NI SourceAdapt – 차세대 SMU 기술

내용

소개 

SMU는 폐루프 피드백 컨트롤을 사용하여 프로그래밍된 소스 값 (기준점)이 테스트 중인 로드에 정확하게 적용되는지 확인합니다. 기존의 SMU는 아날로그 하드웨어를 사용하여 컨트롤 루프를 실행하였지만, 이 방법에는 단점이 있습니다. 예를 들어, 고속 테스트를 위해 설계된 고대역폭 SMU는 높은 안정성이 요구되는 큰 용량의 로드를 테스트할 때 적합하지 않습니다. 반면, 많은 용량의 로드를 테스트하기 위해 제작된 SMU는 고속 테스트를 위한 최상의 옵션이 아닐 수 있습니다. 실제로 종전 SMU의 대부분은 고속 테스트 또는 고안정성 테스트에만 최적화되어 있습니다. 그럼에도, 로드의 범위에 적합한 응답을 제공하는 회로를 설계하는 것이 매우 어렵기 때문에 최적의 응답을 얻기란 쉽지 않습니다.

SourceAdapt Technology를 사용하면, 특정 로드에 대한 SMU 출력 응답을 사용자가 직접 조율할 수 있으므로 위와 같은 문제를 근본적으로 해결할 수 있습니다. 이 기술을 통해 최소의 정착 시간을 갖춘 최적의 SMU 응답을 출력하게 되므로, 대기 시간이 단축되고 테스트 시간이 더욱 신속해질 뿐 아니라 DUT를 보호하기 위한 오버슛과 시스템 안정성을 보장하기 위한 진동이 없어집니다.

SMU 응답의 조율은 프로그램적으로 이루어지므로, 고속 테스트를 위해 설정된 SMU를 높은 안정성이 요구되는 테스트를 위해 재설정하는 것이 편리합니다. 이로써 테스트 설비에 대한 투자 이익을 극대화하고 더욱 우수한 결과를 얻을 수 있습니다.

그림 1. 용량성 로드에 대한 SMU 응답. SourceAdapt Technology는 최고의 안정성과 최소의 과도 응답 시간을 위해 정의된 응답 (빨간색)을 구현합니다.

기존 아날로그 컨트롤 루프의 한계

근본적인 문제는 로드가 출력 전압/전류를 규제하는 컨트롤 루프의 전달 함수에 직접 영향을 준다는 것입니다.따라서, 이상적인 응답을 얻기 위해 특정 로드를 설정할 수 있어야 합니다.

과거 테스트 계측기 제공업체들은 설정 가능한 전달 함수를 제공하기 위해 여러가지 다른 방식을 사용하였습니다. 컨트롤 루프 경로의 안팎으로 반응성 요소를 스위치하는 방식을 사용하였는데, 이 방식은 효과, 설정, 확장성에 한계가 있습니다. SourceAdapt Technology가 지원하는 맞춤형 보상을 위해서는 SMU 컨트롤 루프가 구축되는 방식에 대한 완벽한 재해석이 필요합니다.

SMU의 컨트롤 루프는 두 개의 폐쇄 컨트롤 루프 (각각 전류용과 전압용)의 중첩된 형태입니다. 그림 2a는 기존 SMU 아키텍처의 개념을 그림으로 나타낸 것입니다.

그림 2a: 기존 SMU 아키텍처를 간략화한 그림. 참고로, 컨트롤 루프 (V-I Control)는 아날로그 하드웨어 컴포넌트를 사용하여 실행되므로 설정 기능이 매우 제한적입니다.

V-I 컨트롤은 전압 및 전류를 위한 기준점이며, 폐루프 피드백을 통해 출력 전압과 전류를 기준점과 일치하도록 정밀하게 컨트롤할 수 있습니다. 본 전체 컨트롤 루프는 증폭기 및 기타 활성 아날로그 하드웨어를 사용하여 실행됩니다. 또한 피드백 신호는 고정밀 측정을 제공하기 위해 A/D 컨버터 (ADC)에서 읽혀집니다. 본 아키텍처에 대한 보상을 다양화하기 위해 이산 반응성 요소를 추가해야 합니다. 이같은 조정의 어느 정도는 스위치를 사용하여 프로그램적으로 수행되지만, 이 방식은 제한적이며 충분하지 않습니다. 기껏해야 몇 가지 설정 중에서 선택할 수 있기 때문입니다. 이는 특정 로드에 대해 SMU 응답을 최적화할 때 충분하지 않습니다. 그렇다면 임의로 설정 가능한 컨트롤 루프를 어떻게 구현할 수 있을까요? 이에 대한 대답은 그림 2b의 새로운 아키텍처에서 찾을 수 있습니다.

그림 2b: 새로운 NI SMU 아키텍처. 참고로, 컨트롤 루프 (V-I Control)는 이제 FPGA 내의 디지털 영역으로 이동되었습니다.

이 새로운 아키텍처에서 V-I Control은 디지털 영역으로 이동되었으며 이제 FPGA 내에 존재합니다. 디지털 컨트롤 루프는 아날로그 루프와 달리 완벽하게 소프트웨어 설정 가능하므로, 로드에 대한 적절한 응답을 얻기 위해 컨트롤 루프를 최적화할 수 있습니다. 이같은 컨트롤 루프의 다양한 실행을 통해 SourceAdapt Technology가 구현되었습니다.이로써 모든 로드에 대한 SMU 응답을 직접 구성하는 기능을 제공합니다.

그림 3: 새로운 디지털 V-I Control 실행

V-I Control 내에는 DC 정확도와 루프에 대한 일반적인 규제를 제공하는 적분기가 있으며, 맞춤형 보상을 제공하는 Pole-Zero Filter가 있습니다. 이 두 가지 블록은 아날로그 컨트롤 루프로는 불가능한 범위까지 사용자 설정가능합니다. 또한, 신속한 ADC/DAC와 FPGA의 처리 능력을 활용함으로써, 전체 루프는 정밀 소스 측정 어플리케이션을 완벽하게 처리합니다. 그 결과, 성능을 떨어뜨리지 않으면서 고도로 설정가능한 아키텍처를 구현할 수 있습니다.

SourceAdapt Technology의 내부 기술 이해하기

SourceAdapt 기술을 구현하는 새로운 아키텍처를 통해 두 가지 방식으로 전달 함수를 조정할 수 있습니다. 첫째, 적분기에서 게인-대역폭 곱 (Gain-Bandwidth Product:GBW)을 조정하는 방법이며, 두 번째는 전달 함수의 임의 주파수에서 피드백 보상기를 리드 보상기 (lead compensator) 또는 래그 보상기 (lag compensator)로 사용 (이를 통해 사용자는 극점-영점 쌍을 추가할 수 있음)하는 방법입니다.

게인-대역폭 조정

출력 경로의 적분기는 보드 크기 (게인 마진 (margin)[1]) 및 위상 마진 [2] 플롯의 작동 증폭기와 유사한 개루프 전달 함수를 제공합니다.

그림 4a: 적분기의 개루프 전달 함수 (게인 마진: 왼쪽, 위상 마진: 오른쪽)

그림 4b: 로드되지 않은 출력 (그림 4a의 전달 함수)이 있는 해당 1V 스텝 응답

적분기 게인 또는 루프의 이득-대역폭 곱 (GBW)을 조정하여 루프의 전체 응답을 다음과 같이 동작하도록 조정할 수 있습니다.

  • 보다 느리고 안정적으로 동작: 예를 들어, 3kHz GBW 및 위상 마진 87.34* (그림 5a 및 5b 참조) 또는
  • 더욱 빠르게: 예를 들어, 20 kHz GBW (그림 6a 및 6b 참조)

그림 5a: 3 kHz GBW 및 위상 마진 87.34로 더욱 느리고 더욱 안정적인 응답

그림 5b: 로드되지 않은 출력 (그림 5a의 전달 함수)이 있는 해당 1V 스텝 응답

 

그림 6a: 20 kHz GBW 및 위상 마진 72.23의 더욱 빠른 응답

그림 6b: 로드되지 않은 출력 (그림 6a의 전달 함수)이 있는 해당 1V 스텝 응답

 

유도 저항 사용하기

안정성이 떨어지는 경향이 있는 더욱 까다로운 유도 저항의 경우, 단순히 루프의 속도를 낮추어 더욱 안정적으로 동작하도록 할 수 있습니다. 그림 7a와 7b는 커패시터가 로드인 컨트롤 루프의 동작을 나타냅니다. 커패시터는 전기 용량과 출력 상태의 분기 저항기에 반비례하는 주파수에서 극점을 유도하므로 이득과 위상 모두에 영향을 미칩니다. 그 결과로 나타나는 0.1 uF 축전기에 대한 개루프 주파수 응답은 그림 7a와 같이 나타나며 해당 단계 응답은 그림 7b과 같습니다.

그림 7a: 0.1 uF 축전기가 로드일 때 한계적으로 안정적인 개루프 전달 함수

그림 7b: 0.1 uF 축전기가 로드일 때 해당 1 V 단계 응답

그림 7b에서 볼 수 있듯이 응답은 부족 감쇠 (under-damped)입니다. 즉, 오버슛이며 정착 시간이 오래 걸립니다. GBW를 조정하면 이 시스템의 동작을 개선할 수 있습니다. 오버슛을 완벽하게 없애야 하는 경우, 오버슛없이 응답을 얻을 수 있도록 루프의 속도를 충분히 속도를 낮추어야 합니다. 그림 8a와 8b는 오버슛을 완벽하게 제거하기 위해 500 Hz GBW로 낮추어진 응답입니다.

그림 8a: 500 Hz GBW의 개루프 전달 함수 (로드: 0.1 uF 축전기)

그림 8b: 500 Hz GBW의 해당 1 V 단계 응답 (상승 시간 ~1ms)

오버슛이 완벽히 제거되었지만 시스템의 응답이 매우 느립니다. 최적의 응답을 얻기 위해 전달 함수를 조정하는 두 번째 방식은 피드백 보상기 (리드 또는 래그 보상기로)를 사용하는 것입니다.

피드백 보상기 사용하기

SourceAdapt 기술은 응답을 최적화하기 위한 두 번째 툴인 피드백 보상기를 제공합니다. 이전 섹션에 살펴본 예제를 계속 사용하여, 빠른 상승 시간을 구현하는 동시에 오버슛과 진동을 피하도록 해 보겠습니다. 이를 위해서는 축전기 의해 유도된 극점을 상쇄하기 위해 보상기를 사용합니다. 이같은 컨트롤을 사용하면 더욱 빠른 상승 시간을 얻고 매우 안정적인 상태를 유지하기 위해 GBW를 더욱 개선하는 것이 허용됩니다. GBW를 20 kHz로 높이는 경우, 그림 9a에서 보상기를 사용할 때와 사용하지 않을 때 크기와 위상 응답간의 비교를 확인할 수 있습니다.

그림 9a: 보상기가 있을 때와 없을 때 개루프 전달 함수 (GBW: 20 kHz, 로드: 0.1uF 축전기)

그림 9b: 20 kHz GBW 및 보상기 (상승 시간 ~100 us)의 해당 1 V 단계 응답

그림 9b에서, 상승 시간이 10배 단축되고, 오버슛이 없고, 45도 정도의 위상 여유로 우수한 안정성을 유지할 때가 최상의 응답입니다.

결론

본 문서는 다양한 로드에 적절한 응답을 제공하기 위해 SMU 전달 함수를 설정해야 하는 필요성에 대해 설명하였고, 새로운 SourceAdapt 기술로 완벽하게 설정가능한 상태를 구현하는 방법을 설명하였습니다. SourceAdapt 기술을 사용하면 엔지니어들은 최소의 상승 시간, 오버슛/진동 없는 이상적인 응답시간을 얻기 위해 SMU 응답을 완벽하게 맞춤 구성할 수 있습니다. 따라서, DUT는 우발적인 손상이나 시스템 안정성 문제에 대한 위험 없이 더욱 신속하게 테스트됩니다.

SourceAdapt 기술은 LabVIEW 그래픽 개발 환경을 FPGA로 확장하는 발전된 최신 NI LabVIEW 임베디드 기술을 통해 구현됩니다.


[1] 이득 여유는 시스템을 불안정한 상태로 만들기 위해 필요한 개루프 이득의 변화로 정의됩니다.
[2] 위상 여유는 폐루프 시스템을 불안정한 상태로 만들기 위해 필요한 개루프 위상 변화로 정의됩니다.