NI PXI-4071 7½-Digit 디지털 멀티미터를 이용한 배터리 특성화 및 전력 소모량 측정 테스트

사람들이 선호하는 휴대용 소비 가전 제품들은 휴대가 편리한 크기, 빠른 처리속도, 저렴한 가격 등 다양한 이유가 존재합니다. 예를 들어, MP3 플레이어는 재생목록 탐색, 앨범 이미지 미리보기, 게임 플레이, 다이어리 기능 등의 기능을 제공합니다. 하지만, 이와 같은 기능보다도 제품의 동작 시간을 증가시키기 위해 엔지니어들은 제품의 배터리 수명의 최대화해야 한다는 큰 해결과제에 직면하게 되었고, 이로 인해 배터리 성능과 전력 소모를 테스트를 필요로 하게 되었습니다.

또한 새로 부각되고 있는 이러한 테스트를 하는데 있어서, 새로운 테스트 요구조건들을 기존 테스트 장비를 이용하여 해결해야 하는 문제점도 당면하게 되었습니다. 그래서 내쇼날인스트루먼트에서는 이러한 문제의 해결방안으로 버추얼 인스트루먼테이션 (Virtual Instrumentation)이라고 하는 소프트웨어 기반의 유연한 개발방식을 제공하여 이와 같은 문제를 해결하도록 돕고 있습니다.

버추얼 인스트루먼테이션은 사용자가 필요로 하는 기능을 가지는 배터리 테스트와 전력 소모 테스트 시스템을 직접 구성할 수 있는 유연성을 제공합니다. 그 결과, 측정하고자 하는 테스트 데이터의 종류가 곧 테스트 요구조건이 되는 것입니다. 따라서 기존의 “표준” 테스트 장비에 존재하는 필요 없는 기능들을 구현하기 위해 고민할 필요가 없어집니다.

예를 들어, NI LabVIEW와 연동된 NI PXI-4071은 배터리 전력 특성화 문제(누수 전류, 순간 전류, 전력 소모, 배터리 보존 용량, 배터리 내부 저항)를 해결하는 데 필요한 요구사항인 다양한 측정 기능, 고해상도, 유연성을 제공합니다. 아래 그림 1a의 NI PXI-4071 FlexDMM은 26-비트 (7½ 디짓) 디지털 멀티미터 또는 1.8 MS/s 디지타이저로 작동가능 합니다. 전류 측정 기능은 picoamp (10-^12A) 범위까지 확장이 가능합니다. 본 기능은 전체 배터리 특성화를 수행하는 데 핵심적인 기능입니다.

그림 1b는 산업용 PXI 기반의 다양한 모듈형 계측기(RF 다운 컨버터, 고속 디지타이저 (오실로스코프), 디지털 멀티미터, 동적 신호 분석기)를 보여줍니다. 사용자는 PXI 버추얼 인스트루먼트를 직접 프로그래밍하여 기본적인 고속 PCI 버스를 통해 데이터를 측정할 수 있습니다.
a. b.

그림 1 – a. PXI-4071 디지털 멀티미터 모듈 b. 다양한 모듈형 계측기를 갖춘 PXI 플랫폼

누수전류와 전력 소모를 특성화는 디자인 엔지니어들이 회로의 성능을 파악하고 최적화하는데 도움을 제공합니다.

누수 전류 측정

누수 전류는 장비가 꺼진 상태에서 소모되는 배터리 전류량입니다. 누수 전류 특성화는 장비를 사용하지 않을 때 배터리가 얼마나 오랫동안 지속되는지 알 수 있는 특성입니다. 이 같은 측정을 수행하라면 그림 2와 같이 picoamp 전류 민감도를 가진 NI FlexDMM 같은 정밀한 전류 측정 디바이스를 배터리와 직렬로 연결해야 합니다.

그림 2 – 누수 전류와 전류 변이를 측정하려면 FlexDMM를 전류 미터로 설정하여 DUT와 배터리 간를 직렬로 연결합니다.

전력 소모 측정

디바이스의 전력 소모 동향은 배터리 수명을 예측하고 전기적인 디자인을 최적화하는데 도움을 제공합니다. 휴대용 디바이스의 배터리 전력 소모량을 측정하기 위해 전압 디지타이저와 전류 디지타이저를 동시에 사용할 수 있습니다. 하지만, 고정밀 전류 디지타이저는 기존 디지털 멀티미터에서 이용할 수 없었던 기능입니다. 그러나 NI FlexDMM을 구성하여 1.8 MS/s 전류 디지타이저로도 운영할 수 있습니다. 본 장비를 이용하면 그림 2와 동일한 측정 디바이스와 물리적 연결을 통해 누수 전류와 전류 변동을 측정할 수 있습니다. 그런데 전압 변동을 수집하고자 한다면 배터리의 출력에 연결된 1.8MS/s 전압 디지타이저로 설정된 다른 FlexDMM을 추가하고 두 개의 FlexDMM을 설정하여 동시에 데이터 수집을 시작합니다.

배터리 전압이 로드 범위에서 현격히 변할 것으로 예상되지 않으면 단일 디지타이저를 전류 변동을 측정하는데 사용할 수 있습니다. 전력은 측정된 전류와 추측되는 정전압에서 계산이 가능합니다.

그림 3은 MP3 플레이어의 전력 소모 측정을 보여줍니다. 본 측정은 NI FlexDMM, NI LabVIEW, NI-DMM 계측기 드라이버 소프트웨어를 이용하여 수행됩니다. 특정 MP3 플레이어는 노래를 재생할 때도 항시 낮은 전력 소모를 유지하려고 할 것입니다. 사용자가 메뉴를 탐색하거나 메모리에 노래를 로드할 때 배터리의 전력이 요청됩니다. 이 때 상당한 전류를 인출합니다.

 

그림 3 – NI FlexDMM과 NI LabVIEW를 이용한 MP3 플레이어의 전력 소모 측정

엔지니어들은 다양한 배터리를 특성화화여 하나의 적합한 내부 저항을 선택함으로써 가능한 가장 작은 크기로 순간 전류를 휴대용 디바이스에 제공합니다. 그리고 엔지니어들은 배터리의 보존 용량을 측정하는데 관심이 있습니다. 배터리가 제공하는 전력은 전기 화학 프로세스의 결과이며 두 파라미터의 값은 여러 요소들(측정 방식, 온도, 수명 및 제조 프로세스)에 따라 달라집니다

보존 용량 측정

배터리의 보존 용량은 배터리가 저장할 수 있는 에너지 양의 측정값입니다. 이 양은 일반적으로 배터리를 특정 속도로 방전하고 셀의 전압이 특정 값으로 떨어지는데 걸리는 시간을 측정하여 측정됩니다. 이 값은 셀의 화학 유형에 따라 달라집니다. 보통 배터리 제조업체는 배터리를 1C 방전 속도로 등급을 매기며 1000mAh의 배터리가 100% 보존 용량을 가질 때 1시간 동안 1000mA를 제공할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어 배터리가 1000mA 로드를 가지고 45분 동안만 지속된다면 보존 용량은 75%가 될 것입니다. 보존 용량 값은 위에서도 언급했듯이 여러 요소들에 따라 달라집니다.

보존 용량을 측정하려면 특정 방전 속도에 상응하는 배터리에 로드를 적용해야 하고 확장된 기간 동안 정밀 전압 측정을 수행해야 합니다. FlexDMM을 이용하여 본 측정을 수행하려면 DC 전압 모드에 있는 디지털 멀티미터로서 구성해야 하며 그림 4처럼 배터리 터미널에 직접 연결해야 합니다.

   
그림 4 – BDUT (Battery Under Test)에서 전압 변화를 측정하려면 FlexDMM은 전압 정밀 미터로 구성하며 배터리 터미널에 직접 연결됩니다. 보존 용량을 측정하려면 확장된 시간 동안 로드가 연결되며 FlexDMM은 지속적으로 데이터를 수집합니다.

내부 저항 측정

배터리의 내부 저항은 용량을 파악하여 순간 전류를 제공합니다. 값이 낮을수록 갑작스런 전류 요구사항에 더 잘 응할 수 있습니다 (MP3 사용자가 노래를 변경할 때). 배터리 내부 저항 값은 milliohm 순이지만 사용되는 물질과 제조 프로세스 때문에 동일한 유형의 셀이라도 다양합니다.

내부 저항의 증가는 성능 저하로 이어질 수 있습니다. 배터리가 대체되어야 할 때를 파악하기 위해 일부 엔지니어들은 배터리가 새로 충전되었을 때 측정했던 값에서 배터리 저항의 퍼센트 상승을 모니터링합니다. 일부 엔지니어들은 배터리가 어플리케이션에 충분한 피크 전류를 제공할 수 있는지 파악합니다. 두 경우 모두 디바이스가 배터리를 로드하는 방식을 가장 닮은 조건 하에서 측정함으로써 유용한 정보를 얻게 됩니다.

배터리의 작동방식을 보다 더 잘 이해하기 위해서는 전기화학 모델이 사용됩니다. 가장 친숙한 모델은 Randles 배터리 모델로서 일련의 레지스터 R1으로 연결된 인덕터 L과 다른 레지스터 R2 및 커패시터 C로 구성되어 있으며 그림 5와 같습니다. 그림 3과 같은 어플리케이션에서 낮은 주파수의 로드 반응은 주요 관심사입니다. 본 경우에 인덕턴스의 효과는 무시되며 전체 배터리 저항인 R1과 R2를 반드시 고려해야 합니다.

그림 5 – Randles 배터리 모델

기존에 배터리의 내부 저항은 높은 DC 전류 소스나 1kHz의 AC 소스에서 배터리의 터미널에 적용하고 전압 반응을 측정함으로써 측정됩니다.

DC 전류 소스 방식은 여러 amp 순에서 로드 전류를 사용하여 측정할 수 있을 정도로 큰 R1+R2의 전압 강하를 생성해야 합니다. 본 측정 방식은 1/f 노이즈에 덜 민감한 방식으로서 저전류 신호 사용은 노이즈 플로어에 근접한 전압 강하를 생성하게 될 것입니다. R1+R2 값은 전류 등급을 적용하기 전후에 전압 차이를 등분하여 계산됩니다.

AC 방식은 보통 1kHz에서 AC 전류 신호를 적용하여 측정이 1/f 노이즈에 덜 민감하게 만듭니다. 본 방식은 DC 전류 소스 방식보다 낮은 전류 진폭을 사용하지만 Randles 모델의 경우에는 일련의 R1 저항에만 민감합니다. C는 여러 셀에서 매우 크며 셀 유형과 용량에 따라 수천 마이크로 패러드부터 수 패러드에 이릅니다. 따라서 높은 주파수에서 리액턴스는 작고 R2의 효과는 마스크되어 있습니다. 본 측정 방식은 배터리가 새로 충전되었을 때 측정되는 값에서 배터리 저항의 퍼센트 상승을 모니터링 할 때 유용합니다.

단일 생성기와 NI FlexDMM을 이용하여 본 시스템을 구축할 수 있습니다. 그림 6은 PXI-5412 고속 전압 생성기를 전류 소스로 사용하는 데 필요한 연결과 구성요소를 보여줍니다. 이 같은 특정 소스는 50 출력 임피던스를 가집니다. 배터리는 실질적으로 단락처럼 작동해야 하며 100 레지스터를 출력에 연결하고 소스가 1V 1kHz 신호를 출력하도록 구성하여 PXI-5412 신호 생성기 모듈은 6.6mA @ 1kHz의 전류를 생성합니다. 33uF 커패시터는 DC 신호를 블록킹하는데 사용합니다. FlexDMM은 배터리 터미널에서 직접 연결되며 가장 민감한 범위에서 전압 디지타이저로서 구성합니다. 내부 저항은 전압 및 전류 소스 웨이브폼의 1kHz에서 FFT 등급과 RMS 값 사이의 비율로서 계산됩니다.

그림 6 – AC 방식을 이용하여 내부 저항을 측정하는데 필요한 측정 구성요소와의 연결입니다. 전압 소스 (PXI-5412)는 출력 (출력에서 커패시터는 DC 신호를 블록킹하는데 사용)에서 레지스터를 추가하여 전류 소스로서 사용합니다. FlexDMM은 AC 커플링이 활성화된 전압 디지타이저로 구성되며 배터리 터미널에서 연결됩니다. 내부 저항은 전압 및 전류 웨이브폼의 1kHz에서 RMS나 FFT 값 사이의 비율로서 프로그램적으로 연산됩니다.

현재 셀 기술의 내부 전기화학 프로세스 (알카라인, 리튬 이온, 니켈 메탈 하이드라이드, 기타)는 Randles 모델보다 조금 다른 모델을 가지게 되며 AC 방식으로 이루어진 측정을 보다 더 보완합니다.

아래 나타낸 측정 예제는 여러 소비 가전 기기가 켜진 상태에서 조명 로드의 유지를 고려하며 앞의 그림 3처럼 사용자가 기능을 이용할 때 보다 높은 로드를 적용하기도 합니다. 이 조건을 복사하려면 테스트 시스템이 조명 로드로 기간 동안 배터리를 사전 로드한 다음 높은 로드를 적용하고 추가적인 로드가 발생한 전압 강하를 측정합니다. 내부 저항은 로드 값과 결과 전압에서 계산됩니다. 본 측정 방식은 일부 배터리 제조업체(Energizer)가 사용하여 배터리의 내부 저항을 특성화하고 있습니다.

동일한 소프트웨어 중심 시스템을 이용하여 측정 시스템을 구축할 수 있으며 다른 저항 로드를 배터리에 연결하기 위해 프로그래밍 가능한 스위치 매트릭스를 추가합니다. 그리고 난 다음 디지털 멀티미터를 이용하여 배터리 터미널에서 전압 강하를 간단히 측정할 수 있습니다. 그림 7은 FlexDMM 간의 연결, 테스트 중인 배터리와 로드입니다.

그림 7 – 사전 로드는 배터리에 연결되어 있어 지속적인 배경 로드를 적용하는 회로에서 배터리가 있는 경우를 시뮬레이션합니다. 배터리 터미널에서 전압은 10G 이상의 입력 임피던스로 DC 전압을 측정하도록 구성된 FlexDMM을 이용하여 측정됩니다.  B. 두 번째 로드는 병렬로 연결되어 전압 강하를 유발합니다. 내부 저항은 RLOAD에 흐르는 전류가 전압 강하를 등분함으로써 파생됩니다.

그림 8a는 로드 적용 시 발생하는 전압 강하를 나타냅니다. 포인트 1은 1mA 사전 로드가 배터리에 연결된 순간에 상응합니다. 포인트 2는 100mA 로드가 연결된 순간에 상응하며 포인트 3은 로드가 제거되는 순간에 상응합니다. 내부 저항 (R1)을 연산하려면 전압의 차이를 포인트 2와 3 사이의 전류 차이로 나눕니다. 포인트 2 (I2)의 전류는 사전 로드 (RPL) 저항으로 나눈 전압 (V2)과 동등하며 포인트 3 (I3)에서 전류는 로드 (RL)로 나눈 전압 (V3)입니다.

RI = ΔV/ΔI where
ΔV = V2 - V3
ΔI = I2 – I3 = (V2/RPL) - (V3/RL)

사전 로드와 로드 쌍을 사용하면 다른 로드에서 배터리의 내부 저항을 측정할 수 있습니다. 그림 8b는 1mA의 사전 로드와 10mA, 44mA, 95mA, 180mA, 265mA의 로드를 가진 D-크기 배터리의 내부 저항을 보여줍니다.

그림 8 – a) D-크기 배터리에서 1mA 사전 로드에 대한 1000 mA 로드가 발생한 전압 강하. b) D-크기 배터리의 내부 저항 vs 로드. 1mA, 44mA, 95mA, 180mA, 265mA의 사전 로드가 사용되었습니다.

내부 저항의 작은 신호 측정은 높은 사전 로드 (예, 100mA)를 적용하고 추가적은 작은 로드 (예, 1mA)를 측정할 수 있습니다. 이번에는 두 번째 로드가 유발한 전압 강하가 작은데 아마도 몇 십개의 마이크로 전압 범위에 있을 것입니다. 이 같이 작은 전압을 감지하려면 그림 9처럼 배터리와 참조 전압 신호 간의 전압 차이를 측정하고 테스트에서 배터리를 “null”하는 참조 전압으로 테스트하는 동일한 유형의 샘플 배터리나 파워 서플라이를 사용합니다.

그림 9 – 작은 신호 측정을 위한 연결. FlexDMM은 좀더 민감한 DC 전압 범위를 위해 구성될 수 있습니다.

엔지니어들은 전력 소모의 특성화와 배터리 성능이 어디에서든 화두이기 때문에 관심을 가지고 있습니다. 배터리를 테스트할 때 엔지니어들은 전자 디바이스가 배터리를 로드하는 방식에 가장 근접한 조건에서 테스트를 수행하여 가장 유용한 정보를 얻게 될 것입니다.

디자인 엔지니어들은 기존 테스트 장비를 적용하여 이 같은 테스트 요구조건들을 해결해야 하는 문제를 안고 있습니다. 테스트 장비 제조업체 (내쇼날인스트루먼트)는 요구사항을 정확히 해결하는 측정 시스템을 구축하는데 필요한 소프트웨어 툴을 제공하여 이 같은 트렌드에 대응하고 있습니다. 소프트웨어 중심 방식은 버추얼 인스트루먼테이션이라고 합니다.

버추얼 인스트루먼테이션을 이용하면 배터리가 사용하게 될 방식을 정확히 매칭하여 제작된 테스트 시스템을 구축하고 정의할 수 있습니다. 유연한 소프트웨어와 짝을 이룬 다양한 측정 세트를 제공하여 어플리케이션을 복제함으로써 거의 대부분의 배터리 형식과 로드 특성화는 동일한 시스템을 이용하여 해결할 수 있습니다.