전력 공급장치의 루프 전송 기능 측정 가이드

 

글│프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) 애플리케이션 엔지니어, 내셔널 세미컨덕터

 

 대부분의 전력 관리 회로의 조절 특성은 보드 플롯(Bode plot)에 플롯할 수 있는 컨버터 루프 전송 기능을 통해 정의된다. 루프 이득과 주파수에서 얻은 루프의 위상 변화는 제어 루프의 속도와 전력 공급장치의 안정성에 대한 중요한 정보를 제공한다. 보드 플롯은 네트워크 분석기로 측정할 수 있지만, 대부분의 실험실에 있는 매우 간단한 장비로도 측정이 가능하다.

 이 가이드에서는 오디오 생성기(또는 간단한 신호 생성기)와 오실로스코프만으로 보드 플롯의 임계점을 측정하는 방법에 대해 설명한다. 해당 방법은 전력 공급장치 설계자가 짧은 시간 안에 측정을 수행할 수 있도록 많은 사진을 이용하여 단계별로 설명한다.

 

 

단계1: 회로준비

 

 첫 단계는 작은 신호를 주입하고 루프로 들어가서 루프에서 나오는 신호를 측정할 지점을 얻기 위해 전력 공급장치의 루프를 차단하는 것이다. 대개 루프는 피드백 경로에 있는 하이 사이드 피드백 레지스터 위의 낮은 임피던스 출력 노드에서 차단된다. 적절한 신호 주입 지점을 얻으려면 노드의 한 쪽은 높은 임피던스가 되어야 하고 한 쪽은 낮은 임피던스가 되어야 한다. 여기에서 선택하는 주입 지점은 이 조합을 충족시킨다. 그림 1은 필요한 측정 설정 기능을 갖춘 내셔널 세미컨덕터의 LM26001 구조도와 같은 전형적인 스텝-다운 스위치 모드 레귤레이터를 보여준다.

측정 지점 A와 B를 전기적으로 분리하려면 피드백 경로에 작은 저항을 설치해야 한다. 적정 값은 20Ω 레지스터이다. 이러한 레지스터를 통해 조절된 출력 전압은 거의 영향을 받지 않지만, 작은 신호를 주입하고 시스템을 측정하는 노드가 만들어지게 된다.

 

그림 1. 측정 설정

 

 R1 피드백 레지스터와 병렬로 존재할 수 있는 RC 위상 리드 네트워크는 R1과 병렬을 유지해야 하며 20Ω 레지스터를 사용하여 수정해서는 안 된다.

 그림 2는 이상적인 측정 구조를 보여준다. 피드백 경로는 PCB에서 차단되고 20Ω 레지스터는 PCB에 설치된다. 일부 평가 보드에는 준비한 안정성 측정 레지스터를 위한 공간이 이미 마련되어 있다. 다른 보드에서는 PCB의 피드백 트레이스를 절단하고 20Ω 레지스터를 통해 다시 연결하는 것이 상대적으로 쉽다. 두 전압 프로브를 연결하고 신호 주입 케이블 연결할 경우, 그림 2에 표시된 트위스트 케이블이 매우 유용하다. 이러한 작은 트위스트 페어는 정확한 측정에 중요한 노이즈 픽업을 방지하는 데 매우 효과적이다. 제대로 연결된 2인치 정도의 트위스트 케이블이면 문제 없이 사용이 가능하다. 이렇게 하면 선이 단단히 꼬여져 있어 측정에 영향을 미치지 않으면서 전압 프로브와 신호 주입 커넥터에서 발생하는 기계적 스트레스를 해결하는 데 도움이 될 것이다. 전압 프로브 접지 커넥터는 전력 공급장치 보드에 있는 하나의 접지부에 연결해야 한다. 그림 3은 보드에 있는 두 개의 스코프 프로브 연결을 보여준다.

 

그림 2. 보드 준비(권장)

 

그림 3. 스위치 모드 전력 공급장치 회로에서 내셔널 세미컨덕터의 LM26001을 사용한 전력 주입 변압기 및 스코프 프로브 설치

 

 

단계2: 주입 변압기

 

 주입된 신호는 출력 전압에 비해 작은 신호여야 한다. 주입된 신호는 전력 공급장치의 큰 신호 동작을 변경할 수 없으므로, 큰 신호 동작을 인식하려면 신호가 그만큼 커야 한다. 단, 이렇게 큰 신호로 인해 루프 동작이 변경되지 않아야 한다. 예를 들어, 주입된 신호로 인해 피드백 핀의 과전압 보호 임계값이 트리거되어서는 안 된다. 일반적인 주입 사인파 신호는 단계 1에서 설명한 측정 레지스터에서 30mV~100mV 범위 내에 있어야 한다. 시스템 이득에 따른 정확한 값은 주파수마다 다르게 변화한다. 먼저 작은 신호로 시작한 다음 주입된 신호를 보기 위해 필요할 경우 신호를 증가시킨다. 이렇게 하면 애플리케이션에서 신호가 작은 신호로 간주된다. 테스트한 전력 공급장치에서 신호 발생기까지 DC 연결이 없는 주입 변압기가 주로 사용된다. 이러한 측정이 가능한 특수 변압기는 광범위한 주파수 밴드에서 일정한 전압을 전송한다. 네트워크 분석기를 사용하여 주파수를 자동으로 스윕할 경우 플랫 이득이 유용할 수 있다. 대부분의 애플리케이션에서 특히 주입된 신호의 주파수를 수동으로 변경할 경우, 변압기의 전압 전송 특성은 신호 또는 오디오 발생기의 진폭을 변경하여 균형을 맞출 수 있다. 이렇게 하면 110V~12V의 오프라인 변환을 위한 저렴한 가격의 표준 변압기와 같이 일정한 전압 전송 곡선이 표시되지 않는 변압기를 사용할 수 있다. 그림 3은 이러한 변압기를 보여준다. 그림 1, 7 및 8의 구조도에서 변압기는 T1로 레이블되어 있다.

 

 

단계3: 신호 발생기 설정

 

 신호 발생기는 사인파 신호를 발생할 수 있어야 하며 출력은 주입 변압기의 110V 입력에 연결해야 한다. 그런 다음 신호 발생기의 진폭 설정을 사용하여 주입 변압기의 출력 전압을 조정해야 한다. 전력 회로가 비선형 작동을 하지 않도록 신호 발생기의 진폭을 조정할 수 있으므로 여러 주파수에서 테스트해야 한다. 주입 변압기를 통해 AC 커플링만 수행하므로 신호 발생기 출력 신호의 DC 오프셋을 0V로 설정해야 한다.

 

 

단계4: 오실로스코프 설정

 

 오실로스코프는 아날로그 또는 디지털을 사용할 수 있다. 측정을 단순화하기 위해 동일한 감쇄 효과를 갖는 두 개의 보정된 스코프 프로브를 사용하는 것이 중요하다. 두 채널을 가장 높은 분해능으로 조절하고 AC 커플링을 설정한다.

 오실로스코프 화면이 스위칭 노이즈로 채워지는 것을 방지하고 원하는 파형을 표시하려면 범위를 대역폭 한도까지 설정한다. 올바르게 트리거된 사인파의 그림을 얻으려면 신호 발생기에 장착된 세 번째 채널의 트리거를 끌 수 있다. 채널 A 또는 채널 B에서 직접 트리거하는 방식은 고주파수 스위칭 노이즈 픽업으로 인해 어려울 수 있다. 신호 발생기를 직접 트리거하면 이러한 문제를 방지할 수 있다. 또한 이렇게 하면 채널 A와 B의 진폭을 변경하여 트리거를 재조정할 필요가 없다.

 

 

단계5: 전력 공급장치 설정

 

 전력 공급장치는 안정성 테스트를 수행해야 하는 조건에 놓아야 한다. 즉, 보드 전력을 켜고 부하를 출력에 걸어야 한다. 그림 3에는 사진을 보기 쉽도록 이러한 케이블 연결이 나타나 있지 않다. 항상 여러 부하와 라인 조건으로 안전성을 측정하는 것이 좋다. 낮은 출력 부하에서 대부분의 전력 공급장치는 다른 루프 특성을 보여주는 전류 유도 모드를 중단한다. 또한 입력 전압 피드 포워드가 없는 전압 모드 컨버터에서 루프 특성은 입력 전압에 따라 바뀐다. 측정하기 전에 반드시 전력 공급장치의 주파수 주입 레지스터에 신호 주입 변압기를 장착하고 채널 A와 B의 두 전압 프로브에 연결한다. 두 스코프 프로브의 접지는 테스트 중인 전력 공급장치 연결부에 연결해야 한다.

 

 

단계6: 측정 수행

 

 장비를 설정하고 모든 전력을 켜면 스코프는 한 채널에서는 한 라인, 다른 채널에서는 사인파를 보여준다. 사인파가 표시되지 않을 경우, 스코프가 가장 높은 진폭 분해능(일반적으로 구획당 20mV)으로 설정되거나 신호 발생기의 진폭이 너무 낮게 설정된다. 사인파가 표시된 후에 신호 발생기의 주파수를 변경하면 채널 A와 채널 B의 진폭이 변화된다. 채널 A와 채널 B의 사인파가 같은 진폭을 갖는 특정 주파수가 있을 것이다. 이것은 루프 1의 이득이 있는 지점이다. 시스템에 주입된 신호의 진폭은 루프를 통해 전달된 후의 신호 진폭과 같다. 이러한 과정이 일어나는 신호 발생기에서 설정한 주파수는 시스템의 0dB 교차 주파수이다.

 그림 4는 두 파형이 같은 진폭을 가질 때 오실로스코프 화면의 채널 A와 채널 B를 보여준다. 주파수는 0dB이다.

일반적으로 두 사인파는 서로 간에 이동하는 위상이다. 두 신호의 위상차 크기는 0dB 교차 주파수에서 위상 여유이다.

 

그림 4. 0dB 교차를 보여주는 측정

 

 0dB 교차 지점 외에 낮은 주파수의 다른 측정 지점을 사용할 수 있다. 채널 A와 채널 B 사이의 진폭 차이는 신호 발생기가 설정된 주파수의 이득을 제공한다. 아래의 표는 공식에 따른 전압 차이와 dB로 된 해당 값을 보여준다. dB = 20log A/B.

 전체 보드 플롯을 얻기 위해 신호 발생기 주파수가 스윕되고 다른 지점에서 두 채널과 위상 이동 사이의 진폭 관계로서의 이득이 측정된다. 루프 측정 및 이득에 사용되는 오실로스코프에 따라 이득이 매우 크거나 매우 작은 보드 플롯의 지점을 확인하기가 매우 어려울 수 있다. 예를 들어 30dB의 경우, 약 32의 채널 A및 B 사이의 전압 관계는 확인하기가 매우 어렵다. 일반적인 설계의 경우, 0dB 교차 지점 같은 보드 플롯의 가장 중요한 지점은 비교적 쉽고 정확하게 측정할 수 있다. 높은 이득 주파수에서는 정확한 dB 값을 확인하기 어려울 수 있지만 ??이득이 매우 높고 30dB 이상??과 같은 정량적인 관찰을 쉽게 수행할 수 있다.

 루프 측정은 변경되지 않는 설계나 일종의 히스테리시스 과전압 보호 모드에서만 성공적으로 수행할 수 있다. 측정을 위한 안정적인 설계를 구현하려면 전류 모드 제어 설계에서 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다. 에러 앰프가 트랜스컨덕턴스 앰프인 설계에서는 보상 핀에서 접지까지, 에러 앰프가 표준 전압-전압 에러 앰프인 설계에서는 보상 핀에서 FB 핀까지 큰 커패시턴스를 사용한다. 일반적으로 1uF의 커패시터 값이 적당하다. 매우 낮은 주파수에 극을 설치하고 0dB 교차 주파수도 매우 낮아지도록 이득을 빨리 떨어뜨린다. 전류 모드 제어 설계에서 매우 낮은 주파수의 위상 여유는 대개 안정된 설계를 구현할 수 있을 만큼 충분하다. 이런 식으로 플랜트 이득을 측정할 수 있다.

 이 방법은 전력 단계 전송 기능을 보여주는 출력 플롯에 대한 보상을 얻는 경우에만 적합하다. 이 전송 기능은 루프를 위한 올바른 보상 구성 요소를 선택할 때 도움이 된다.

 

 

단계7: 보드 플롯 분석

 

 가장 중요한 측정은 이득의 0dB 교차이다. 이는 전력 공급장치의 대역폭과 시스템의 위상 여유에 대한 정보를 제공한다.

 시스템 대역폭은 DC의 이득 수준과 0dB 교차 주파수의 조합으로 간주될 수 있다. 이 주파수에서 채널 A와 채널 B의 위상 이동을 관찰할 때 전력 공급장치의 안정성 여유의 표시로 사용되는 시스템의 위상 여유를 측정한다. 설계가 얼마나 보수적인지에 따라 최소 45 ~ 50도의 위상 여유가 필요하다. 많을 수록 좋다.

그림 6은 네트워크 분석기를 사용하여 얻은 일반적인 보드 플롯을 보여준다. 보드 플롯은 전류 모드 스텝 다운 스위치 모드 레귤레이터를 통해 얻은 결과이다.

 

그림 6. 스텝 다운 전류 모드 스위칭 레귤레이터의 일반적인 보드 플롯

 

 또한 플랜트 극과 제로의 주파수를 발견할 수 있다. 이것은 전력 공급장치 구성 요소와 보상 구성 요소를 선택하는 데 도움이 될 수 있다.

 

 

플랜트 전송 기능 측정

 

 그림 1의 측정 설정 외에 루프에 주입된 신호를 측정하는 채널(그림 7참조)을 전력 공급장치 설계의 보상 핀에 장착할 수도 있다. 이 설정에서 플랜트의 전송 기능은 보상 핀에 장착된 보상 네트워크에 영향을 주지 않고 측정된다. 이는 전력 단계에 대한 매우 중요한 정보를 제공한다. 이 정보를 사용하면 원하는 컨버터 대역폭과 위상 여유에 대한 최적화된 보상 구성 요소를 매우 쉽게 선택할 수 있다.

 

그림 7. 컨버터의 플랜트 측정을 위한 설정

 

 

특별한 출력 단계 측정

 

 이 문서의 단계 1에서 언급한 것처럼, 주입 레지스터를 연결하고 측정용 전압 프로브를 장착하려면 한 쪽에는 낮은 임피던스 노드, 다른 한 쪽에는 높은 임피던스 노드를 갖는 루프에 주입 노드가 있어야 한다. 일반적인 고정 출력 전압 전력 공급장치 설계에서 이 신호를 주입하는 최상의 지점 단계의 영향이 거의 없어야 한다. 그림 8은 이러한 루프 안정성 측정 설정을 보여준다. 은 출력 전압과 하이 사이드 피드백 레지스터 사이이다. 다른 설계에서는 이러한 지점을 사용할 수 없다. LED를 구동하는 고정 전류 소스 전력 공급장치를 하나의 예로 들 수 있다. 실제로 관심을 두고 있는 루프는 LED 스트링을 통해 전류를 조절하는 루프이다. 전류는 LED 전류를 감지하고 이를 피드백 노드용 전압으로 변환하는 하이 사이드 전류 감지 블록을 사용하여 측정된다. 한 쪽의 임피던스가 낮고 다른 한 쪽 임피던스는 높은 피드백 경로에 공간을 배치하려면 Op 앰프 OP1이 피드백 루프에 버퍼로 추가한다. 이 기능에 적합한 좋은 부품이 내셔널 세미컨덕터의 LMH6642이다. 이 앰프를 선택하여 컨버터의 스위칭 주파수의 절반 이상 빨라지도록 하려면 루프에서 이 추가 단계의 영향이 거의 없어야 한다. 그림 8은 이러한 루프 안정성 측정 설정을 보여준다.

 

그림 8. 인위적으로 생성한 주입 노드의 설정

 

 

결론

 

 주입된 신호 주파수를 자동으로 스윕하고 곧바로 채널 A와 채널 B 사이의 위상차와 이득을 계산하는 실제 네트워크 분석기를 준비하면 매우 편리하다. 그러나 오실로스코프, 간단한 신호 발생기 및 저렴한 가격의 표준 변압기 같은 기본 실험실 장비를 사용하여 전력 공급장치의 제어 루프를 측정할 수 있다. 전력 공급장치의 라인과 부하 과도 응답과 더불어 전력 공급장치 설계의 위상 여유를 측정할 때 매우 유용한 데이터를 얻을 수 있다. 다른 주파수에서 여러 측정을 수행할 때 값비싼 장비를 사용하지 않고도 기본 보드 플롯을 그릴 수 있다. 이렇게 하면 최소한의 정확도가 보장되는 이득 값을 얻을 수 있다.