RF 전력 증폭기, 셀룰라 핸드셋에서 DC 바이어스 전류 측정 - Technology

휴대폰 시장에서 배터리 수명은 모든 고객이 자신의 핸드셋에서 쉽게 측정할 수 있는 단일 사양이다. 불충분한 배터리 수명은 쉽게 사용자의 불만족을 초래한다. 따라서 전력 소비 절감을 통해 배터리 수명을 연장하는 것은 핸드셋과 그 구성요소 설계의 모든 측면에 대한 고려사항이다.

RF 전력 증폭기 및 셀룰라 핸드셋에서 DC 바이어스 전류의 측정

글│John Kenny, 애질런트 시스템 제품 사업부의 R&D 기술 매니저
Bob Zollo, 애질런트 시스템 제품 사업부의 제품 기획자

휴대폰 시장에서 배터리 수명은 모든 고객이 자신의 핸드셋에서 쉽게 측정할 수 있는 단일 사양이다. 불충분한 배터리 수명은 쉽게 사용자의 불만족을 초래한다. 따라서 전력 소비 절감을 통해 배터리 수명을 연장하는 것은 핸드셋과 그 구성요소 설계의 모든 측면에 대한 고려사항이다. 물론 이러한 추세는 잘못된 방향으로 가고 있다. 오늘날 음성 및 데이터에 인터넷 액세스, 오디오, 비디오 및 멀티모드 기능을 포함하는 휴대폰 기능의 향상으로 배터리에 대한 수요가 증가하고 런타임은 저하되고 있다. 시장의 수요에 부응하기 위해 휴대폰 설계자는 단일 핸드셋에서 이러한 모든 기능 및 GSM, CDMA, WiFi, HSDPA, EVDO, WCDMA를 비롯한 여러 표준을 지원하는 휴대폰을 제작한다. 안타깝게도 휴대폰에 훨씬 더 많은 기능을 추가하게 되면 많은 전력이 소요되며, 일부 기능은 사용되지 않은 경우에도 전력을 소요한다.

초기의 휴대폰 설계에서 전력 소비는 RF 전력 증폭기, 마이크로프로세서, 백라이트 및 디스플레이에 의해 촉진되었다. 설계자는 이러한 서브시스템에 의해 소비되는 전력을 절감하는 데 주안점을 두었으며 그 결과 그 영향은 작동 중에 가능한 절대 최소값으로 감소했다. 배터리가 계속 향상되는 반면, 그 진보는 대폭 둔화되었으며 핸드셋을 더욱 작고 얇고 가볍게 만들기 위해 전력팩의 크기와 무게를 줄이면서 동시에 대형 화면, 폭넓은 기능 및 긴 배터리 수명을 제공해야 하는 압박이 커지고 있다.

이러한 요구에 부응하기 위해, 분명한 영역이 해결된 경우 휴대폰 설계자는 전통적으로 영향이 낮았던 새로운 영역을 공격해야 했다. 오늘날, 휴대폰 설계자는 전력 소비를 크게 줄이기 위한 방법으로 동적인 전력 사용에 의존하고 있다. 이 기법을 통해 핸드셋 내의 서브시스템은 필요한 경우에만 켜지고 꺼지므로 전력을 절감할 수 있다.

그러나 이러한 서브시스템은 연속적으로 핸드셋의 내부 전력 레일에 위치해있다. 이들 서브시스템이 비활성화된 상태에서도 대기 전력(일명 누설)은 배터리 상의 드레인이다. 많은 수의 RF 표준 및 사용자가 원하는 기능을 지원하기 위해 이러한 서브시스템의 수량은 증가하고 있다. 서브시스템이 비활성화된 경우 서브시스템당 전력 드레인이 작긴 하지만 이들 서브시스템은 초과 배터리 드레인의 소스로 감시 하에 놓인다. 이는 성능과 전력 소비 비교를 위해 각 서비스 시스템을 최적화하는 20개 이상의 각기 다른 전압 레귤레이터와 더불어, 최신 휴대폰에 사용되는 각기 다른 전압 레벨의 수에 의해 더욱 악화된다. R&D 랩에서, 엔지니어는 소요 전류를 최소화하고 배터리 수명을 최적화하기 위해 핸드셋 하드웨어 및 소프트웨어를 조금만 변경하려고 애쓴다. 따라서 엔지니어가 랩에서 총 전화기 전류를 정확히 특성 분석할 수 있고 각 서브시스템의 on/off 전류를 개별적으로 측정하여 설계 결정의 영향을 이해할 수 있는 것이 중요하다.

오늘날 솔루션은 무엇인가?

테스트 중에 전력 핸드셋에 사용되는 대부분의 전원 공급기에 전류 측정이 내장되어 있지만, 전원 공급기의 측정이 충분히 정확하지 않을 수 있다. 전원 공급기가 마이크로암페어 전류 측정을 수행할 수 없는 경우 ATE 시스템 설계자는 DMM에 의존할 수도 있다. 그러나 DMM을 전류계로 사용하여 마이크로암페어 전류를 측정하려면 하려면 전력 경로를 전원 공급기에서 DMM을 거쳐 DUT로 라우팅해야 한다. 이렇게 하면 노이즈 픽업을 위한 배선 및 소스가 더욱 복잡해진다. 여러 DUT를 병렬로 테스트해야 하는 경우, DMM을 사용하는 것은 멀티플렉서 스위치를 추가하고, 스위치가 안정화되고 여러 DUT에 걸쳐 순차적으로 측정이 이루어지길 기다리면서 테스트 시간을 늘려야 함을 의미한다. 시스템 처리율을 향상시키기 위해서는 하나의 DMM을 멀티플렉싱하기보다는 이 시스템에 각 DUT 전용의 DMM을 둘 수 있는데 이 경우 비용과 복잡성이 늘어난다.

이러한 동적 전류를 측정하는 또 다른 접근법에서는 몇몇 ATE 제조업체에 의해서만 제공되는 특수 전원 공급기가 필요하다. 이러한 전원 공급기가 특수한 이유는 광범위한 전류 측정을 가능하게 하는 정교하고 디지털화된 통합 전류 측정 시스템과 함께 고대역폭 전압 레귤레이터를 제공하기 때문이다. 테스트 중에 배터리를 대체함으로써 이 전원 공급기는 테스트 중인 핸드셋으로 소싱되는 전류를 측정할 수 있으며 따라서 휴대폰 전류 소비 및 배터리상의 결과 드레인을 파악하는 데 필요한 측정을 바로 제공할 수 있다. 휴대폰 제조업체는 생산 테스트 어플리케이션에 이러한 특수 전원 공급기를 사용하여 휴대폰이 전력 요구사항에 부합하도록 한다. 이러한 종류의 특수 전원 공급기는 핸드셋 및 그 구성 부품을 특성 분석하는 랩 어플리케이션에서도 유용한다.

휴대폰 생산 중에 휴대폰 제조업체 대부분은 전화기가 작동 중인 경우(송신, 수신, 오디오 재생, 인터넷 액세스) 대전류를 측정하며, 핸드셋이 꺼져 있거나 대기 상태인 경우에는 소전류를 측정한다. ATE 시스템 처리율을 유지하기 위해 높은 전류 측정을 신속히 수행할 수 있지만, 대기 모드, 절전 모드 및 누설 전류 측정에서는 노이즈 제거를 위해 긴 통합 주기가 필요하기 때문에 이러한 소전류를 측정하는 것은 일반적으로 느리다.

이러한 핸드셋은 높은 전류 소요(예: 전송 펄스 중) 및 낮은 전류 소요(예: 대기 상태) 사이를 전환한다는 점에 유의하라. 따라서 핸드셋을 구동하는 전원 공급기는(핸드셋의 배터리가 그러하듯이) 안정적인 전압을 생성하기 위해서는 빠른 과도 응답(transient response)을 가져야 한다. 이러한 과도(transients)의 결과로 전압이 변동할 경우에는 테스트가 무효가 되거나 더 나빠질 수 있으며 핸드셋은 낮은 배터리 전압 감지 회로에 의해 종료될 수도 있다.

이러한 전원 공급기는 전원 공급기에서 흘러나오는 매우 낮은 전류를 정확히 측정하도록 높은 저항 값 전류 션트(100 ~10KΩ 범위에서)를 가진다. 보정되지 않은 큰 션트 값은 출력에서의 대규모 강하 및 DUT 바이패스 네트워크에서 흔히 볼 수 있는 용량성 부하의 불안정을 초래한다. 이에 부응해서, 이들 전원 공급기는 특수 회로를 사용해서 이러한 높은 값 션트를 동적으로 단락시키고 전원 공급기의 과도 응답을 허용 가능 수준으로 향상시켜야 한다. 각각의 특수 전원 공급기 제조업체는 저마다의 고유 기법이 있으며 그 중 대부분은 특허를 받은 것이다.

현재 솔루션의 결함은 무엇인가?

이러한 기법 대부분은 높은 값 션트에 걸쳐 대형 커패시터를 배치해서 안정성 문제를 해결한다. 안정성은 달성되긴 하지만 이러한 대형 션트를 흐르는 소전류의 측정 시간에서는 큰 대가를 지불해야 한다. 왜냐하면 대형 저항기는 대형 커패시터와 결합될 경우 긴 시간 상수 및 큰 안정화 시간과 대등해지기 때문이다.

또한, 이러한 기법에서는 이들 대형 저항기에 걸쳐 MOSFET를 사용해서 대전류 소요 중에 저항기와 커패시터를 단락시킨다. 이러한 FET를 연계시키게 되면 출력 전압의 불연속이 발생하고 진동이 유발될 수 있다. MOSFET를 사용하는 동안 이러한 어려움을 예방하는 솔루션이 있지만, 극복하기 어려운 과제이며 모든 벤더의 제품이 완전히 성공을 거두는 것은 아니다.

이러한 기법을 사용하는 오늘날 대부분의 솔루션은 전체 전화기의 최종 테스트를 위한 충분한 성능을 제공하지만, 휴대폰 내의 개별 부품 측정 요구에 부합하기 위한 측정 속도나 동적 측정 범위에서는 그러한 성능을 제공하지 않는다. 일반적인 30uA 측정 정확도 및 100ms 측정 시간이 제조 테스트 시스템에서의 휴대폰에 적절하다. 하지만 핸드셋의 개별 반도체 부품을 테스트하기에는 너무 느리고 부정확하다. 핸드셋의 개별 반도체 부품은 훨씬 더 신속히 테스트하고 훨씬 더 낮은 전류에서 작동해야 하기 때문이다. 대부분의 부품은 uA 이하 레벨의 측정 정확도 및 ms보다 10배 빠른 측정 속도가 필요하다.

애질런트는 무엇을 제공해야 하는가?

이러한 낮은 레벨의 전류를 신속하고 정확히 측정하기 위해서는 전술한 기법의 확장만으로는 최종 사용자 요구사항을 달성하지 못할 것이라는 점이 애질런트 설계자들에게 분명해졌다. 애질런트테크놀로지스에게 발행된 특허에 기반해서 정확한 낮은 전류 측정을 위한 새로운 접근법이 현재 이용 가능하다. 이러한 특허 기술이 장착된 애질런트 전원 공급기는 높은 전류에서 빠른 과도 응답을 가지며, 빠르고 정확한 낮은 레벨 전류 측정이 가능하다. 이 전원 공급기는 대형 내부 커패시터가 충전되고 신호가 안정화될 때까지 기다릴 필요가 없으므로 소전류 측정을 더욱 빨리 수행할 수 있다. 이 기술은 마이크로암페어 전류 측정을 100nA 미만의 오프셋 오류로 몇 밀리초 내에 수행할 수 있게 해주며, 2암페어보다 큰 전류에 대한 50마이크로초 미만의 과도 응답 시간도 충족시킨다.

애질런트의 낮은 전류 측정을 지원하는 특허 기술

애질런트의 특허 솔루션은 현재의 솔루션에서 일반적으로 볼 수 있는 큰 전류 션트에 걸쳐 커패시터를 제거하기 위해 능동적 방법을 사용한다. 커패시터가 없더라도 이러한 능동적 방법은 큰 값의 션트로 인한 불안정성을 경감시켜준다. 커패시터가 제거되기 때문에 빠른 측정 시간을 달성할 수 있다. 특허 회로는 op amp를 사용하여 큰 션트(일반적으로 10kohms 이상)의 저항을 주요 전력 출력 경로에서 몇 밀리옴 미만으로 줄인다. op amp 경로를 통과하는 전류가 최대 임계값을 초과하면 일련의 MOSFET가 활성화되어 더 높은 암페어가 큰 값의 션트 주위를 이동할 수 있게 된다. 이러한 MOSFET의 스위칭 인은 완벽하게 이루어지므로 전압 불연속이 제거된다. 이 기법에서는 빠르고 낮은 레벨 측정이 가능하며, 오늘날의 동적 부하에 필요한 뛰어난 과도 응답 성능이 유지된다.

누가 이 솔루션을 사용하고 어디에 사용할 수 있는가?

휴대폰 제조업체는 이 솔루션을 생산 테스트 시스템에 사용하여 대기 모드에서 전체 제품 전류 소비를 정확히 측정할 수 있다. 마이크로프로세서, RF 전력 증폭기 및 기타 지원 회로와 같은 휴대폰 부품의 제조업체는 이 솔루션을 저마다의 생산 테스트 시스템에 사용할 수 있다. 낮은 전류를 신속히 측정할 수 있는 전원 공급기를 사용함으로써 제조 테스트 시스템은 전류 측정을 기다릴 필요가 없으며 테스트 시스템 처리율을 향상시킬 수 있다. 휴대폰에 사용되는 RF 전력 증폭기의 전송 사양을 특성 분석하는 데 사용되는 값비싼 RF 테스트 기어의 활용을 극대화하기 위해서는 처리율이 상당히 중요하다. 바닥 면적 역시 최신 휴대폰 및 휴대폰 부품 라인에서 매우 중요하므로 처리율 및 소형 크기 모두를 통해 기존 바닥 면적 및 값비싼 자재 취급 장비 및 RF 기어를 보다 효과적으로 사용할 수 있다.

이러한 솔루션은 어떻게 사용 가능해지는가?

이러한 새로운 측정 기법은 애질런트 N6700 모듈러 전력 시스템의 일부로 제공되는 DC 전력 모듈에서 사용할 수 있다. 이 모듈러 전력 시스템을 통해 R&D 및 제조 엔지니어는 모두 광범위한 각기 다른 전력, 전압 및 성능 레벨에서 22개의 각기 다른 DC 전력 모듈에서 선택함으로써 다중 출력 DC 전력 시스템을 구성할 수 있다. R&D를 위해, 애질런트는 N6705A DC 전력 분석기를 제공하는데 이 분석기는 워크벤치에 맞는 이상적인 크기의 단일 패키지에 1~4개의 전원 공급기, DMM, arb, 스코프 및 데이터 로거를 통합한 R&D용의 완전 새로운 범주의 테스트 계측기이다. 이 DC 전력 분석기에는 정교하면서도 친숙한 사용자 인터페이스가 있어서 프로그래밍이 필요 없이 신속하게 테스트 셋업이 가능하다(자세한 내용은 www.agilent.com/find/N6705 참조).

제조를 위해, 애질런트 N6700 로우 프로파일 모듈러 전력 시스템은 ATE 시스템 설계자에게 테스트 요구에 부합하도록 성능, 전력 및 가격을 최적화할 수 있는 유연성을 제공한다. 이 N6700 로우 프로파일 모듈러 전력 시스템은 최대 DC 전원 공급기 밀도를 위해 1U 폼 팩터에서 최대 4개의 모듈을 지원하는 400W ~1200W의 세 가지 메인프레임을 제공한다(자세한 내용은 www.agilent. com/ find/N6700 참조).

애질런트는 N6700 제품군의 N6760 고정밀 DC 전력 모듈에 대한 마이크로암페어 전류 측정 시스템 옵션을 막 출시했다. 애질런트 모델 N6761A 및 N6762A에 대한 옵션 1UA로 제공되는 이 마이크로암페어 전류 측정 시스템은 판독값의 0.5% 100nA의 측정 정확도(23℃ ±5℃에서)로 1uA 정확도를 측정할 수 있는 제3의 측정 범위를 추가했다.

N6700 로우 프로파일 메인프레임에 설치된 DC 전력 모듈에서 이 옵션 1UA 마이크로암페어 전류 측정 시스템을 사용할 경우, 측정 기능에는 내장 전류계를 통한 통합 마이크로암페어 전류 측정 및 50kHz 디지타이저를 사용한 4096 포인트 버퍼로의 데이터 갭처가 포함된다.

N6705A DC 전력 분석기에 설치된 DC 전력 모듈에서 옵션 1UA를 사용할 경우, 마이크로암페어 전류 측정 시스템은 DC 전력 분석기의 내장 전류계, 스코프 및 데이터 로거 기능을 사용하여 전류를 캡처할 수 있다.

낮은 전류를 측정하는 것 외에도 옵션 1UA는 감지 리드를 비롯한 전원 공급기의 플러스 및 마이너스 쪽 모두를 분리하는 기계적 릴레이가 추가되었으므로 전원 공급기와 DUT 간에 완전한 갈바닉 절연(galvanic isolation)을 얻을 수 있다.