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펄스 레이더용 GaN MMIC 전력 증폭기의 전원 공급 관리
이나리 기자 | 승인 2017.12.21 14:37

[EPNC=이나리 기자] 펄스 레이더 애플리케이션과 같이 고도로 집적화되고 정교한 고출력 무선(RF) GaN 전력 증폭기(Power Amplifier, PA)를 통합하는 시스템은 갈수록 정교해지고 있으며, 오늘날 디지털 제어와 관리 시스템의 수준에 발맞추기 위해 꼭 필요한 과제다. 이 시장에서 경쟁하기 위해 최근 제어 시스템은 최대한 유연하고 재사용 가능하며, 개발자의 요구에 부응할 수 있도록 다양한 RF 증폭기 아키텍처에 쉽게 적응할 수 있어야 한다.

이 정교한 관리 시스템은 혁신적인 보상 알고리즘, 내장 시험 장치(Built-In-Test, BIT)기능, 로컬과 원격 통신 인터페이스, 주요 시스템 성능 매개변수와 환경 조건의 모니터링, 그리고 시스템 고장 방지를 필요로 한다. 이런 시스템이 갈수록 정교해지는 이유는 반도체 기반 RF 시스템에서 고출력에 대한 수요가 있기 때문이다.

이런 고출력 시스템은 상당한 양의 열을 발생시켜 증폭기 성능과 평균 고장 간격(Mean Times Between Failure, MTBF)에 영향을 미친다. 이들 시스템에 필요한 RF 증폭기 초고주파 집적회로(MMIC)는 비용이 높고 고출력 장치이기 때문에 개발자은 GaN PA 기반 시스템의 실시간 성능과 온도 모니터링을 필요로 한다. 이를 통해, 손상이 일어나기 전 시급한 문제를 미리 감지, 필요한 조치를 취함으로써 손상을 예방할 수 있다. 

적절한 전자식 제어설계와의 구현은 최대로 유연해질 수 있으며 그 어떤 RF 증폭기 구조에도 활용할 수 있다. 이 디지털 전자 장치는 개발자의 요구에 맞춰 맞춤 제작할 수 있다. 디지털 설계를 할 때 보호 논리 구조를 빌트인(Built-In)하면 손상 임계치(Damage threshold) 근접 시 GaN RF 증폭기를 비활성화 시킬 수 있다. 다양한 대역폭과 온도에서 RF 성능을 최대한 활용하려면 이런 핵심 기능이 매우 중요한 역할을 담당한다. 이런 기능 덕분에 테스트 용이성, 유지 보수성, 시스템 통합의 용이성, 검·교정 수준이 높아지며 기술적으로 차별화를 두는 것이다.

오늘날 반도체 RF 증폭기의 복잡함과 출력 전력은 계속해서 증가하고 있다. 최적화된 성능, 전원 공급 순서 관리, 고장 감지와 증폭기 시스템 모니터링 그리고 보호 기능을 제공하기 위해서 재프로그래밍이 가능한 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA) 또는 마이크로컨트롤러를 활용해 전자장치를 구현할 수 있다.

재프로그래밍이 가능한 솔루션은 보다 향상된 RF 앰프 서브 시스템 개발에 필요한 유연성을 제공한다. 또한, 설계 오류로 인한 회로 기판 재설계, 일정 지연의 발생 가능성을 최소화한다. 이런 증폭기 시스템의 필수 요건은 적용 사례에 따라 결정되는데 디지털 제어 전자장치 아키텍처는 일반적으로 아래와 같은 적용 요건에 따라 구성된다.

- 디지털 컨트롤러
- 비휘발성 메모리
- 아날로그-투-디지털컨버터(ADC)
- 디지털-투-아날로그컨버터(DAC)
- 디지털 입/출력(I/O) 
- DC 전력 조절
- 통신 인터페이스
- 다양한 아날로그 센서

하드웨어, 소프트웨어의 재사용은 설계 변수를 빠르고 효율적으로 개발하는 데 있어 핵심이 된다. 이런 기능을 통해 공장 테스트와 검·교정 소요 시간을 줄이는 동시에 중요한 진단 도구를 제공함으로써 시스템에서 문제가 생겼을 때 디버그 과정을 더욱 수월하게 만들 수 있다.

[그림 1] 일반적인 GaN PA 제어 시스템

대부분의 ADI RF 증폭기용 제어 시스템은 FPGA 장치를 활용한다. FPGA는 범용성이 높고 내부 소프트코어나 임베디드 프로세서를 탑재할 수 있으며, 다양한 병렬 기능을 모두 동시에 독자적으로 실행 가능하도록 구현할 수 있다. 이에 따라 FPGA는 명령, 중요한 회로 조건에 빠르게 대응 가능해 RF 전자장치를 보호할 수 있다. 논리 기능, 알고리즘은 대체로 베릴로그(Verilog)나 VHDL 등 하드웨어 기술 언어(Hardware Description Language, HDL)로 구현된다. 논리 기능의 실행은 FPGA 내부의 상태 기계 논리에 의해 제어되는데 상태 기계는 입출력 조건을 바탕으로 실행 연산의 시퀀스를 제어한다.

증폭기 성능의 최적화

증폭기 성능을 최대한 활용하려면, 게이트 전압이 데이터 시트에서 증폭기용으로 명시된 전원 공급장치 전류에 도달하도록 설정돼야 한다. 게이트 전압은 DAC를 통해 조정되며, 동시에 ADC를 사용해 전력 증폭기의 전원 공급장치 전류를 모니터링한다. 이런 기능을 통해 RF 전자장치를 검사하거나 수정할 필요 없이 RF 증폭기 게이트 전압을 빠르게 검·교정 할 수 있다.

전원 공급 순서, 전원 관리, 전원 공급장치 모니터링의 강화

FPGA 설계를 통해 파워업(Power-Up)전류를 최소화하도록 전압조정기와 RF 증폭기의 시퀀스를 결정하고, 증폭기와 전원 공급장치의 고장을 모니터링 또는 검출할 수 있다. FPGA는 고장 상태 감지 시 시스템 부품을 정지시킴으로써 보호조치를 취하거나 제어 인터페이스를 통해 컴퓨터로 상태를 보고할 수 있다. FPGA는 사용되고 있지 않은(대기모드) 회로를 정지시킴으로써 전반적인 시스템 전원 소실도 관리할 수 있다.

온도 모니터링과 열관리

온도는 고전력 증폭기 시스템의 RF 성능을 결정짓는 중요한 요소다. 온도 모니터링 기능은 FPGA에 증폭기의 온도 보상을 위한 알고리즘을 구현할 수 있도록 만들어준다. 또 팬 속도 등 냉각 시스템을 제어하도록 FPGA를 활용하며 성능 저하를 최소화할 수 있다. 해당 로직을 통해 잠재적으로 손상을 일으킬 수 있는 열 상태를 감지하고 적절한 조치를 취할 수 있는 것이 특징이다.

디지털, 아날로그 I/O

FPGA는 RF 스위치, 위상 변환기, 디지털 감쇠기, 전압 가변형 감쇠기(아날로그 감쇠기)를 제어할 수 있다. ADC를 이용하면 대부분의 아날로그 센서 신호를 FPGA와 연동해 사용할 수 있다. 원하는 정보를 디지털 포맷으로 변환해 FPGA와 연결할 수 있다면, 원하는 정보 또는 신호를 모니터링하고 프로세싱을 위한 알고리즘에 적용할 수 있다.

제어, 컴퓨터 인터페이스, 그래픽 사용자 인터페이스(Graphic User Interface, 이하 GUI)

관리 시스템에서 가장 중요한 부분은 증폭기 시스템의 제어, 센서, 진단 데이터에 대해 손쉽게 접근할 수 있도록 만들어주는 제어, 컴퓨터 인터페이스, GUI다. 이는 모든 제어와 상태 정보를 사용하기 쉬운 휴먼 인터페이스 형태로 포맷하도록 GUI 개발을 돕는다. 또한, 시스템 통합, 최종 테스트 과정 전반에서 생산 테스트 커버리지, 검·교정·실패 분석을 최대한 높게 활용하도록 소프트웨어 스크립트를 개발하는 것도 가능하다. 

테스트 데이터를 컴퓨터 파일에 작성하거나 컴퓨터 파일에서 읽어오는 작업을 할 수 있으며, 검·교정 데이터를 NVRAM에 저장해 보상 알고리즘에 대한 변수로써 런타임 실행 시 사용할 수도 있다. 공장에서의 활용 외에도, 시스템 상태 모니터링, 시스템 고장의 근본 판단, 제어 소프트웨어의 편리한 현장 업그레이드 등에서도 활용된다. 이 인터페이스를 조금 변형하면 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 애플리케이션에도 손쉽게 활용될 수 있어 정보를 종단까지 전달하는 데 도움을 준다.

[그림 2] 일반적인 게이트 컨트롤 시스템.

GaN RF 전력 증폭기는 지속파(CW) 모드, 펄스 모드 애플리케이션에서 사용된다. 제어 관점에서 펄스식 작동이 상대적으로 더욱 까다롭기 때문에, 이 글을 통해 중점적으로 다루고자 한다. 펄스식 RF는 통신, 의료, 레이더 애플리케이션 외에도 다양한 분야에서 활용되고 있다. 펄스식 작동은 열 방산이 적어 냉각 장치의 부담이 적다는 장점이 있으며 시스템 외부 DC 전력 요건을 최소화한다. 하지만 작동 주기 시간(Duty cycle)은 줄어들고 정착 시간(Settling time) 요건은 빨라지면서 최신 기술이 계속해서 요구되고 있는 상황이다.

이처럼 까다로운 조건에 대한 해결 방식은 디지털 제어 시스템을 활용해 RF MMIC를 펄스 구동하는 것이다. FPGA를 이용해 RF MMIC를 활성화/비활성화하는 경우, 시스템 요건에 따라 게이트 또는 드레인 펄스 기법을 이용한다. FPGA의 RF MMIC 제어 인터페이스는 대체로 MMIC의 드레인으로 전력을 전환하는 회로 혹은 게이트와 인터페이스하는 특정 형태의 아날로그 또는 디지털-투-아날로그 회로로 구성된다. MMIC를 펄스 구동할 때 효율적인 DC 전원 공급이 될 수 있도록 로컬에 에너지를 저장하기 위해 전환 속도와 정착 시간 요건에 따라 콘덴서 뱅크가 필요할 수도 있다.

[그림 3] 일반적인 드레인 스위칭 시스템.

[그림 2]와 [그림 3]은 펄스식 RF 적용을 위해 사용 가능한 일반적인 회로를 나타낸다. FPGA는 펄스 신호의 타이밍 제어가 가능하도록 만들어주며 RF MMIC를 위해 동기화된 상태 모니터링과 보호 기능을 제공한다. FPGA는 하나의 펄스 신호를 받아 이를 하나 또는 다수의 RF MMIC장치에 전달할 수 있으며, 동시에 근접한 타이밍 관계를 유지할 수 있다.

고출력 펄스식 애플리케이션에서 게이트 펄스 기법의 장점은 높은 직류 전환을 필요로 하지 않는다는 것이다. 그러나 RF 성능을 최대한 활용하려면 정확한 게이트 전압, 세심한 제어를 필요로 하기 때문에 게이트 펄싱이 복잡해질 수도 있다. MMIC 특성 데이터는 MMIC 성능이 최상인 상태인 단 하나의 정적 게이트 바이어스 상태에서 수행된다. 

MMIC는 펄스식 작동의 경우에는 대체로 그 특성을 나타내지 않는다. 게이트 전압에 의해 MMIC가 핀치오프 상태와 온 상태 사이에서 전환할 때 일부 MMIC는 불안정한 모습을 보이기도 한다. 드레인 펄싱이 좀 더 유연하며 MMIC 특성 데이터를 덜 필요로 할 수 있다. 이에 펄스식 애플리케이션 각각의 요건을 꼼꼼히 검토해 최적의 펄싱 방법과 회로를 결정해야 한다. 또한 게이트 펄싱 혹은 드레인 펄싱에 관계없이, MMIC 펄싱 적용 시 설계에 사용하려는 실제화된 MMIC를 기반으로 평가가 실시돼야 한다.

요약

아나로그디바이스는 복잡한 RF 전력 증폭기 시스템을 개발해 현장에 적용할 수 있도록 노력하고 있다. 이 시장에서 경쟁하기 위해 최근 제어 시스템은 최대한 유연하고, 재사용 가능하며, 시장의 요구에 맞춰 맞춤 제작이 가능하도록 다양한 RF 증폭기 아키텍처에 쉽게 적응할 수 있어야 한다.

빌트인 보호 논리를 적용해 손상 임계치에 근접할 때 RF 증폭기를 비활성화할 수 있으며 다양한 대역폭과 온도에서 RF 성능을 최대한 활용하는 데 매우 중요한 역할을 담당할 수 있다. 테스트 용이성, 유지 보수성, 시스템 통합의 용이성 및 검·교정 수준이 높아져 경쟁 제품과의 기술적인 차별성을 제공하며, 이런 차별성이 오늘날 고출력 증폭기 관리 시스템의 혁신에 영향을 미치고 있다.

이런 시스템에 MMIC 전원 관리 시스템을 구현함으로써, ADI는 파트너사의 협업을 추진하고 이를 통해 파트너가 보유 중인 시스템에 매끄럽게 통합되는 시스템을 제공함으로써 획기적인 변화를 가져왔다. 이런 유형의 반도체 RF 증폭기 시스템에 대한 요구는 계속해서 증가할 것이다. 시스템의 복잡성이 갈수록 늘어나고 있어, 이들 시스템의 보호 및 제어에 필요한 디지털 제어 전자장치의 복잡성 또한 갈수록 늘어날 것이며, 우리는 오늘날 고출력 GaN 증폭기 관리 시스템에 대한 혁신을 계속해서 진행해 나갈 것이다.

글: 데이비드 베넷(David Bennett) ADI 컨설턴트 엔지니어,
리처드 디앤젤로(Richard DiAngelo) ADI 엔지니어링 매니저
자료제공: 아나로그디바이스

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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