Power Management IC Testing Using PXI Modular Instruments

개요

Power management ICs (PMICs) are integrated circuits used to manage or convert power within systems such as a cell phones, tablets, or automotive ECUs. Low-power PMICs, such as those used in cell phones and other handheld devices where space is limited, mount directly to a PCB and are the crucial interface between the device’s power supply or battery and its complex electronics. A DC-DC power converter is one example of a commonly available PMIC used in a diverse range of applications where a power-converting circuit is used to upconvert or downconvert a source of direct current from one voltage level to another. Whether performing design validation prior to manufacturing or evaluating a DC-DC converter for possible use in a product, you need a repeatable and precise test sequence.

Standard DC-DC converter test sequences measure performance criteria such as voltage accuracy, efficiency, line/load regulation, and transient response. This paper examines how NI System SMUs have the power, precision, and speed to perform many of the tests that traditionally require a power supply, DMM, and oscilloscope.

Contents

전력 관리 IC(PMIC)는 휴대폰, 태블릿, 자동차 ECU 등의 시스템 내에서 전력을 관리 또는 변환하는 데 사용되는 집적 회로입니다. 공간에 제약이 있는 휴대폰 및 기타 휴대용 디바이스에 사용되는 회로와 같은 저전력 PMIC는 PCB에 직접 탑재되며, 디바이스의 전원 공급장치 또는 배터리와 복잡한 전자기기 간의 중요한 인터페이스입니다. DC-DC 전력 컨버터는 한 전압 레벨에서 다른 전압 레벨로 직류 소스를 상승 변환 또는 하강 변환하기 위해 전력 변환 회로를 사용하는 광범위한 어플리케이션에서 범용 PMIC가 활용되는 한 가지 예입니다. 제품에 대한 가용성 여부를 판단하기 위한 DC-DC 컨버터 평가 또는 제조에 앞서 설계 검증을 수행할 때에는 반복 가능하고 정밀한 테스트 시퀀스가 필요합니다.

표준 DC-DC 컨버터 테스트 시퀀스는 다양한 성능 기준(예: 전압 정확도, 효율, 라인/부하 조절, 과도 응답)을 측정합니다. 본 기술백서에서는 일반적으로 전원 공급장치, DMM, 오실로스코프를 수반한 테스트를 수행하는 데 필수적인 성능, 정밀도, 속도를 갖추고 있는 NI SMU (Source Measurement Unit) 에 대해 알아볼 것입니다.

 

예시 구성 요소

그림 1. Texas Instruments TPS54360 Step Down DC-DC 컨버터 (출처: TI.com)

 

일반 저전력 DC-DC 컨버터의 시스템 설정과 테스트 절차를 논의할 목적으로 Texas Instruments의 TPS54360을 예로 들어보겠습니다. 그림 1에 표시된 TPS54360은 자동차 및 통신 시스템용 스텝 다운 컨버터입니다. 이 컨버터는 4.5~60 V의 입력 전압을 수신하고 0.8~58.8 V의 조절 가능 출력으로 하강 변환할 수 있습니다. 최대 출력 전류는 3.5 A입니다.

TPS54360 DC-DC 컨버터의 사양을 각각 확인하여 이런 값들을 검증하는 데 어떤 하드웨어가 필요한지 판별할 수 있습니다.

전류 소비

수신 배터리 피드 전압을 모델링하는 전압을 공급할 때, 많은 엔지니어는 DC-DC 컨버터에 의해 공급되는 전류를 우려합니다. 관심이 있는 특정 전류 두 가지는 디바이스의 차단 (shutdown) 전류와 정동작 (quiescent) 전류입니다.

차단 전류: MAX8640Y DC-DC 컨버터를 작동시키려면 SHDN 핀에 전압이 연결되어 있어야 합니다. SHDN을 GND 또는 로직 로우에 연결하면 칩이 차단 모드로 들어갑니다. 제조업체는 이 상태가 유지되는 동안 일명 ‘차단 전류’라고 불리는 컨버터가 소스로부터 끌어오는 공급 전류에 관심이 있을 것입니다.

정동작 전류: 정동작 전류는 DC-DC 컨버터의 반대 쪽에 부하가 없는 경우 전원 공급장치로부터 기인한 전류입니다. 이를 특성화하기 위해 테스트 엔지니어는 100 µV씩 늘어나는 공급 전압의 스윕 결과로서 입력 핀에서 소비되는 전력을 모니터링할 수 있습니다. 이에 따른 결과는 그림 2의 그래프와 유사할 수 있습니다.

그림 2. TPS54360에 대한 정동작 전류의 특성화

표 1. TPS54360 데이터 시트에 표시된 것과 동일한, 전원 공급장치로부터 공급된 전류의 사양

 

표 1에서 보시다시피, TPS54360은 2.25 μA의 일반 차단 전류와 146 µA의 일반 정동작 전류를 공급합니다.

테스트 시스템 구축

전류 소비를 테스트하기 위한 좋은 옵션은 그림 3에 표시된 NI PXI-4139 정밀 소스 측정 유닛(SMU)입니다. 이 모듈은 칩에 대한 입력 전압을 공급하는 동시에 연결되어 있는 동안 칩에서 공급하는 전류를 측정할 수 있습니다. PXI-4139는 1 µA 범위에서 100 fA의 전류 측정 분해능을 갖추고 있습니다. 이 수치는 차단 및 정동작 전류는 물론 나노암페어 범위의 누출 전류를 특성화하는 데 충분합니다. DC-DC 컨버터 테스트 시스템의 이 정밀 소스를 사용하면 고정밀 측정과 함께 프로그래밍 방식의 소싱 및 스윕을 수행할 수 있습니다.

그림 3. 테스트 시스템의 슬롯 1에 추가된 NI PXIe-4139

다음 섹션에서는 하나의 PXIe-4139를 더 추가하고 기능을 확장하는 방식으로 이 PXI 시스템을 구축하는 방법에 대해 알아볼 것입니다. 본 문서를 모두 읽고 나면, DC-DC 컨버터의 테스트에 필요한 모든 하드웨어를 사용하여 완벽한 PXI 시스템을 구축하는 방법을 알게 됩니다.

부하 적용

DC-DC 컨버터는 다른 디바이스로 흘러가는 전력, 즉 부하를 공급하도록 특별히 설계되었습니다. DC-DC 컨버터 어플리케이션에서, 부하 전류는 회로 다운스트림이 지정된 전력 수준으로 DC-DC 컨버터에서 공급하는 전류로 정의됩니다. 컨버터의 출력 부분에 부하를 적용함으로써 효율 대 부하 곡선, DC 라인 레귤레이션, DC 부하 레귤레이션, 전류 한계 테스트를 비롯하여 수많은 공통 산업 사양을 특성화할 수 있습니다.

DC 라인 및 DC 부하 레귤레이션: 칩의 출력이 전체 전류 부하를 유지하는 동안 DC-DC 컨버터에 표시된 공급 전압이 등급 최소부터 등급 최대까지 스윕될 때 출력 전압이 변화합니다. DC 라인 레귤레이션은 출력 전압의 변화 비율이며, mV/V 또는 백분율로 표현됩니다. 마찬가지로, DC 부하 레귤레이션은 공급 전압이 일정하게 유지되고 출력 부하가 지정된 최소 등급부터 최대 등급 전류 또는 전체 부하까지 변화할 때 출력 전압의 변화 비율이며, mV/A 또는 백분율로 표현됩니다. 일반적으로 부하 레귤레이션은 공급 전압이 공칭 입력 전압을 유지할 때 측정됩니다. SMU를 사용하여 다양한 부하를 제공하면 그림 4와 유사한 그래프로 이 사양을 특성화할 수 있습니다.

그림 4. TPS54360 데이터 시트에 표시된 것과 동일한 DC 라인 (왼쪽) 및 부하 (오른쪽)

효율 대 부하 곡선: 효율은 전력을 공급하기 위해 소비된 전력의 비율로, 보통 백분율([Vout * Iout]/[Vin * Iin] * 100)로 표현됩니다. 따라서 효율 대 부하 곡선은 부하가 증가함에 따라 DC-DC 컨버터의 효율이 어떻게 변화하는지를 보여줍니다. 효율 대 부하 곡선을 집합적으로 표시하면 최소, 공칭, 최대 입력 전압 각각에 대한 값을 파악하기 쉽습니다. 그림 5에는 TPS54360의 다양한 공급 전압에 대한 효율 대비 부하 곡선이 표시되어 있습니다.

그림 5. TPS54360 데이터 시트에 표시된 것과 동일한 DC 부하 레귤레이션

전류 한계 테스트: 출력 전류 한계를 선택하면, 테스트 중에 시뮬레이션할 수 있는 과부하 및/또는 단락 회로 조건 미만의 미리 결정된 최대값으로 출력 전류가 제한되므로 DC-DC 컨버터를 보호할 수 있습니다.

테스트 시스템 구축

이와 같은 모든 테스트를 수행하는 동안에는 DC-DC 컨버터로부터 공급되는 전류 부하를 다양하게 구성할 수 있도록 SMU를 사용해야 합니다. PXI-4139의 4-쿼드런트 기능은 그림 6에 표시된 대로 두 번째 PXI-4139 SMU를 사용하여 DC-DC 컨버터에 부하를 제공하도록 지원합니다. PXI-4139는 컨버터의 출력 전압을 측정하는 동안 최대 12 W까지 연속적으로 싱킹할 수 있습니다.

그림 6. 테스트 시스템의 슬롯 3에 두 번째 PXIe-4139 SMU 추가

 

SMU의 하드웨어 시퀀싱 엔진과 PXI 섀시의 내장 트리거링을 사용하면 두 SMU의 소스 및 측정 작업을 동기화할 수 있습니다. 따라서 아래 그림처럼 다양한 입력 전압 및 출력 전류로 DC 컨버터를 신속하게 테스트하고 하드웨어 타임 출력이 있는 대규모 시퀀스를 실행할 수 있습니다.

그림 7. NI SMU로 TPS54360의 효율 플롯

DC 범위 및 정확도 테스트

테스트 시스템을 구축할 때 다음으로 고려해야 하는 성능 기준은 DC-DC 컨버터의 전압 정확도 측정입니다. 컨버터의 출력을 통해 전원을 공급받는 회로의 민감한 특성으로 인해, 엔지니어는 이런 다운스트림 구성 요소로 전달되는 전압을 최대한 정확하게 측정하고 싶을 것입니다.

DC 범위 테스트: 출력 전압 범위는 전체 부하 조건 하에서 DC-DC 컨버터가 공급할 수 있는 전압 범위를 말합니다. 앞에서 논의한 대로, 출력 전압은 공급된 입력 전력과 부하의 변화 때문에 다양하게 바뀝니다. 따라서 부하가 일정하게 유지되고, 손실 없이 공급할 수 있는 최대 전압에서 최소 전압으로 입력이 스윕될 때 컨버터의 출력 전압을 측정하여 이 범위 사양을 특성화할 수 있습니다. 스텝 다운 전력 컨버터로서 TPS54360은 표 2에 표시된 대로 4.5~60 V 범위의 전압과 0.8~58.8 V 범위의 출력을 수신할 수 있습니다.

DC 정확도 테스트: DC-DC 컨버터의 출력 전압 정확도는 사용자 지정 조건에서 작동할 때 출력 전압의 최대 변화를 나타냅니다. 정확도는 온도 및 시간의 흐름으로 인해 다양해질 수 밖에 없으며, 일반적으로 예상 또는 공칭 값의 백분율로 반환됩니다. 예를 들어, TPS54360의 내부 참조 전압 정확도는 섭씨 -40~150도 범위의 온도에서 ±1%로 지정됩니다.

표 2. TPS54360 데이터 시트에 표시된 것과 동일한 범위 사양

테스트 시스템 구축

PXI 시스템에서 PXI-4139 한 대는 입력 전압을 공급하고 두 번째 PXI-4139는 프로그래밍 가능 부하로 작용합니다. 따라서 앞에서 설명한 DC 정확도의 특성화를 위해 측정해야 하는 유일한 측정치는 컨버터의 출력 전압입니다. 두 번째 SMU는 DC-DC 컨버터의 전류를 싱킹할 때 발생하는 과전압 상황으로 인한 하드웨어의 손상을 방지하기 위해 이미 이 전압을 측정하고 있습니다. 엔지니어는 하드웨어에서 이 값을 손쉽게 읽을 수 있습니다.

이 테스트 시스템을 설계할 때에는 부하 전류를 전달하지 않는 리드에서 DC-DC 컨버터 출력의 전압 측정을 수행해야 함을 참고하십시오. 부하 전류가 측정 리드를 통해 흐르는 경우 많은 밀리볼트가 생성되어 측정이 무의미해질 수 있습니다. 디바이스의 정확도를 측정할 때 유념해야 할 또 다른 부분은 테스트 장비가 DUT보다 최소 10배 이상 정확해야 한다는 점입니다. 그렇지 않으면 DUT의 정확도가 아닌 테스트 장비 자체의 부정확도를 측정하는 결과로 이어질 수 있습니다.

이런 문제들은 PXI-4139 원격 감지 기능을 사용하면 해결됩니다. 원격 감지는 DUT에서 직접 전압을 측정하는 기능으로, 리드 저항 전반의 전압 강하로 인한 측정 오류를 없애줍니다. SMU의 원격 감지 터미널은 입력 임피던스가 높기 때문에 무시해도 될 정도로 미미한 양의 전류가 이런 리드를 통해 흐르게 됩니다. 따라서 리드 저항의 효과를 줄여주고 부하 전압을 정확히 모니터링할 수 있습니다.

PXIe-4139는 높은 정확도 및 정밀도로 전압을 측정하고, 이전에 추가적인 DMM이 필요했던 측정 작업을 단일 SMU 모듈로 수행할 수 있습니다.

디바이스 분해능 정확도
PXI-4071 DMM 1 µV (10 V 범위) 125 µV (0.0012%)
PXIe-4139 1 uV (6 V 범위) 1.5 mV (6 V 범위에서 0.025%)

표 3. PXI-4071 DMM 및 PXIe-4139 SMU의 분해능 및 
정확도 사양 비교

참고: 디바이스의 분해능 및 정확도와 범위를 결정하는 방법에 대한 자세한 내용은 ni.com에서 해당 디바이스의 사양 페이지를 참조하십시오.

변이와 노이즈

변이 응답은 평형 변화에 대한 시스템의 응답입니다. 제조업체는 아래에 나와 있는 차트를 사용하여 시작 시 DC-DC 컨버터의 전압 및 전류 응답과 라인 및 부하의 변화에 응답하는 방법을 설명하고, DC-DC 컨버터의 오버슛/언더슛 응답 및 설정 시간을 하이라이트할 수 있습니다.

라인 변이 응답: 라인 변이 응답은 DC-DC 컨버터에 있는 출력 핀의 전압 및 전류가 입력 전압의 변화에 어떻게 응답하는지를 보여줍니다. 입력 전압을 늘렸다가 다시 줄이는 방식으로 전압을 모니터링하여 그림 8의 오른쪽 상단에 있는 그래프를 얻을 수 있습니다.

부하 변이 응답: 이와 반대로, 그림 8의 왼쪽 상단에 있는 부하 변이 응답은 출력 전류 부하가 바뀐 후에 출력 전압이 지정된 정확도로 안정되는 데 걸리는 시간을 보여줍니다. 부하 변이 응답을 완전히 파악하기 위해 서로 다른 진폭 단계를 테스트할 수 있습니다. 이 과정은 휴대폰과 디지털 가전제품의 테스트에 중요합니다.

시작 웨이브폼: PXIe-4139의 최대 샘플 속도 1.8 MS/s로 DC-DC 컨버터의 최소 ON 타임을 측정할 수 있습니다. 이 시간은 안정 시간 또는 출력이 전체 부하 상태일 때 출력 전압이 지정된 정확도에 도달하는 데 걸리는 시간입니다. 예를 들어, 최소 ON 타임은 입력 전압이 0에서 공칭 전압으로 증가될 때 결정되며, 측정치는 출력이 안정되는 데 걸리는 시간으로 구성됩니다. TPS54360의 최소 ON 타임은 Vin이 제공되는 동안 EN 핀을 활성화하여 측정할 수도 있습니다. 이 시간은 그림 8의 하단 그래프에서 확인할 수 있습니다.

노이즈와 리플: 노이즈와 리플은 DC-DC 컨버터의 출력에서 생성되는 AC 측정치로, 밀리볼트 RMS 또는 밀리볼트 피크-피크 단위로 표현됩니다. 출력 리플 전압은 고주파수 콘텐츠가 포함된 작은 펄스의 시리즈로서 일반적으로 mV 피크-피크로 지정됩니다. DC-DC 컨버터의 출력에 표시되는 리플과 노이즈의 두 가지 주요 소스는 컨버터에 의해 생성되는 스위칭 노이즈와 소스의 라인 리플입니다. 라인 리플의 경우 DC-DC 컨버터 소스는 일정 수준의 리플 제거 기능을 제공하며, 컨버터가 감지하는 나머지 모든 리플은 부하에서 나타납니다. 출력 리플을 필터링하는 가장 일반적인 방법은 컨버터의 출력에 인덕턴스를 연속으로 그리고 커패시턴스를 병렬로 추가하는 것입니다. 이는 흔히 “LC 네트워크”라고 부릅니다. 노이즈와 리플의 고주파수 콘텐츠 때문에, 리플 스파이크의 모든 고조파를 포함시키려면 측정 대역폭이 높은 디지타이저를 사용해야 합니다.

그림 8. TPS54360 데이터 시트에 표시된 것과 동일한 부하 변이 응답 (왼쪽 상단)

TPS54360 데이터 시트에 표시된 것과 동일한 라인 변이 응답 (오른쪽 상단)

TPS54360 데이터 시트에 표시된 것과 동일한 시작 웨이브폼 (하단)

테스트 시스템 구축

변이 및 노이즈 테스트를 수행하는 전통적인 방법에서는 오실로스코프를 사용하여 DC-DC 컨버터의 입력 및 출력 라인을 프로브해야 합니다. 그러나 PXIe-4139 SMU의 샘플링 속도 1.8 MS/s는 다른 계측기 추가로 인한 복잡성과 비용 증가 없이 라인 및 부하 변이를 특성화할 수 있을 정도로 빠릅니다. 그림 9는 TPS54360의 부하 및 라인 변이 동작을 측정하는 PXIe-4139 SMU를 보여줍니다. 이 테스트에서 SMU는 정밀 DC 전원 소스, 외부 부하, 오실로스코프 역할을 수행합니다. 외부 부하 범위는 500 µs 펄스의 최대 전류의 25%~75%로 구성되며, SMU는 DC 컨버터의 전류 공급 및 전압 출력을 모두 측정합니다.

참고: 빠른 상승 시간과 오버슛 또는 진동 없이 500 µs 펄스를 얻을 수 있었던 것은 SMU의 변이 동작을 제어할 수 있는 디지털 제어 루프 기술인 NI SourceAdapt 기술 덕분입니다.

그림 9. NI SMU를 사용하는 TPS54360의 부하 및 라인 변이 특성

 

더 빠른 속도의 수집과 스펙트럼 분석을 위해, PXI 섀시의 주변 슬롯에 장착된 시스템에 고속 오실로스코프를 손쉽게 추가할 수 있습니다. NI는 다양한 PXI 오실로스코프를 제공하여 단일 PXI 슬롯에서 최대 24 비트의 수직 분해능 또는 최대 5 GS/s의 샘플링 속도로 고분해능 또는 고속 측정을 최적화하도록 지원합니다. 예를 들어, PXIe-5162 4-채널, 5 GS/s, 10 비트 오실로스코프를 통해 DC-DC 컨버터의 입력 및 출력을 프로브하면 소프트 프런트 패널을 사용하여 노이즈의 주파수 콘텐츠를 검사할 수 있습니다. 이 경우 600 kHz 주위에서 몇 가지 스위칭 노이즈 밀리볼트를 볼 수 있습니다.

그림 10. PXIe-5162 오실로스코프를 사용한 2-채널 주파수 플롯

테스트 시스템 확장 및 자동화

PXI 폼 팩터는 테스트 시스템을 확장할 수 있는 능력을 제공합니다. PXI 섀시의 나머지 슬롯에 임의 개수의 PXI 모듈을 추가적으로 삽입할 수 있습니다. DC-DC 컨버터 테스트 시 테스트 엔지니어에게 주로 필요한 하드웨어의 일부 예로는 RF 및 혼합 신호 기능을 수행할 수 있는 PXI 모듈, 타이밍 분석 및 인터페이스를 위한 고속 디지털 I/O, 폐루프 제어 및 프로토콜 인식 테스트를 위한 FPGA 기반 I/O 등이 있습니다.

NI 하드웨어 및 소프트웨어의 강력한 조합으로 데이터 일관성을 위한 정확하고 반복적인 타이밍을 지원하는 PXI 테스트 시스템 자동화를 구현할 수 있습니다. NI LabVIEW 소프트웨어와 같은 개발 환경에서 앞서 언급한 사양 테스트를 안내하는 테스트 시퀀스를 손쉽게 작성한 다음 바로 실행 가능한 테스트 관리 환경인 NI TestStand를 통해 자동화할 수 있습니다.

그림 11은 확장된 섀시의 예입니다.

그림 11. 확장된 섀시의 예

권장 하드웨어

PXI 시스템에는 PXI 섀시와 통합 컨트롤러가 모두 필요합니다. PXI 섀시와 컨트롤러에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. PXI란?

이 시스템에 사용된 하드웨어 구성 요소는 다음과 같습니다.

자세한 내용은 모듈형 계측기테스트 자동화의 리더도 참조하십시오.