[TECH REPORT] ATE에서 소스‧싱크 지원하는 듀얼 출력 전압레일 생성법

[아나로그디바이스=준 레넬 산체스/앤토니 세르퀴나] DPS(device power supply) 구동에 사용되는 전통적인 기법은 양의 레일을 위한 것과 음의 레일을 위해 구성되는 2개의 양방향(전류 소싱 및 싱크 가능) 전원을 사용하는 것이다. 다만 이 같은 셋업은 덩치가 커지고 비용이 증가하는 단점이 있다. DPS를 위해 1개의 양방향 전원만을 사용하기 위해서는 양의 레일과 음의 레일 모두를 만족할 수 있는 듀얼 출력 전압 레일을 생성해야 한다.

DPS는 자동화 테스트 장비(automatic test equipment, ATE)를 비롯해 그 밖에 다른 측정 장비에 사용된다. ATE는 기능성, 품질, 성능, 스트레스 테스트를 위한 기존의 수작업 방식 전자 테스트 장비를 컴퓨터로 자동화한 장비이다. 이러한 ATE는 해당 DPS에 4사분면 동작을 필요로 한다.

DPS는 4사분면 전원 공급 장치로서, 양의 전압 또는 음의 전압으로 전류를 소싱 및 싱크할 수 있다. 보다 높은 전류의 애플리케이션을 위해서는 여러 DPS 디바이스를 사용해서 전류 용량을 높일 수 있다. DPS는 전류의 싱크와 소싱을 모두 다 할 수 있어 DPS를 구동하기 위한 전원 역시 동일한 능력을 가져야 한다.

듀얼 출력 전압 레일은 요구되는 양방향 전원 공급 장치의 수를 1개로 줄이면서 DPS에 양과 음의 양방향 가능 소스를 제공할 수 있도록 개발됐다. 전류를 소싱 및 싱크할 수 있는 IC 제품들이 많이 출시됐기 때문에 양방향 양의 전원을 구현하기는 어렵지 않다.

문제는 테스트 대상 디바이스(DUT)의 요구에 따라서 음의 전원 역시 전류를 소싱 및 싱크할 수 있어야 한다는 것이다.

한 가지 솔루션은 인버팅 벅-부스트 컨버터로 동작하도록 구성할 수 있는 양방향 가능 벅 IC를 사용하는 것이다. 예로 LTC3871을 들 수 있는데, 이 제품은 양방향 벅 또는 부스트 컨트롤러이므로 양의 레일과 음의 레일 모두에 사용할 수 있다.

◆ 벅 IC를 사용해서 인버팅 벅-부스트 컨버터 설계

그림 1은 벅 컨버터의 개략적인 회로 다이어그램을 나타낸 것이다. 컨버터는 양의 입력을 취해서 더 낮은 크기의 양의 출력을 제공한다. 그림 2는 양의 출력을 취해서 더 낮거나 또는 더 높은 크기의 음의 출력을 제공하는 인버팅 벅-부스트 컨버터를 보여준다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 벅 토폴로지는 우선 변 컨벅터의 양의 출력을 시스템 접지로 변경하고 시스템 접지를 음의 출력 노드로 변경한다. 그리고 VIN과 벅 컨버터의 양의 출력 사이에 입력 전압을 인가해 인버터 벅-부스트 토플로지로 변경할 수 있다.

그림 4는 벅 IC를 인버팅 벅-부스트 구성으로 변경하는 방법에 대한 간단한 회로 구성을 보여준다.

◆ 변경된 벅 IC의 작동 방법

전류 소싱

그림 5는 인버팅 벅-부스트 컨버터의 파형과 전류를 소싱할 때 전류 흐름을 보여준다. 그림 5a는 제어 MOSFET이 켜졌을 때(turn-on) 컨버터의 전류 흐름을 보여준다. 그림 5c는 제어 MOSFET으로 흐르는 전류를 보여주며, 이의 평균은 입력 전류이다. 이 시간 동안, 인덕터는 에너지를 저장하기 시작해서 전류를 끌어올리고, 출력 커패시터는 부하로 전원을 공급한다. 이 시간 동안 인덕터 전압은 입력 전압과 같다.

제어 MOSFET이 꺼지면(turn-off) 동기 MOSFET은 켜지는데(turn-on), 그림 5b는 이를 통해 흐르는 전류를 보여준다. 출력 전류는 동기 MOSFET의 평균 전류이고, 인덕터 전압은 출력 전압과 같다. 인덕터가 부하와 커패시터에 전원을 공급하면서, 전류는 떨어지기 시작한다. 이 과정은 매 스위칭 사이클마다 반복한다.

컨버터의 피드백이 펄스 폭 변조(PWM)을 제어해서 출력 전압을 원하는 수준으로 레귤레이트하는데, 이 수준은 전압 분할 저항에 의해서 설정된다. 공식 1은 출력 전압과 입력 전압의 관계식을 보여준다.

듀티 사이클이 50% 이상이면 출력 전압은 입력 전압보다 크고, 듀티 사이클이 50% 미만이면 출력 전압은 입력 전압보다 낮다.

전류 싱크

이 컨버터가 전류를 싱크할 때는 전류가 출력에서 입력으로 흐른다(그림 6a와 6b). 그림 6c와 그림 6d는 각각 제어 MOSFET과 동기 MOSFET을 통해서 흐르는 전류를 보여준다. 컨버터가 전류를 싱크하기 때문에, 음의 전류가 이들 MOSFET을 통해 흐르는 것으로 보인다. 아래 ‘테스트 결과’ 단락에서 싱크 시의 음의 인덕터 전류를 볼 수 있다.

테스트 결과

그림 7은 이 설계의 소싱-싱크 전환 및 싱크-소싱 전환을 테스트하기 위한 테스트 셋업을 보여준다. 그림 8은 이 테스트 셋업의 블록 다이어그램이다. 양방향 DC 소스가 VPOS의 전원으로 동작하며, 이 DC 소스는 CV 모드이다. VNEG의 출력에는 또 다른 DC 소스를 연결한다. 이 DC 소스가 시스템으로 싱크하는 전류 양을 제어한다. 이 DC 소스와 직렬로 블로킹 다이오드를 연결해서 컨버터가 전류를 소싱할 때 이 DC 소스로 전류가 흐르지 않도록 한다. 전자 부하를 초기 부하로 사용해서 이 시스템이 소싱에서 싱크로, 또 싱크에서 소싱으로 전환할 수 있다는 것을 보여준다.

그림 9는 이렇게 해서 포착된 파형을 보여준다. DC 전원을 켜면 VNEG 레일이 전류를 싱크하기 시작한다. 인덕터 전류 파형을 보면 양의 전류에서 음의 전류로 전환한다는 것을 알 수 있다. VNEG이 전류를 싱크할 때는 시스템이 이 조건에서 개방 루프이고, 외부 DC 소스의 CC 모드가 소싱-싱크 전류를 제어한다. 이는 그림 10에서 VPOS에 대해서도 마찬가지다. 이 출력에 연결된 DC 소스를 켜면(turn-on) VPOS 레일이 전류를 싱크하기 시작한다.

그림 11의 파형은 싱크에서 소싱으로 전환하는 동작을 보여준다. 인덕터 전류를 보면 음의 전류에서 양의 전류로 전환하는 것을 알 수 있다. 이것은 VNEG으로 주입된 DC 전압이 제거됐을 때 다시 전류 소싱으로 전환하는 것을 뜻한다. 이는 그림 12에서 VPOS 레일에 대해서도 마찬가지다.

듀얼 출력 전압 레일은 VPOS와 VNEG 모두로 양방향이 가능하므로 필요한 장비를 줄여준다. 뿐만 아니라 한 레일 상에서 싱크한 전류를 다른 레일에 사용할 수 있어 메인 전원으로부터 끌어 쓰는 전류를 줄일 수 있으므로 보다 효율적이기도 하다. 이 컨버터의 또 다른 이점은 양방향 인버팅 벅-부스트 컨버터를 설계할 때 다양한 IC들 중에서 사용자가 원하는 제품을 선택할 수 있다는 것이다.