기

오실로스코프는 전력 측정에 자주 사용되는 두 번째 계측기 유형입니다. 넓은 대역폭과 높은 샘플링 속도 덕분에 오실로스코프는 디바이스 전력 소비량의 동적 변화 특성을 밝히는 데 주로 사용되고 있습니다. 설명을 위해 1 GS/s 샘플링 속도, 200 MHz, 14비트 분해능을 발휘하는 NI PXIe-5163 오실로스코프를 사용하겠습니다.

^{표 2: PXIe-5163 오실로스코프 스펙}

오실로스코프의 정확도 계산 시 최악의 시나리오는 입력 범위와 수직 오프셋이 작용하는 경우입니다. 이 계산에서는 1MΩ 내부 저항을 사용할 것인데, 그 이유는 이것이 저전압 측정에 더 적합하기 때문입니다. 이 예시에서는 전압 판독 값이 10 uV인 저전력 모드에서 감지 저항의 전압 강하를 평가하겠습니다. 이 측정에서는 0의 수직 오프셋과 0.25 V의 전체 스케일 입력 범위를 사용합니다. 정확도를 계산하는 방정식은 그림 3에서와 같이 스펙 문서에서 바로 가져옵니다.

정확도 = ± [(0.65% x |판독 값 - 수직 오프셋|) + (0.4% x |수직 오프셋|) + (FS의 0.2%) + 0.15 mV]

정확도 = ± [(0.65% x |(10 uV - 0 V)|) + (0.4% x |0 V|) + (0.2% x .25 V) + 0.15 mV] = ± 650.01 uV

스펙 문서에 나와 있는 것처럼 DC/DC 드리프트는 마지막 교정 이후 디바이스의 보드 온도가 ± 3°C 이상인 경우에도 고려해야 합니다. 온도는 디바이스마다 다르기 때문에 고려하지 않고 ± 3°C 미만으로 가정합니다. 수직 오프셋은 표 3의 스펙에 나와 있습니다.

계측기 정확도가 ± 650 uV이면 옴의 법칙, 계측기의 정확도 및 감지 저항 에러를 사용하여 전류 판독 값의 정확도를 계산할 수 있습니다.

옴의 법칙 = I = ^V/_R

측정 에러 = ± ^{650.01 uV}/_{100 mΩ}= ± 6.5 mA

총 에러 = 측정 에러 + 감지 저항 에러 = ± 6.5 mA + 100 nA = ± 6.5 mA

전력 소비 에러 = 650 uV x 6.5 mA = 4.23 uW

이전 방정식에서 오실로스코프를 사용하는 시스템의 전류 측정 정확도는 6.5 mA의 전류 측정 정확도만을 산출한다는 점을 관찰할 수 있는데, 이 정확도는 100 uA의 저전력 상태 전류 소비를 정확하게 측정하기에는 충분하지 않습니다. 하지만 오실로스코프는 유효 전력 상태에서 디바이스의 전력 소비를 합리적인 수준의 정확도 내에서 정확하게 측정할 수 있으며, 이는 활성 디바이스의 과도 전력 소비 동작의 특성을 밝히는 데 주로 사용됩니다.

저전력 측정을 위한 DAQ 디바이스

DAQ 디바이스는 종종 여러 채널에서 전압 및/또는 데이터를 수집하는 데 사용됩니다. DAQ 디바이스를 저렴한 비용의 측정 도구로 여기는 사용자도 있겠지만 일부 고급형 모델의 경우 탁월한 DC 측정 정확도를 제공합니다. 설명을 위해 두 개의 DAQ 디바이스를 살펴보겠습니다. 첫 번째 PXIe-6289는 32 AI (18비트, 625 kS/s), 4 AO 그리고 48 DIO 모듈입니다. 이전 예와 마찬가지로 다음 정확도 계산은 디바이스 저전력 모드에서 전력 소비를 측정하는 최악의 시나리오를 해결합니다. 표 3을 기반으로 다음 스펙 문서의 방정식을 이용하여 DC 정확도를 계산할 수 있습니다.

표 3: 스펙 문서의 PXI-6289 정확도 표

절대 정확도 = (측정값 x 게인 에러) + (범위 x 오프셋 에러) + 노이즈 불확실성

절대 정확도를 사용하면 "판독 값"은 감지 저항 (10 uV)에서 전압 강하가 됩니다. 또한 가급적 가장 작은 입력 범위 (0.1 V)를 사용합니다. 게인 에러와 오프셋 에러는 추가 계산을 사용하여 산출됩니다. 게인 에러와 오프셋 에러를 계산할 때, 마지막 교정과 게인 온도 계수(게인 온도 계수)가 17 ppm/°C, 기준 온도 계수가 1 ppm/°C, INL 에러가 범위의 10 ppm일 때 그 사이에 5°C가 있다고 가정합니다.

게인 에러 = 잔류 AI 게인 에러 + 게인 온도 계수 × 마지막 내부 교정의 온도 변화 +기준 온도 계수 × 마지막 내부 교정의 온도 변화

오프셋 에러 = 잔류 오프셋 에러 + 오프셋 온도 계수 × 마지막 내부 교정으로부터의 온도 변화 + INL 에러 노이즈 불확실성

노이즈 불확실성 = ^{랜덤 노이즈 x 3}/_√100

게인 에러 = 120 ppm + (17 ppm x 5) + (1 ppm x 5) = 210 ppm

오프셋 에러 = (60 ppm + (60 ppm x 5)) + 10 ppm = 372 ppm

노이즈 불확실성 = ^{9 uV x 3}/_√100= 2.7 uV

절대 정확도 = 0.1 V x (210 ppm) + 0.1 V x (372 ppm) + 2.7 uV = 60.7 uV

가능한 에러를 모두 더한 후 이 계측기의 DC 정확도는 60.7 uV가 됩니다. 이제 옴의 법칙, 계측기의 정확도, 감지 저항 에러를 사용하여 전류 판독 값의 정확도를 계산할 수 있습니다.

옴의 법칙 = I = ^V/_R

측정 에러 = ±^{60.7 uV}/_{100 mΩ}= ± 607 uA

총 에러 = 측정 에러 + 감지 에러 = ± 607 uA + 100 nA = ± 607 uA

전력 소비 에러 = 60.7 uV x 607 uA = 36.85 nW

이 계산을 그림 1의 회로에 적용해보면 이 특정 DAQ 디바이스가 실제 전류 소비의 ± 1 mA 이내에서 전류 정확도를 측정할 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 이 디바이스는 디바이스의 유효 전력 상태 (1 A)에서의 전력 소비 특성을 밝히기에는 충분할 수 있지만, 저전력 모드 (100 uA)에서의 전류 소비를 측정하기에는 정확도가 부족합니다.

고성능 DAQ 디바이스

이와는 대조적으로, 위의 다기능 DAQ 디바이스의 성능을 더 높은 성능의 모델과 비교할 수 있습니다. 두 번째 DAQ 디바이스 비교에서는 PXIe-4309의 성능을 평가해 보겠습니다. 이 디바이스는 최대 2 MS/s의 샘플 속도, 28비트의 유연한 분해능, 32개 채널, ± 15 V의 입력 범위를 제공합니다.

DMM과 마찬가지로 NI PXIe-4309는 자동 영점 조정, 초핑, 오프셋과 같은 별도의 정확도 기술을 사용하여 DC 측정의 정확도를 높입니다. PXIe-4309의 추가 기능이 제공하는 이점을 가장 잘 설명하기 위해, 자동 영점 조정을 활성화하지만 수집 시작 시 오프셋 널링이 고려되지 않는 예를 살펴보겠습니다. 이 경우, 자동 영점 조정 샘플링은 저전압을 판독할 때 가장 큰 개선 사항을 추가하며 오프셋 널링은 저전압을 판독할 때 4.5 uV의 오프셋 에러인 가장 큰 에러 소스를 제거합니다. 판독 값이 10 uV이므로 오프셋 널링 기능은 필요하지 않습니다. 지금부터는 표 4의 가장 작은 범위 (0.1 V)를 계속 사용하겠습니다.

^{*소스 임피던스 ≤ 50 Ω †외부 교정 소스 기준 ‡오프셋 널링 가정 **샘플 속도 ≤ S/s}

^{††온도 계수는 절대 정확도 값에 가산되며 명시된 자기 교정 온도 간격을 벗어나 작동하지 않는 한 적용되지 않습니다.}

^{온도 계수는 명시된 자기 교정 온도 간격에 대한 절대 정확도 값에 포함됩니다.}

표 4: 스펙 문서의 PXIe-4309 정확도 표

앞서 이야기한 것처럼 오프셋 에러는 DAQ 디바이스에서 발생하는 가장 큰 에러 소스 중 하나입니다. 여기서는 0.1 V 전압 범위에서 2년 교정 사이클의 시나리오를 고려할 것입니다. 이 예에서 빠른 정확도 가정은 표 5의 스펙 문서를 참조하여 결정할 수 있습니다. 총 에러의 오프셋 부분은 2년 교정일 때 4.7 uV입니다. 오프셋 에러 방정식은 스펙 문서 (표 6)에 나와 있는 선형성, 노이즈 및 잔류 오프셋을 사용하여 계산할 수 있습니다. 다음 방정식은 디바이스의 전반적인 정확도를 계산하는 데 도움이 됩니다.

오프셋 에러 = 잔류 오프셋 + 선형성

선형 에러 = 100 mV 범위에서 5 ppm =⁵/_1,000,000= 0.0000005 V

잔류 오프셋 = 4 uV

노이즈 = 노이즈 (RMS) x √2 = 0.00000054 V

게인 에러 = 60 ppm = (⁶⁰/_1,000,000 = 0.00006)

정확도: 오프셋 에러 + 노이즈 + 게인 에러

측정하는 전압 강하 (10 uV)를 기반으로 100 mV 범위에 대해 이전과 동일한 스펙을 고려합니다. PXIe-4309가 측정 후 2년 이내에 교정되었다고 가정하면 다음과 같은 수치를 사용할 수 있습니다.

오프셋 에러 = 4.5 uV (5°C 미만 널링 시)

선형성 = 0.1 V x 5 ppm = 500 nV

잔류 오프셋 = 4 uV

노이즈 = 20 nVrms x 1.414213562 = 28 nV 피크 대 피크

게인 에러 = 10 uV x 60 ppm = 600 pV

정확도 = 4.7 uV + 28 nV + 600 pV = 4.73 uV

가능한 모든 에러를 더한 후 PXIe-4309의 널링 없는 DC 정확도는 초당 10개 샘플로 샘플링할 때 4.73 uV입니다. 이전 예와 마찬가지로 옴의 법칙, 계측기의 정확도, 감지 저항 에러를 사용하여 전류 판독 값의 정확도를 계산해 보겠습니다.

옴의 법칙 = I = ^V/_R

측정 에러 = ± ^{4.73 uV}/_{100 mΩ} = ± 47.3 uA

총 에러 = 측정 에러 + 감지 저항 에러 = ± 47.3 uA + 100 nA = ± 47.4 uA

전력 소비 에러 = 4.7 uV x 47.4 uA = 222.78 pW

위의 계산을 기반으로 PXIe-4309 DAQ 디바이스가 오프셋 널링을 보정하지 않고도 ± 47.5 uA의 정확도 내에서 전류 소비를 측정할 수 있음을 확인할 수 있습니다. DC 오프셋은 전체 측정 에러의 상당 부분을 차지합니다. 따라서 기본적인 널링 기술로도 이 측정의 정확도를 크게 높일 수 있으며, 위의 측정 설정을 사용하면 ±1 uA 이상의 정확도 성능을 얻을 수 있습니다.

앞서 언급했듯이 정확도는 다이나믹 신호에 대한 고속 샘플링 속도 데이터 캡처와 같은 특징과 함께 저전압 측정을 위해 계측기를 평가할 때 가장 중요한 고려 사항 중 하나입니다. 그 외에도 추가 채널에서 여러 파워 레일을 측정할 수 있는 적응성을 제공합니다. 전반적인 결과를 보면 대부분의 계측기에서 전압 판독이 가능하지만, 정확도에 상당한 편차가 있습니다. 첫째, DMM은 유효 전력 및 저전력 모드를 정확하게 판독할 수 있습니다. 둘째, 오실로스코프는 높은 샘플링 속도 때문에 동적 신호를 캡처하는 데 가장 적합합니다. 셋째, DAQ PXIe-6289는 유효 전력 모드를 읽기에는 충분하지만 저전력 모드를 측정하기에는 충분하지 않습니다. 마지막으로 PXIe-4309는 그림 1에 필요한 유효 전력 모드와 저전력 모드를 모두 정확하게 측정할 수 있습니다.

^{표 5: 저전력 측정 요구사항에 따른 각 계측기의 성능 비교}

저전력을 측정하는 데 적합한 도구를 선택하면 보다 정확한 전력 검증을 수행할 수 있으며, 이로써 제품의 성능이 향상됩니다. 소비자가 한 번의 충전으로 기기를 오랜 시간 동안 사용할 것을 기대하는 전자 제품 시장에서는 PXIe-4309와 같은 고성능 계측 장비를 선택하면 디바이스의 전력 소비를 빠르고 효과적으로 검증할 수 있습니다. 전반적으로 PXIe-4309 아날로그 입력 모듈은 오실로스코프 및 동급 DAQ 디바이스보다 성능이 뛰어납니다. 게다가 이러한 낮은 옴 션트 저항에서 전류 측정을 위한 7½ 자릿수 DMM의 성능과도 아주 비슷합니다. 채널 수가 더 많은 PXIe-4309는 복잡한 전자 설계의 최신 전력 검증 요구사항에 충분한 측정 밀도를 제공합니다.

• 구성요소 전력 성능의 신속한 특성화
• PXI 시스템