[전원 측정 가이드 3/5] 전원 동적 응답 측정 — DL3000 전자 부하 응용 가이드 Leave a comment

개요

이 글은 다음 내용을 다룹니다.

1. 전원 설계에서 동적 응답 측정이 하는 역할
2. DL3000 전자 부하와 관련 계측기로 테스트 환경을 구성하는 방법
3. 테스트 결과의 특징을 분석하는 방법

1. 소개

전원 시스템은 전자 장비 전체의 기반입니다. 전자 장비는 보통 하나 이상의 전원 장치가 있어야 동작하므로, 전원이 시스템 전체의 완전성과 신뢰성을 좌우합니다. 전원을 양산할 때는 부품 간 편차(소자 산포)와 “싸워야” 합니다. 그렇다면 어떤 전원이 안정적이고 견고하다고 할 수 있을까요? 전원을 설계할 때는 성능을 상세히 시험하고 검증해야 하며, 여기에는 동적 부하 조건에서의 안정성 평가가 포함됩니다.

설계가 잘된 전원이란?

설계가 잘된 전원은 다음과 같은 특성을 가집니다.

• 우수한 부하 조정률(Load regulation) 과 입력 조정률(Line regulation)
• 우수한 부하 동적 응답과 전원 동적 응답: 복구 시간이 빠르고 전압 강하/오버슈트가 작음
• 그 밖의 지표: 리플, 효율, 기동 시간, 입력 돌입 전류, 역률 등

부하 동적 응답이란?

동적 응답 성능은 부하 동적 응답과 전원 동적 응답을 포함하며, 전원의 매우 중요한 지표 중 하나입니다.

• 정전압(CV) 모드: 출력 전류가 규정된 크기로 계단 변화(step)한 뒤, 출력 전압이 규정된 퍼센트 범위로 복구되는 데 걸리는 시간
• 정전류(CC) 모드: 출력 전압이 규정된 크기로 계단 변화한 뒤, 출력 전류가 규정된 퍼센트 범위로 복구되는 시간

일반적인 전원 응용에서 부하가 빠르게 변동할 때도 출력 전압을 안정적으로 유지하는 것이 전원에 요구되는 성능 중 하나입니다. 동적 응답 테스트는 전원 내부 전압 조정 제어의 안정성을 잘 평가해 줍니다.

동적 응답 테스트와 보드 선도(Bode plot)의 차이

동적 응답 테스트와 보드 선도는 모두 전원 제어 루프의 안정성을 평가하는 기능이 있지만 서로 다릅니다.

부하 동적 응답 테스트는 전원을 개조할 필요가 없고 연결이 간단하며 테스트 속도가 빠릅니다. 그래서 전원 생산 라인의 인라인 테스트에 매우 적합합니다.

2. 원리

일반적인 전원은 전력 변환부와 제어부 두 부분으로 이루어져 있고, 둘이 폐루프(closed loop) 시스템을 구성합니다. 대부분의 전원은 아래 구조로 단순화할 수 있습니다.

매우 고전적인 폐루프 구조입니다. G(s) 는 보통 순방향 경로(전력 변환부)의 전달 함수이고, 피드백 경로 H(s) 와 비교 소자는 전원의 제어부, R(s) 는 전원의 기준(reference) 장치입니다.

이 폐루프 시스템(LTI 시스템)의 안정성은 보통 위상 여유(Phase Margin) 와 이득 여유(Gain Margin) 로 판단합니다. 시스템의 개루프 전달 함수는 A(s) = G(s)H(s), s = jω입니다.

• ω_c를 시스템의 차단(이득 교차) 주파수로 하면 A(ω_c) = G(ω_c)H(ω_c)이고, 위상 여유 PM = 180° + ∠G(ω_c)H(ω_c) 입니다.
• ω_c를 시스템의 위상 교차 주파수로 하면 이득 여유 AM = 1 / |G(ω_c)H(ω_c)| 입니다(보통 dB로 한 번 더 환산합니다).

위상 여유와 시간영역 응답의 관계

실제로 동작하는 시스템은 내부와 외부의 교란과 간섭을 피할 수 없습니다. 제어 회로를 잘 차폐해도 소자 자체가 광대역 노이즈를 만들어, 이것이 시스템의 교란원이 되고 제어 루프 어느 부분에든 들어갈 수 있습니다. 따라서 전원의 제어 시스템은 시스템 대역폭 밖의 교란에 대해 충분한 저항(감쇠) 능력이 있어야 합니다.

위상 여유가 0 이상이면(0은 임계 안정) 노이즈 때문에 전원 출력이 계속 진동하지는 않을 수 있습니다. 하지만 위상 여유(주파수영역)와 동적 응답(시간영역)은 서로 상관이 있습니다. 위상 여유가 작다는 것은 외부 교란 중 ω₀[φ(ω₀) = −180°] 주파수 성분에 대한 감쇠 능력이 약하다는 뜻입니다. 그러면 R(s)의 계단 변화가 출력 진동을 일으키고, 0으로 감쇠해서 새로운 정상 상태에 이르기까지 오래 걸립니다. 이는 전원이 매우 민감하다는 의미이기도 합니다. 또 부품 산포 때문에 위상 여유가 낮은 설계는 일부 전원의 위상 여유가 0 아래로 떨어지게 만들 수 있습니다.

일반적인 시험에서는 교란을 R(s)에 가하고(예: 주파수를 훑는 사인파나 고조파 성분이 풍부한 펄스) 그 응답을 관찰합니다. 직관적이고 이해하기 쉬우며, 보드 선도가 이 방식으로 동작합니다. 하지만 일부 전원 시스템에서는 이렇게 “기준”을 조정하는 방법이 불편하거나 아예 할 수 없는 경우가 있습니다. 이때는 교란을 출력 쪽에 가하는 것이 합리적인 선택입니다.

이상적인 시스템에서는 출력 전압 같은 물리량이 입력에만 의존하는 이상적인 모듈이어서 다른 변수가 바뀌어도 변하지 않습니다. 하지만 실제 전원의 출력 전압은 보통 출력 전류가 바뀜에 따라 변하고(피드백 제어가 필요한 이유이기도 합니다), 이것이 부하 응답 테스트가 가능한 근거가 됩니다.

3. 테스트 환경 구성

필요한 장비

하드웨어 연결 방법

1. DUT 출력 단자의 (+), (−)에 각각 케이블을 하나씩 연결하고 DL3000의 입력 단자에 연결합니다. 케이블의 허용 전류는 부하 크기나 허용 전압 강하에 따라 정합니다.[1]
2. 적절한 감쇠비의 전압 프로브(PR/RP 시리즈)를 DUT 출력 단자에 연결합니다.[2]
3. DUT 입력을 조건에 맞는 전원에 연결하고 전원을 켭니다.

4. 조작 순서

Step 1 — 하드웨어 연결

1. DUT 출력을 DL3000 전자 부하의 입력 단자에 연결합니다. (전원과 부하의 극성에 주의)
2. 적절한 전압 프로브를 DUT 출력에 병렬로 연결하고, 프로브를 오실로스코프 채널 1에 연결합니다.
3. DUT 입력을 공급 전원에 연결합니다.
4. 전류 프로브를 DUT 출력의 접지선에 물리고, 전류 프로브를 오실로스코프 채널 2에 연결합니다.

Step 2 — 파라미터 설정

1. DL3000을 CC(정전류) 모드로 설정합니다. 전면 패널의 [CON] 버튼을 눌러 Continual 모드를 선택하면 화면에 설정 마법사가 나타납니다.

1. DUT의 정격 전류에 맞게 레인지, A/B 값, 기울기(slew), 주파수를 설정합니다.

– A/B 값: A 값은 DUT의 정격 전류로 정할 수 있습니다. B 값의 초기값은 A 값의 80 %로 하고, 이후 적절히 조정합니다. – 기울기: A 값에서 B 값으로 바뀌는 전류의 기울기입니다. 기울기가 클수록 자극 신호에 포함된 주파수 성분이 높아지므로 최댓값을 선택하는 것이 좋습니다. – 주파수: 일반적으로 1 kHz, 듀티 50 % 를 초기값으로 쓰면 좋습니다. 이후 실제 파형에 맞게 높이거나 낮춥니다.

1. 설정을 마친 뒤 [적용] 을 눌러 설정값을 적용합니다.
2. 오실로스코프 채널 1(전압 프로브 모니터링 채널)을 AC 커플링으로 설정하고, 수직 감도를 적절한 범위(보통 50 ~ 100 mV/div)로 맞춥니다.
3. 전류 프로브는 오실로스코프 채널 2에 연결합니다.
4. 트리거 채널은 채널 2, 트리거 에지는 상승 에지, 트리거 모드는 Normal로 설정합니다.

Step 3 — 테스트 시작

DUT에 전원을 켠 뒤 DL3000의 [Tran] 을 눌러 연속 테스트에 들어갑니다. 이때 오실로스코프는 전류 프로브에 해당하는 채널로 정상 트리거되어야 합니다. 그러면 오실로스코프에 아래와 비슷한 화면이 보여야 합니다.

오실로스코프 각 채널의 감도와 시간축을 적절히 조절하면 비교적 선명한 파형을 얻을 수 있습니다. 위 그림에서 채널 2는 전류 프로브로 측정한 전류 파형이고 채널 1은 DUT 출력 단자의 전압 파형입니다. 이 그림은 설계가 잘된 전원의 동적 응답을 보여 주며, 원칙적으로 DUT의 응답 파형도 이와 같은 모양이어야 합니다.

5. 조작 요점

1) 테스트 파형을 분석하는 방법

실제 DUT를 시험하다 보면 다음과 같은 파형이 나올 수 있습니다.

이 시험에서 DUT 출력 전압은 전이(Transition) 과정에서 매우 큰 진동(링잉) 이 있습니다. 이 진동 주파수는 보통 시스템의 개루프 전달 함수가 180° 교차점에 해당하는 주파수 부근입니다. 이는 시스템의 위상 여유가 매우 작고 이 진동 주파수에 대한 감쇠가 약하다는 뜻입니다.

회로 파라미터를 조정하면 응답 파형이 점차 개선되어(그림 7), 마지막에는 오른쪽 그림 8과 같은 응답 파형이 됩니다. 진동이 빠르게 감쇠하고 복구 시간도 비교적 합리적입니다. 이때 시스템의 위상 여유는 이미 충분히 커서 전원 설계의 요구를 만족합니다.

위상 여유가 커지면 응답 시간 파라미터에도 영향을 줍니다. 그래서 루프 보정 과정에서는 여러 파라미터를 종합해서 조정해야 합니다. 위상 여유(주파수영역)와 응답 파형(시간영역)은 서로 상관이 있으며, 그림 8의 테스트 파형에서 위상 여유는 약 50 ~ 60° 로 여유가 큽니다.

2) 파형의 특징을 판별하는 방법

#### 직류 전압 단차

테스트에서 동적 응답의 A/B 값에 해당하는 전압이 서로 다르게 나오는 경우가 있습니다(그림의 빨간 화살표). 이때는 전류 부하 단자(전력 루프)와 전압 샘플링 단자(샘플링 루프)의 연결 위치가 올바른지 먼저 확인하세요. 연결이 맞는데도 그렇다면 이 전원 회로의 부하 조정률이 상대적으로 나쁘다는 뜻이므로, 개루프 이득이 충분히 큰지 측정하는 식으로 원인을 찾아야 합니다.

다만 일부 디지털 제어 전원은 전압 히스테리시스를 허용하고, 일부 전원은 선로 손실 보상처럼 특정 보상 기능이 있습니다(이 경우 대전류 상태에서 더 높은 전압이 나와야 함). 이런 경우는 분석을 통해 제외해야 합니다.

#### 큰 전압 강하와 오버슈트

일부 테스트에서는 아래와 같은 특징 파형이 보일 수 있으며, 선형 레귤레이터 회로에서 더 흔합니다.

위 시뮬레이션 파형에서는 두 가지 특징을 볼 수 있습니다.

• 큰 전압 강하: 경우에 따라 0 V까지 떨어져 단차가 생깁니다.
• 큰 전압 오버슈트: 때로는 입력 전압과 같아져 단차가 생깁니다.

이런 경우의 원인은 보통 전원의 출력 필터 커패시터입니다. 커패시터 용량 선택이 전체 피드백 루프 특성과 심하게 맞지 않거나, 커패시터의 ESR 특성이 나빠졌거나 납땜이 불량이거나, 배선이 불합리하면 이런 현상이 생길 수 있습니다.

일반적으로 선형 전원 소자는 출력 커패시터의 용량 요구가 더 높습니다. 부하 전류가 급격히 변할 때 출력 필터 커패시터 용량이 너무 작으면 전압이 떨어지는 속도가 피드백 회로가 패스 소자를 제어하는 속도보다 훨씬 빨라서, 부하를 걸 때 큰 전압 강하가 생깁니다. 반대로 부하를 뗄 때는 큰 전압 오버슈트가 생깁니다.

일부 전원은 MOSFET/IGBT 구동 회로, 플래시 램프 같은 특정 부하 장치를 구동해야 할 수 있습니다. 이런 장치는 부하 변동이 크고, 전력이 큰 상태는 짧고 유휴(저전력) 상태는 깁니다. 듀티가 낮아서 평균 전력은 낮기 때문에, 전원을 설계할 때 커패시터 용량을 부족하게 고르는 경우가 생길 수 있습니다. 이런 회로에서는 동적 응답 테스트 기능으로 전압 변화를 매우 직관적으로 관찰할 수 있어서 설계에 큰 도움이 됩니다.

6. 정리

이 응용 가이드는 DL3000을 테스트의 핵심으로 동적 응답 테스트를 수행해서 전원 제품의 성능을 빠르게 평가하는 방법을 소개했습니다. DUT의 종류가 다양하므로 실제 요구에 맞게 테스트에 쓸 계측기를 고르는 것이 필요합니다.

본 글은 RIGOL 응용 가이드(DL3000 응용 가이드, 2020.08)를 한국어로 옮기고 읽기 쉽게 재구성한 것입니다. 사양과 구성은 예고 없이 변경될 수 있습니다.