이 글에서는 수직축 분해능이 높은 디지털 오실로스코프가 SMPS(Switching Mode Power Supplies) 개발과 성능을 측정할 때 가지는 장점과(에 대해서 소개하고) 오실로스코프의 기능을 이용하여 스위칭 소자의 손실을 측정할 때 오실로스코프가 가진 제약을 어떻게 극복하여 보다 정확하게 손실을 측정할 수 있는지 알아보고, 오실로스코프에서 파워 서플라이 측정에 어떤 측정 기능들을 제공하는 지에 대해서 소개한다.


글: 오창훈 부장 / 텔레다인르크로이코리아
www.teledynelecroy.co.kr

 

대부분의 오실로스코프에서는 파워 서플라이의 손실 및 특성을 파악할 수 있는 기능들은 제공하고 있습니다. 편리하게 측정하고 분석할 수 있지만, 측정을 수행할 때 몇 가지의 설정을 주의 깊게 설정하면 보다 정확한 측정을 보장 받을 수 있습니다.

이 글에서는 수직축 분해능이 높은 디지털 오실로스코프가 SMPS(Switching Mode Power Supp lies) 개발과 성능을 측정할 때 가지는 장점과(에 대해서 소개하고) 오실로스코프의 기능을 이용하여 스위칭 소자의 손실을 측정할 때 오실로스코프가 가진 제약을 어떻게 극복하여 보다 정확하게 손실을 측정할 수 있는지 알아보고, 오실로스코프에서 파워 서플라이 측정에 어떤 측정 기능들을 제공하는 지에 대해서 소개합니다.

전원회로는 컴퓨터, 그 주변기기, TV, 라디오, 오디오 시스템 및 군사장비와 산업용 기계에까지 모든 전기기기들은 직류 전원을 필요로 하고 있습니다. 전기 기기의 부품에 필요한 직류전원은 전지를 이용하여 공급하거나 AC 전원을 직류로 변환 시켜주는 전원 공급기를 이용하거나, 자체에 AC를 직류로 변환해 주는 전원회로를 가지고 있습니다.

지난 수십 년 동안 “Power Supply” 특히 SMPS는 빠른 속도로 발전해왔으며, 스위칭 소자와 레귤레이터 그리고 제어 회로 등의 발전으로 SMPS의 전원 효율은 높아지고 소형화되고 있습니다. 이런 시스템을 설계하는 엔지니어들은 개발뿐만 아니라 전원 공급기의 동작에 대한 평가와 로드(Load)의 상태에 따른 전원 시스템의 동작 상태에 대한 동작에 대해서 정확히 평가해야 합니다.

일반적으로 대부분의 개발 엔지니어들은 오실로스코프를 전원회로 분석용 시스템으로 선택하고 있습니다. 최근의 오실로스코프에서는 전원회로를 분석할 수 있는 측정 툴은 제공하여 사용자들이 매우 쉽게 원하는 측정값들은 얻을 수 있습니다.

높은 분해능의 오실로스코프가 필요한 이유

디지털 오실로스코프가 수행하는 동작 중 가장 기본적인 사항은 사용자가 측정하고자 하는 신호를 정확하게 파형으로 표현해주는 것입니다. 디지털 오실로스코프에서는 입력 신호를 일정한 간격으로 샘플링을 취하고 데이터를 메모리에 저장한 후, 화면에 파형을 복원하여 표시합니다. 파형이 얼마나 충실하게 표현되는 지의 여부는 샘플링을 취하는 ADC(Analog to Digital Converter)의 성능에 좌우된다는 의미입니다. ADC에서 샘플링 되어 메모리에 저장된 데이터들이 파형을 표시하는 것 뿐만 아니라 모든 측정을 위한 계산에 사용된다는 점을 항상 염두에 두고 측정에 임해야 할 것입니다.

ADC 사양 중 크게 두 가지의 요소가 신호 측정과 파형에 영향을 끼칩니다. 첫 번째는 샘플링 속도입니다. 샘플링 속도에 대해서는 디지털 오실로스코프를 다루는 엔지니어들이 잘 알고 있으므로, 이 기상에서는 다루지 않기로 하며, 두 번째로는 수직축 분해능입니다. 일반적인 오실로스코프들의 수직축 분해능은 8비트에 머무르고 있습니다. 텔레다인르크로이의 HDO4000, HDO6000, HDO 8000 시리즈가 시장에 출시되기 전까지 모두 8비트 분해능을 가진 오실로스코프들이 공급되었으며, 현재도 공급되고 있습니다.

오실로스코프에서 비트 수 즉 분해능이 높아졌다는 것은 더욱 정확하고 신호를 정밀하게 들여다 볼 수 있다는 뜻입니다. 8비트 오실로스코프에서는 수직축으로 256개의 양자화 레벨을 가지고서 샘플링 된 포인트를 디지털 값으로 변경하는 반면 12비트 오실로스코프에서는 수직축으로 4096개의 양자화 레벨로 정밀하게 나누어 디지털 값으로 저장합니다. 16배 더 세밀하게 신호를 관측할 수 있게 되며, 수직축 오차도 0.5% 미만으로 더욱 정확하고 세밀하게 신호를 관측할 수 있습니다.

▲ 표 1. ADC 분해능별 양자화 레벨과 다이나믹레인지 비교.

표 1에서는 8비트 스코프와 12비트 스코프에서의 양자화 레벨과 다이나믹 레인지를 비교하였습니다. (비교한 표를 보이고 있습니다).

양자화 레벨이 많으면 신호를 더 자세하게 볼 수 있다는 것은 일반 TV의 해상도나 디지털 카메라의 화소수와 동일하게 이해할 수 있기 때문에 쉽게 이해가 될 것입니다. 그럼 다이나믹 레인지가 8비트에서는 48dB, 12비트에서는 72dB라고 표시 되었는데 신호 측정에는 어떻게 영향을 줄 수 있으며, 어떤 장점을 얻을 수 있는 지 살펴보겠습니다. 사실 다이나믹 레인지도 양자화 레벨로부터 계산되었기 때문에 동일하게 생각해도 틀리지는 않습니다.

전압축으로 넓고 세밀한 측정 필요

스위칭 소자의 스위칭 손실 및 에너지 손실을 측정하려면 오실로스코프는 온-오프 상태의 전압을 정확히 포착해야 합니다. AC-DC 컨버터의 스위칭 소자를 다루는 경우, 수백 V에서 수십 mV까지 동작 범위가 매우 넓습니다. 이렇게 넓은 동작 범위에서 동작을 하는 신호를 관측할 때는 양자화 레벨이 매우 중요합니다. 예를 들어, 370V로 온-오프 하는 스위칭 소자에서 Saturation 전압을 측정한다면 오실로스코프의 수직축 설정은 약 50V/div에 설정하여 파형을 관측할 것입니다.

이때, 8비트 오실로스코프에서 양자화 가능한 최소 레벨은 400V/256level 또는 약 1.563V/level입니다. 결국 수백 mV의 Saturation 전압은 오실로스코프에서 분간할 수 없게 되는 것입니다. 일반적인 8비트 오실로스코프는 오프 상태의 전압과 온 상태의 전압을 동시에 정확하게 포착하기 위한 동작범위(다이나믹 레인지)를 가지고 있지 못합니다.
이에 비해 12비트 오실로스코프에서 동일한 설정에서 인식 가능한 최소 전압레벨은 0.0976V (97mV)로 작은 신호 관측이 가능합니다.

▲ 그림 1. 8비트 스코프에서 포착한 Turn-On 구간에서의 전압.
▲ 그림 2. 12비트 스코프에서 포착한 Turn-On구간에서의 전압 파형.

그림 1과 그림 2에서는 동일한 MOSFET의 Vds 신호와 Id 신호를 포착 하여 Turn-On 구간에서의 Saturation 파형을 비교하고 있습니다. 그림 1과 2에서 맨 아래의 노란색으로 표시된 파형은 Vsat 을 동일한 설정으로 확대한 파형입니다. 그림 1에서는 잡음에 섞여서 실제 파형의 모양을 확인하기 어렵지만, 그림 2에서는 선명하게 그 모양을 확인할 수 있습니다.

정확한 전력 손실 계산

텔레다인르크로이 오실로스코프에서 탑재하고 있는 전력 계산 툴은 여러 가지 방법으로 오실로스코프가 가지고 있는 한계를 극복할 수 있는 방법을 제공하고 있습니다. 그 동안 일반적으로 적용되어 사용하던 계산 방식은 포착된 두 가지의 파형(Vds와 Id)에 의존하여 파형을 곱하거나 적분을 이용하여 전력 손실을 계산하는 방식이었습니다.

이 방법에서는 이미 언급한대로 수직축 분해능의 한계로 인하여 스위칭 소자의 넓은 동작 범위를 모두 다루지 못할 수 있습니다. 특별한 프로브를 이용하여 Vsat 만을 포착할 수 있다면, 턴-오프 상태의 전압과 턴-온 구간의 신호를 나누어 측정할 수 있을 것입니다. 텔레다인르크로이 오실로스코프에서는 DA1855A와 DXC100A 프로브를 이용하여 도통 구간(Conduction)의 파형을 따로 포착해 낼 수 있습니다.

그림 3에서는 MOSFET의 드레인과 소스 전압을 ADP305와 DA1855A 를 이용하여 동시에 프로빙하여 측정한 결과를 보이고 있습니다. ADP305에서 측정한 파형(C1: 노랑색)은 화면의 맨 위에 보이고 있으며, 위에서 두 번째 트레이스에서 보여지고 있는 파형(C3: 초록색)은 DA1855A에서 포착한 도통 전압입니다. DA18855A는 오실로스코프의 ADC가 오버드라이브 되지 않도록 오프셋을 제공하여 원하는 범위의 전압 신호만을 오실로스코프에 전달할 수 있는 기능을 가지고 있습니다.

▲ 그림 3a. 2개의 차동 전압프로브를 이용하여 스위칭 파형과 컨덕션 상태(위에서 2번째 트레이스)의 파형을 동시에 포착하여 파워 손실을 측정.
▲ 그림 3b. 정확한 전력 손실을 계산하기 위한 세부 설정메뉴.

두 개의 차동 전압을 이용하는 방법 이외에도 스위칭 소자의 사양에 표시된 Rds(on) 또는 Vce(sat) 값을 직접 입력 받아 전력 손실을 계산할 수 있는 메뉴를 제공하고 있습니다. 따라서, 스위칭 소자의 동작 전압이 오실로스코프에서 설정한 범위 내에서 측정 가능하다면, 하나의 전압프로브를 이용하여 바로 손실을 계산 할 수 있으며, 동작 범위가 넓어서 도통 전압을 얻기 힘든 경우라면, 세밀한 신호관측이 가능한 DA1855A를 추가하여 분석하는 방법을 사용하거나, 데이터 시트에서 표기하고 있는 값을 입력하여 분석하는 방법을 사용할 수 있습니다.

스위칭 손실 계산

스위칭 소자에서는 5가지 전력손실 측정이 이루어지게 됩니다. Turn-On, Turn-Off, Conduction, Off-State 및 전체 스위칭 손실로 구분할 수 있습니다. 전체 스위칭 손실의 경우, 스위칭 주기당 평균 전력 손실을 의미하며, 다음의 공식으로 표현할 수 있습니다.

텔레다인르크로이 오실로스코프에서는 파워 손실을 Energy(joule) 및 Mean Power(W), Peak Power(W) 등으로 표시가 가능하며, 모든 측정은 각 싸이클당 측정을 기본으로 하고 있습니다.

▲ 그림 4a. Turn-On/Off 트랜지션 구분을 위한 스레숄드 입력 창.
▲ 그림 4b. 세부 오프셋을 제거할 수 있는 입력 창과 프로브 사이의 딜레이를 보정할 수 있는 메뉴 입력창.

Turn-On/Off 손실 측정에서는 정확하게 해당 구간을 정의하고 식별할 수 있느냐와 서로 다른 용도로 사용되는 전압 프로브와 전류 프로브 사이의 시간 지연(Delay)가 중요한 측정 요소에 포함될 수 있습니다. 실 측정 대상체에 프로브를 연결하기 전 반드시 프로브 사이의 딜레이는 보정되어야 합니다. 텔레다인 르크로이의 DCS015라는 소스를 이용하여 두 프로브 사이의 딜레이를 보정할 수 있습니다.

딜레이를 보정한 후 전력 분석 툴을 사용하여 스위칭 손실을 측정한다면 신호를 포착하고 손실을 측정하기 전, 그림 4a 에서와 같은 입력 창에서 Turn-On/Off를 구분할 수 있는 쓰레숄드 레벨을 전압 값 또는 퍼센트 단위로 입력해야 합니다.

쓰레숄드 레벨을 입력 받은 오실로스코프는 그림 3a에서 보이는 것처럼 Turn-On, Conduction, Turn-Off, OffState의 위치를 측정자가 식별할 수 있도록 각 영역을 색으로 구분하여 파형에 표시해 줄 것입니다.

스위칭 손실을 측정할 때 사용하는 프로브들은 대부분 능동 소자를 사용하는 차동 전압 프로브로와 전류 프로브입니다. 이 두 종류의 프로브들은 편리한 측정법을 제공하지만 전압과 전류에 오프셋이 발생할 수 있습니다. 측정 도중 발생한 오프셋 값은 측정에 영향을 줄(끼칠) 수 있기 때문에 측정 전 제거하는 것이 원칙입니다. 프로브를 연결한 채널 메뉴에서 오프셋을 제거할 수 있습니다. 차동 전압 프로브의 경우, 채널 메뉴에서 “Auto Zero”라는 버튼을 누름으로써 발생한 오프셋을 제거 할 수 있으며, 전류 프로브는 “Degauss” 라는 버튼을 누름으로써 발생한 오프셋을 제거 할 수 있습니다. 또한 Power Analysis 메뉴의 입력 신호 메뉴에서 “Fine DC Offset” 부분에서 직접 오프셋을 제거할 수 있습니다. 그림 4b) 참조.


안정동작 영역(SOA) 측정과 적합 부적합 판정

Switching Power Supply"에서 스위치 트랜지스터는 가장 부하를 많이 받는 소자이며 동작영역 내에서 동작하는 지의 여부를 판단하는 것도 중요한 측정 포인트 중의 하나입니다. SOA를 측정하고 있는 모습의 그림을 그림 5에서 확인 할 수 있습니다. 그림 5의 노랑색 파형은 드레인과 소스 사이의 전압 파형이며, 빨강색 파형은 드레인 전류를 표시하고 있습니다. 연노랑으로 표시된 아래 쪽 파형은 전압과 전류를 곱하여 얻어진 순간 전력 파형입니다. 그리고 오른쪽에 표시되고 있는 파형이 전압, 전류 파형으로 생성된 SOA 플롯입니다.

▲ 그림 5. SOA 측정의 예, 최대 전압일 때의 전류, 최대 전류에서의 전압을 입력하여 자동으로 마스크를 생성할 수 있습니다. (그림에서의 전압, 전류 값은 임의대로 설정한 값입니다.)

SOA는 매 순간순간에서의 전압과 전류의 곱, 즉 순간 전력(instantaneous Power)를 전압 vs 전류의 축에서 확인하는 것입니다. SOA는 온도 변화, 로드 변화, 라인 전압 변화 등의 여러 가지 조건에서 측정될 수 있으며, 각 조건에서 동작 가능한 범위들의 한계를 정의해두고 있습니다.

SOA 플롯에서 가장 관심을 가지고 확인해야 하는 것은 측정 디바이스가 최대 전압, 전류 또는 전력의 한계를 벗어났는지의 여부를 판단하는 것입니다. 텔레다인르크로이에서는 최대 전압이 흐를 때의 전류 값, 최대 전류가 흐를 때의 전압 값을 입력하면 자동으로 그에 맞는 마스크를 SOA 플롯에 표시합니다. 이 마스크를 침범 하는 경우, 붉은색 동그라미로 표시하여 어떤 값으로 어떤 위치에서 한계 값을 넘었는지를 바로 확인할 수 있습니다.

SMPS 관련 한 다른 측정 기능들

지금까지 설명한 측정들은 대부분 스위칭 관련 전력 손실을 정확하게 측정하는 부분에 대해서 설명하였습니다. 이외에도 텔레다인르크로이의 Power Analysis 툴은 일반적으로 측정해야 하는 다른 영역을 측정할 수 있는 기능을 제공하고 있습니다.

전력 변환 시스템을 크게 나누어 보면, 입력 부분, 스위칭 부분, 컨트롤 부분으로 나누어 볼 수 있습니다. 스위칭 부분에서의 측정은 스위칭 손실, 안전동작영역, 컨덕션 상태에서의 Rds(on), dV/dt 또는 di/dt의 측정 및 인덕터의 B-H 커브를 관측하는 것입니다.

라인 입력 부분에서는 입력 전압, 전류의 RMS 및 피상 전력, 유효전력, 무효 전력 및 역률 계산 그리고 위상 및 파고율(Crest Factor) 등의 측정을 수행할 수 있는 메뉴를 제공하고 있습니다. 입력 전류에 대한 하모닉스 테스트 기능을 포함하여, EN61000-3-A의 규격에 적합한지를 각 클래스에 따라 측정할 수 있습니다. 또한 측정 대상 시스템의 성능을 파악할 수 있도록 입력과 출력을 동시에 프로빙하여 입력 파워와 출력 파워를 계산하고 효율과 리플을 측정할 수 있습니다(그림 6).

▲ alt="0010(그림 6. 파워 서플라이의 입력과 출력을 프로빙하여 시스템의 효율을 측정할 수 있습니다.)"

정형화된 측정 툴을 이용하여 측정하는 방법은 물론, 오실로스코프에서 가지고 있는 기능을 사용하면 디버깅 및 모니터링을 수행할 수 도 있습니다. 특히, Trend라는 기능을 이용하여 측정 값들의 변화 정도를 오랜 시간동안 모니터링할 수 있습니다. 트랜드 기능은 파워 서플라이의 입력과 출력 전압을 모니터링하는 데 매우 유용합니다. 트랜드는 측정값을 그래프로 플롯해주는 기능이며 최대 1,000,000 이벤트를 기록할 수 있습니다. 따라서 매우 긴 시간 동안 변화 되는 사건들을 모니터링 할 수 있습니다. 이 기능을 이용하여 입력 전압, 출력 전압을 모니터링하는 기능은 텔레다인르크로이의 Technical Lab Brief(http://teledynelecroy.com/doc/power-line-monitoring) 노트를 참조하시기 바랍니다.

결 론

SMPS를 비롯한 파워 서플라이의 측정은 측정 대상 시스템의 신뢰성은 물론 표준의 적합성과 안전을 유지할 수 있는 방법입니다. 파워 관련 측정은 단순 전압 전류 측정을 시작으로 수학적인 해석, 주파수 도메인에서의 측정 등 사용자가 직접 설정하여 테스트하는 경우, 다소 복잡하고 어려울 수 있습니다.

텔레다인르크로이의 Power Analysis Tool에서는 기본적으로 “Power Supply” 측정을 자동으로 수행 할 수 있으며, 강력한 트리거기능, 확장된 파형연산 처리기능과 자동 합격/불합격 테스트기능을 통해서 (포함하고 있어서) 매우 간편하게 측정할 수 있으며, 다른 여러 기능을 적절히 사용한다면, (을 포함하고 있어서) 여러 개의 전용 분석기를 사용하는 것보다 훨씬 유용하게 사용될 수 있습니다.

최근 발표된 텔레다인르크로이의 HDO8000시리즈는 8개의 입력채널을 가지고 있어서, 다중 채널분석을 편리하게 수행할 수 있으며, 12비트의 분해능을 제공하여 단상, 삼상 측정은 물론 모터 드라이브 개발 분석에 더욱 적합합니다.


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