PXI 모듈러 인스투르먼트를 사용한 전원 관리 IC 테스트

^{그림 1: Texas Instruments TPS54360 스텝다운 DC-DC 컨버터 (TI.com 제공)}

일반적인 저전력 DC-DC 컨버터의 시스템 설정 및 테스트 절차를 살펴보려면 Texas Instruments의 TPS54360을 고려해 보십시오. 그림 1의 TPS54360은 자동차 및 통신 시스템을 위한 스텝다운 컨버터입니다. 4.5~6 0V의 입력 전압을 취하여 이를 조정 가능한 0.8~58.8 V 출력으로 다운 변환할 수 있습니다. 최대 출력 전류는 3.5 A입니다.

각 TPS54360 DC-DC 컨버터의 스펙을 검토하면 이러한 값을 검증하는 데 필요한 하드웨어를 결정할 수 있습니다.

들어오는 배터리 공급 전압을 모델링하는 전압을 공급할 때, 많은 엔지니어는 DC-DC 컨버터가 소모하는 전류에 대해 우려합니다. 이때 관심이 집중되는 두 가지 특정 전류는 디바이스의 종료 전류와 대기 전류입니다.

종료 전류 — MAX8640Y DC-DC 컨버터를 작동하려면 SHDN 핀에 전압을 연결해야 합니다. SHDN을 GND 또는 로직 로우에 연결하면 칩이 종료 모드가 됩니다. 제조업체는 이러한 종료 상태에서 컨버터가 전원로부터 끌어오는 공급 전류(종료 전류라고 함)에 관심을 가질 수 있습니다.

대기 전류 ― 대기 전류는 DC-DC 컨버터의 다른 쪽에 로드가 없을 때 공급 장치에서 끌어오는 전류입니다. 대기 전류를 특성화하기 위해 테스트 엔지니어는 공급 전압을 100 µV 단위로 증분하며 스윕한 결과로 입력 핀에서 소비되는 전력을 모니터링할 수 있습니다. 이 결과는 그림 2의 그래프와 비슷할 수 있습니다.

^{그림 2: TPS54360의 대기 전류 특성화}

^{표 1: TPS54360 데이터 시트에 표시된 공급 장치에서 끌어온 전류의 스펙} 

표 1에서 볼 수 있듯이, TPS54360은 일반적으로 2.25 μA의 종료 전류와 146 μA의 대기 전류를 소비합니다.

테스트 시스템 구축

전류 소비 테스트에 적합한 옵션은 그림 3과 같이 NI PXI-4139 정밀 소스 측정 유닛 (SMU)입니다. 이 모듈은 칩에 입력 전압을 공급하고 연결되어 있는 동안 칩이 끌어오는 전류를 측정할 수 있습니다. PXI-4139는 1 µA 범위에서 100 fA의 전류 측정 분해능을 제공하며, 이는 nanoAmp 범위의 누출 전류뿐만 아니라 대기 전류 및 종료 전류를 특성화하기에 충분하고도 남습니다. DC-DC 컨버터 테스트 시스템에서 이 정밀 소스를 사용하면 고정밀 측정과 함께 프로그램적 소싱 및 스윕을 수행할 수 있습니다.

^{그림 3: 테스트 시스템의 슬롯 1에 추가된 NI PXIe-4139}

다음 섹션에서는 PXIe-4139를 한 대 더 추가하고 기능을 확장하여 PXI 시스템을 구축하는 방법을 알아봅니다. 이 문서를 다 읽으면 DC-DC 컨버터 테스트에 필요한 모든 하드웨어를 갖춘 완전한 PXI 시스템을 구축하는 방법을 알게 될 것입니다.

DC-DC 컨버터는 로드라고 하는 다른 디바이스에 전원을 공급하도록 특별히 설계되었습니다. DC-DC 컨버터 사용 분야에서 로드 전류는 회로 다운스트림이 지정된 전력 레벨에서 DC-DC 컨버터로부터 끌어오는 전류로 지정됩니다. 컨버터의 출력 쪽에 로드를 적용하면 효율성 대 로드 커브, DC 라인 레귤레이션, DC 로드 레귤레이션, 전류 제한 테스트 등 여러 가지 일반적인 산업 스펙을 특성화할 수 있습니다.

DC 라인 및 DC 로드 레귤레이션 ― 칩의 출력이 최대 전류 로드에서 유지되는 동안 DC-DC 컨버터에 나타나는 공급 전압이 최대 정격에서 최소 정격으로 스윕되면 출력 전압이 변경됩니다. DC 라인 레귤레이션은 mV/V 또는 퍼센트로 표시되는 출력 전압의 퍼센트 변화입니다. 마찬가지로, DC 로드 레귤레이션은 공급 전압이 일정하게 유지되고 출력 로드가 지정된 최소 정격 전류에서 최대 정격 전류 또는 최대 부하로 변할 때 출력 전압의 변화이며, mV/A 또는 퍼센트로 표시됩니다. 로드 레귤레이션은 일반적으로 공급 전압이 공칭 입력 전압으로 유지될 때 측정됩니다. SMU를 사용하여 다양한 로드를 제공하면 그림 4와 유사한 그래프로 이 스펙을 특성화할 수 있습니다.

^{그림 4: TPS54360 데이터 시트에서 볼 수 있는 DC 라인(왼쪽) 및 로드(오른쪽) 레귤레이션}

효율성 대 로드 곡선 ― 효율성은 공급된 전력에 대한 소비 전력의 비율이며, 일반적으로 퍼센트로 표시됩니다 ([Vout * Iout]/[Vin * Iin] * 100). 따라서 효율성 대 로드 곡선은 로드가 증가함에 따라 DC-DC 컨버터의 효율성이 어떻게 변하는지를 보여줍니다. 최소, 공칭 및 최대 입력 전압 각각에 대해 효율성 대 로드 커브를 하나씩 표시하고 싶을 수 있습니다. 그림 5는 TPS54360의 다양한 공급 전압에 대한 효율성 대 로드 곡선을 보여줍니다.

^{그림 5: TPS54360 데이터 시트에 나와 있는 DC 로드 레귤레이션}

전류 제한 테스트 ― 피크 출력 전류 제한은 테스트 중에 시뮬레이션할 수 있는 과부하 및/또는 단락 회로 조건에서 출력 전류를 미리 정해진 최대값으로 제한하여 DC-DC 컨버터를 보호합니다.

테스트 시스템 구축

이 모든 테스트에서 SMU를 사용해야 DC-DC 변환기에서 끌어오는 전류 로드를 변경할 수 있습니다. PXI-4139의 4상한 기능은 그림 6과 같이 두 번째 PXI-4139 SMU를 사용하여 DC-DC 컨버터에 로드를 제공할 수 있음을 의미합니다. PXI-4139는 컨버터의 출력 전압을 측정하는 동안 최대 12 W까지 연속적으로 싱크할 수 있습니다.

^{그림 6: 테스트 시스템의 슬롯 3에 두 번째 PXIe-4139 SMU 추가}

SMU의 하드웨어 시퀀싱 엔진과 PXI 섀시의 내장 트리거링을 사용하여 두 SMU의 소스 및 측정 동작을 동기화할 수 있습니다. 따라서 아래 그림과 같이 다양한 입력 전압 및 출력 전류에서 DC 컨버터를 신속하게 테스트하고 하드웨어 타이밍에 의한 출력으로 큰 시퀀스를 실행할 수 있습니다.  

^{그림 7: NI SMU가 장착된 TPS54360의 효율성 플롯}

테스트 시스템을 구축할 때 고려해야 할 다음 성능 기준은 DC-DC 컨버터의 전압 정확도 측정입니다. 컨버터의 출력에 의해 전력이 공급되는 회로의 민감한 특성 때문에 이러한 다운스트림 구성요소에 나타나는 전압은 최대한 정확해야 합니다.

DC 범위 테스트 ― 출력 전압 범위는 최대 로드 조건에서 DC-DC 컨버터가 공급할 수 있는 전압 범위를 지정합니다. 앞에서 설명한 것처럼, 출력 전압은 공급되는 입력 전원과 로드의 변화로 인해 달라집니다. 따라서 로드가 안정적으로 유지되고 컨버터가 손상 없이 지원할 수 있는 최대 전압에서 최소 전압으로 입력이 스윕될 때 컨버터의 출력 전압을 측정하여 이 범위 스펙을 특성화할 수 있습니다. TPS54360은 스텝다운 전력 컨버터로서, 표 2에 표시된 것처럼 4.5~60 V의 전압 범위를 수신하고 0.8~58.8 V의 범위를 출력할 수 있습니다.

DC 정확도 테스트 ― DC-DC 컨버터의 출력 전압 정확도 스펙은 사용자가 지정한 조건에서 작동할 때 출력 전압의 최대 변동을 나타냅니다. 정확도는 온도의 변화와 시간의 경과에 따라 달라지며, 일반적으로 예상값 또는 공칭값의 퍼센트로 반환됩니다. 예를 들어, TPS54360의 내부 참조 전압 정확도는 섭씨 -40~150도의 온도 범위에서 ±1 퍼센트로 지정됩니다.

^{표 2: TPS54360 데이터 시트에 나와 있는 범위 스펙}

테스트 시스템 구축

PXI 시스템에서 PXI-4139 하나는 입력 전압을 공급하고 두 번째 PXI-4139는 프로그램 가능 로드로 작동합니다. 그러므로 앞에서 설명한 DC 정확도를 특성화하기 위해 수행해야 하는 유일한 측정은 컨버터의 출력 전압입니다. 두 번째 SMU는 DC-DC 컨버터의 전류를 싱크할 때 과전압 상황으로 인한 하드웨어 손상을 방지하기 위해 이미 이 전압을 측정하고 있습니다. 이 값은 하드웨어에서 쉽게 읽을 수 있습니다.

이 테스트 시스템을 설계할 때 로드 전류를 전달하지 않는 도선의 DC-DC 컨버터 출력에서 전압을 측정해야 합니다. 로드 전류가 측정 도선을 통해 흐르는 경우 이로 인해 측정값이 수 밀리볼트만큼 차이가 날 수 있습니다. 디바이스의 정확도를 측정할 때 유념해야 할 또 다른 사항은 테스트 장비가 테스트 대상 디바이스보다 최소 10배 이상 정확해야 한다는 것입니다. 그러지 않으면 DUT(Device Under Test)의 정확도가 아니라 테스트 장비 자체의 부정확도를 측정할 수 있습니다.

PXI-4139 원격 감지 기능을 사용하면 이 두 가지 우려를 모두 해소할 수 있습니다. 원격 감지는 UUT에서 직접 전압을 측정하여 도선 저항에서 전압 강하로 인해 발생하는 측정 에러를 제거하는 기능입니다. SMU의 원격 감지 터미널은 입력 임피던스가 높기 때문에 이러한 도선을 통해 흐르는 전류의 양이 무시할 수 있는 수준이므로 도선 저항의 영향을 낮춰 로드 전압을 정확하게 모니터링할 수 있습니다.

PXIe-4139는 높은 정확도와 높은 정밀도로 전압을 측정할 수 있으며 이제는 추가 DMM 없이 SMU 모듈만으로 측정을 수행할 수 있습니다.

^{표 3: PXIe-4139 SMU 및 PXI-4071 DMM의 분해능 및 정확도 스펙 비교}

참고: 주어진 디바이스 및 범위의 분해능과 정확도를 확인하는 자세한 방법은 ni.com에서 해당 디바이스의 스펙 페이지를 참조하십시오.

과도 응답은 평형 변화에 대한 시스템의 응답입니다. 제조업체는 이러한 차트를 사용하여 시동 시 DC-DC 컨버터의 전압 및 전류 응답과 라인 및 로드의 변화에 어떻게 반응하는지 설명하여 DC-DC 컨버터의 오버슛/언더슛 응답 및 안정화 시간을 강조할 수 있습니다.

라인 과도 응답 — 라인 과도 응답은 DC-DC 컨버터 출력 핀의 전압과 전류가 입력 전압의 변화에 어떻게 반응하는지 보여줍니다. 입력 전압을 증가시키고 감소시키면서 전압을 모니터링하면 그림 7의 오른쪽 상단과 같은 그래프를 얻을 수 있습니다.

로드 과도 응답 — 반대로, 그림 7의 왼쪽 상단에 있는 로드 과도 응답은 출력 전류 로드가 변경된 후 출력 전압이 지정된 정확도로 안정되기까지 걸리는 시간을 보여줍니다. 다양한 진폭 단계를 테스트하여 로드 과도 응답을 완벽하게 이해할 수 있으며, 이는 휴대폰 및 디지털 소비자 제품 테스트에 매우 중요합니다.

시작 웨이브폼 — PXIe-4139의 최대 샘플 속도가 1.8 MS/s이므로 DC-DC 컨버터의 최소 ON 시간을 측정할 수 있습니다. 이 시간은 안정화 시간, 즉 출력이 최대 로드일 때 출력 전압이 지정된 정확도에 도달하는 데 걸리는 시간입니다. 예를 들어, 최소 ON 시간은 입력 전압이 0에서 공칭 전압으로 증가하고 출력이 안정되기까지 걸리는 시간을 측정할 때 결정됩니다. TPS54360의 최소 ON 시간은 Vin이 있는 상태에서 EN 핀을 활성화하여 측정할 수도 있습니다.  이는 그림 7의 아래쪽 그래프에서 확인할 수 있습니다.

노이즈와 리플 — 노이즈와 리플은 밀리볼트 RMS 또는 밀리볼트 피크 대 피크로 DC-DC 컨버터의 출력에서 수행되는 AC 측정입니다. 출력 리플 전압은 높은 주파수 성분을 가진 일련의 작은 펄스이므로 일반적으로 mV 피크 대 피크로 지정됩니다. DC-DC 컨버터의 출력에서 볼 수 있는 리플과 노이즈의 두 가지 주요 소스는 컨버터에서 생성되는 스위칭 노이즈와 소스에서 발생하는 라인 리플입니다. 라인 리플의 경우, DC-DC 컨버터 소스는 일정 수준의 리플 제거 기능을 제공합니다. 컨버터에 남아있는 리플은 로드에 나타납니다. 출력 리플을 필터링하는 가장 일반적인 방법은 일반적으로 "LC 네트워크"라고 불리는 컨버터의 출력에 인덕턴스를 직렬로, 커패시턴스를 병렬로 추가하는 것입니다. 노이즈와 리플의 높은 주파수 성분 때문에 측정에 높은 대역폭의 디지타이저를 사용해야 합니다. 따라서 리플 스파이크의 모든 중요한 하모닉이 포함됩니다.

^{그림 8: TPS54360 데이터 시트에 나와 있는 로드 과도 응답(왼쪽 위)}

^{TPS54360 데이터 시트에 나와 있는 라인 과도 응답(오른쪽 위)}

^{TPS54360 데이터 시트에 나와 있는 시동 웨이브폼(아래쪽)}

테스트 시스템 구축

과도 및 노이즈 테스트를 수행하는 기존 방법을 사용하려면 오실로스코프로 DC-DC 컨버터의 입력 및 출력 라인을 프로빙해야 합니다. 그러나 PXIe-4139 SMU의 1.8MS/s 샘플링 속도는 다른 인스트루먼트를 추가하는 복잡함과 비용 없이 라인 및 로드 과도 특성을 빠르게 특성화하는 경우가 많습니다. 그림 8은 TPS54360의 로드 및 라인 과도 동작을 측정하는 PXIe-4139 SMU를 보여줍니다. 이 테스트에서 SMU는 정밀 DC 전원 소스, 외부 로드 및 오실로스코프로 작동합니다. 외부 로드는 500 µs 펄스에서 최대 전류의 25%에서 75%까지 증가하며, SMU는 DC 컨버터의 전류 소모와 전압 출력을 모두 측정합니다.

참고: SMU의 과도 동작을 제어할 수 있는 디지털 컨트롤 루프 기술인 NI SourceAdapt 기술을 사용하여 오버슛이나 진동 없이 빠른 상승 시간으로 500 µs의 펄스를 달성할 수 있었습니다.

^{그림 9: NI SMU를 사용하는 TPS54360의 로드 및 라인 과도 특성}

고속 수집 또는 스펙트럼 분석의 경우 PXI 섀시의 주변 슬롯에 꽂아 고속 오실로스코프를 시스템에 쉽게 추가할 수 있습니다. NI는 광범위한 PXI 오실로스코프를 제공하므로 단일 PXI 슬롯에서 최대 24비트 수직 분해능 또는 최대 5 GS/s 샘플링의 고분해능 또는 고속 측정에 맞춰 최적화할 수 있습니다. 예를 들어, PXIe-5162 4채널, 5 GS/s, 10비트 오실로스코프로 DC-DC 컨버터의 입력과 출력을 프로빙하면 소프트 프런트패널을 사용하여 노이즈의 주파수 성분을 검사할 수 있습니다. 이 경우, 600 kHz 부근에서 수 밀리볼트의 스위칭 노이즈를 볼 수 있습니다.

^{그림 10: PXIe-5162 오실로스코프를 사용한 2채널 주파수 플롯}

PXI 폼 팩터를 사용하면 테스트 시스템을 확장할 수 있습니다. PXI 섀시의 나머지 슬롯에 원하는 개수의 추가 PXI 모듈을 삽입할 수 있습니다. 테스트 엔지니어가 DC-DC 컨버터를 테스트할 때 일반적으로 필요한 하드웨어의 예로는 RF 및 혼합 신호 기능이 있는 PXI 모듈, 타이밍 분석 및 인터페이스를 위한 고속 디지털 I/O, 폐루프 컨트롤 및 프로토콜 인식 테스트를 위한 FPGA 기반 I/O가 있습니다.

National Instruments 하드웨어와 소프트웨어의 강력한 통합을 통해 PXI 테스트 시스템 자동화를 구현하여 일관된 데이터에 대해 정확하고 반복 가능한 타이밍을 달성할 수 있습니다. NI LabVIEW 소프트웨어와 같은 개발 환경을 사용하여 앞서 언급한 스펙 테스트를 단계별로 실행하도록 테스트 시퀀스를 쉽게 작성한 후, 바로 실행 가능한 강력한 테스트 관리 환경인 NI TestStand를 사용하여 테스트 시퀀스를 자동화할 수 있습니다.

그림 11은 확장된 섀시의 예를 보여줍니다.

^{그림 11: 확장된 섀시의 예}

PXI 시스템에는 PXI 섀시와 통합 컨트롤러가 모두 필요합니다. PXI 섀시 및 컨트롤러에 대한 자세한 정보는 PXI란?을 참조하십시오.

이 시스템에서 사용된 하드웨어 구성요소는 다음과 같습니다.

• NI PXIe-4139 정밀 소스 측정 유닛
• NI PXIe-5162 고속 디지타이저

• NI PXI 시스템을 사용한 고전력 DC-DC 변환기 측정 관련 어플리케이션 노트 다운로드