TransSiP·DPX 기술 갖춘 스펙트럼 분석기 활용한 사례 연구

TransSiP의 창립자이자 대표인 데스몬드 웡(Desmond Wong)은 대형 반도체 회사를 위한 무선 IoT 칩셋의 일부인 펄스 주파수 변조(PFM) DC-DC 컨버터에 공급되는 바이어스 노이즈를 조사하는 과정에서 기존의 분석 방식으로는 약한 신호와 일시적 신호를 표시할 수 없어 근본 원인을 찾는 것이 문제적 상황이었다.

짧은 시간에 변화하는 이벤트를 캡처하고 분석하기 위해 TransSiP는 텍트로닉스 RSA306 USB 기반 실시간 스펙트럼 분석기와 함께 SignalVu-PC 프로그램에서 제공하는 DPX 실시간 분석을 시도했다.

TransSiP는 텍트로닉스 솔루션을 사용해 처음으로 스위칭 모드 전원 공급기의 바이어스 노이즈에서 스위칭 노이즈 지터(SNJ)의 존재와 그 영향을 탐지하고 확인할 수 있었다. 이는 TransSiP의 JC-PFM과 하모니(Harmony) 장비 개발로 이어졌다. 이는 DC-DC 전력 컨버터의 노이즈 신호를 조절해 저전력 장치의 효율과 배터리 수명에 큰 영향을 주는 회로 토폴로지 (Circuit Topology)다.

DC-DC 전력 변환의 효율성 향상

캘리포니아 어빈에 위치한 TransSiP는 스위치 모드 DC-DC 전력 변환의 노이즈 감소와 스위칭 노이즈 지터(SNJ) 조절을 위한 새로운 접근 방식을 개발해 기존 방식을 대체하고 원격, 휴대용, 웨어러블, 사물인터넷(IoT) 및 센터와 같은 기타 전력 제한적 장치의 배터리 수명, 송수신 장치 범위 및 전체적인 시스템 성능을 향상시켰다.

[그림1]에서 TransSiP의 JC-PFM 마이크로 DC-DC 컨버터와 하모니(Harmony) SNJ 조절기는 특허 출원 중인 TransSiP의 지터 조절 기술을 통합하고 있다.

이러한 혁신적인 기술은 텍트로닉스 RSA306 스펙트럼 분석기가 가진 성능과 회사의 창립자이자 CEO인 데스몬드 웡(Desmond Wong)의 직관력, 그리고 열정적인 연구가 결합됐기에 가능했다.

웡(Wong) 대표는 유기 고분자 기판 내 액티브 및 패시브 구성 요소 모두를 포함하는 복잡한 RF 장치를 위한 3D 시스템 패키지 통합 분야의 잘 알려진 선구적인 인물이다. TransSiP는 ‘유기 섬유’라는 용어를 사용해 성능 향상을 위한 실리콘, 고분자기판, 패시브 구성요소의 조합을 소개했다. 여기에는 일반적으로 원하지 않는 회로 요소로 간주되는 기생 요소의 사용이 포함된다.

무선 IoT와 GPS 시스템에 대한 적용 작업을 수행하는 동안 전원 공급기에 연결된 시스템 동작에서 이상 현상이 관찰됐다. 최적의 시스템 성능을 유지하기 위한 회로의 기능을 무언가 방해해 경계 또는 제한 조건 이하로 떨어뜨리고 있었다. 하지만 당시 보유한 테스트 및 측정 도구로는 근본 원인을 밝혀낼 수 있는 강력하고 명쾌한 정보를 얻을 수 없었다.

이와 같은 유사한 현상은 웡(Wong) 대표가 2015년 중반에 진행한 컨설팅 프로젝트에서도 나타났다.

이 프로젝트는 무선 IoT 장치를 위한 스위치 모드 펄스 주파수 변조(PFM) 유형 DC-DC 컨버터에 관련된 공급 바이어스 노이즈를 검사하기 위한 것이었다.

PFM DC-DC 컨버터는 전력이 제한적인 휴대용 및 웨어러블 애플리케이션에 일반적으로 사용되는 다양한 범위의 부하 프로필로 모든 DC-DC 기술에서 가장 높은 변환 효율을 가지고 있지만 공급 바이어스에서 무질서한 노이즈 신호를 발생시켜 노이즈에 민감한 회로에 문제를 일으키기도 한다.

이 때문에 대부분의 설계자들은 회로가 최소 또는 규정 요구 사항을 충족하도록 효율이 떨어지는 선형 조정기(낮은 드롭아웃 또는 LDO)와 PWM(펄스폭 변조) 또는 듀얼 모드 PFM, PWM 조정기, 컨버터를 선택하게 된다.

PFM DC-DC 변환의 노이즈 문제가 해결될 수만 있다면 완전히 새로운 세대의 IoT, 휴대용 웨어러블 장치개발이 가능하며 무선 및 시스템 성능의 저하 없이도 월등하게 향상된 배터리 수명과 개선된 사용자 환경을 제공할 수 있을 것이다.

새로운 노이즈 구성 요소

프로젝트가 진행되면서 웡(Wong) 대표는 전원 공급기 스위칭 노이즈를 평가하기 위해 업계에서 승인된 스펙트럼 노이즈 밀도 측정 방식과 스펙트럼 분석기 및 오실로스코프를 사용하는 기타 노이즈 진폭 분석을 수행했다. PFM DC-DC 컨버터와 관련된 노이즈에는 여러 유형이 있으며 아래와 같이 정의된다.

- 출력 전압 리플 (Output Voltage Ripple)

- 스위칭 주파수의 고조파 (Harmonics of Swithching Frequecy)

- Ringing (기생으로 인함)

- 위조 또는 일시적 이벤트 (Suprious or trasient events)

이러한 노이즈는 잘 알려져 있기 때문에 쉽게 필터링해 억제할 수 있다. 하지만 이 경우에 쇠 회로의 미세 조정이 특정 지점을 넘으면 개선 효과가 중단됨을 파악했다. 일부 노이즈는 계속 발생했으며 이러한 노이즈의 출처와 특성을 알 수 없었다.

데스몬드 웡(Desmond Wong) TransSiP 대표는 “공급되는 바이어스의 리플이나 노이즈가 특정 수준까지 내려가면 노이즈 진폭은 문제가 되지 않았으나 큰 영향을 주는 무엇이 계속 남아 있었다”고 진단했다.

웡(Wong) 대표는 RF에 대한 경험을 토대로 노이즈를 더 정확하게 가시화하기 위해 실시간 스펙트럼 분석기를 사용하기로 결심했고 이를 위해 현지 텍트로닉스 세미나에 참여해 새로 출시된 RSA306 USB 실시간 스펙트럼 분석기에 대해 알아봤다. RSA306의 소프트웨어 업그레이드가 가능한 벡터 신호 분석 기능은 예산과 작업 공간이 제한돼 있는 소규모 회사와 신규 회사에 이상적이다.

SignalVu-PC 소프트웨어는 아날로그 디지털 포스퍼 디스플레이와 유사하게 색상 코딩을 사용한 DPX 디스플레이를 통해 신호의 강도를 표시한다. 또 강력한 스펙트로그램 디스플레이도 포함돼 시간에 따른 가장 작은 주파수 변화도 사용자가 관찰할 수 있다.

이러한 디스플레이 기술을 통해 TransSiP는 [그림2]에 표시된 것과 같은 설정을 사용해 공급되는 바이어스 노이즈의 시간 도메인 구성 요소와 관련된 매우 짧고 간격이 변화하는 일시적 이벤트와 스퓨리어스 이벤트를 처음으로 캡처하여 명확하게 볼 수 있었다.

TransSiP에서 ‘스위칭 노이즈 지터’, 짧게 ‘SNJ’라고 부르는 이 구성 요소가 전력 시스템의 성능을 훼손시키는 무질서한 노이즈 신호의 가장 큰 원인이었다.

DPX 디스플레이를 통해 TransSiP는 이전에 탐지할 수 없었던 PFM DC-DC 컨버터에 공급되는 바이어스에 관련된 무질서한 노이즈 신호를 찾아낼 수 있었지만 이벤트의 원인은 찾아내지 못했기에 이후 6개월 동안 SNJ를 ‘조정’하고 SNJ 신호를 수정해 무질서한 노이즈 요소를 줄이기 위한 조사와 방법 개발에 몰두했다.

이 과정에서 여러 회로 토폴로지의 SNJ를 캡처하고 분석했으며 이러한 검사 결과를 24시간에서 3~4일까지의 간격으로 실제 성능 테스팅에 연결해 보기도 했다.

이를 통해 SNJ의 존재를 검사하기 위해 출력 리플과 피드백 전압 사이의 관계를 수학적으로 모델링함으로써 관찰된 시스템 동작을 입증하려 했다.

이러한 과정을 걸쳐 회로 토폴로지의 체계적 개선이 이뤄졌고 TransSiP의 JC SNJ 조절 기술이 개발됐다. 다운스트림 회로 성능에 대한 DPX 관찰과 현장 테스팅 모두를 통해 TransSiP의 JC 기술과 PFM DC-DC 컨버터의 조합이 전력이 제한적인 현대의 휴대용, 웨어러블 및 원격 전자 장치에 사용되는 LDO 조정기에 다른 개선 방법 못지않은 공급 바이어스 품질을 가지고 있음이 입증됐다.

이 기술은 캘리포니아 롱비치에서 열린 2016 APEC에서 처음 공개됐고 특허 신청을 위해 제출됐으며 연구지에도 실리게 됐다.

혁신적인 효율성

현재 노이즈에 민감한 회로에 전원을 공급하기 위해 LDO 조정기가 사용되는 것은 선형 조정의 저항적 특성에 비해 시스템 성능 요구 사항을 만족 할만한 수준의 공급 바이어스 노이즈를 발생시키기 때문이다.

이 장치에서 발생하는 문제는 많은 시간을 입력과 출력 전류 및 전압 비율에 직접적으로 비례하는 저전력 모드에서 변환 효율이 감소한다는 것이다.

따라서 모든 제한적 전력 제품이 대부분의 시간을 보내는 대기 전력 단계에서는 변환 효율이 5% 미만이 된다. 스위칭 모드 DC-DC 컨버터는 훨씬 높은 효율을 가진다. PFM 유형은 모든 범위의 시스템 전력 요구 사항에서 80~95%의 효율로 실행된다.

하지만 공급 바이어스의 무질서한 노이즈 때문에 원격, 휴대용/웨어러블 및 IoT 장치의 핵심이 되는 노이즈에 민감한 회로에는 적합하지 않다. 이 회로의 예는 대부분의 확산 스펙트럼 무선 통신, 탐색 및 위치 지정 애플리케이션 부분이 포함된다.

TransSiP의 JC 기술은 이러한 모든 것을 바꾸어 놓았다. [그림3]의 DPX 플롯은 TransSiP의 JC가 ‘조절’한 PFM 컨버터의 노이즈 신호가 상기의 노이즈에 민감한 애플리케이션에 적용하는 것을 넘어 LDO 조정기보다 뛰어남을 보여준다.

이는 사용자 환경의 향상으로도 이어진다. 예를 들어 웨어러블 장치에서 몸무게로 인한 드룹아웃의 감소, 무선 연결의 안정성과 범위 향상, 5배 이상의 배터리 수명 효과를 발휘하게 된다.

[그림3] 조절되지 않은 공급 바이어스와 조절된 공급 바이어스의 DPX 디스플레이

TransSiP는 GPS/GNSS에 적용 작업을 통해 공급 바이어스의 충실도가 위치 드리프트와 TTFF(time-to-first-fix: 첫 수정 시간)의 형태로 직접 관찰됨을 알 수 있었다. GPS/GNSS 마이크로시스템과 시스템 패키지(SiP) 설계에 대한 충분한 경험을 통해 TransSiP는 이 기능을 DPX 디스플레이에 표시된 SNJ의 검사를 위한 시험 항목으로 선택하게 된다.

제한된 조건(탐지 가능한 최소 위성 신호)에서 3000시간 넘게 생성한 결과는 [그림4]를 참고하면 된다. 이러한 현장 테스트를 통해 TransSiP의 JC-PFM 토폴로지가 상업용 GPS/GNSS 시스템에 사용되는 기존 LDO 조정기에 비해 더 나은 성능을 가지고 있음을 입증한 것이다.