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글. 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) 전원 관리 전문가, 아나로그디바이스(Analog Devices)

이 글에서는 최신 개발 툴체인을 활용해 전원공급장치를 개발하는 과정을 간략히 소개한다. 전원공급장치의 설계가 완료됐으면 하드웨어 성능을 평가해야 하는데, 보드 플롯(Bode plot)을 생성하는 도구, 보상 프로브, 효율 측정 장치와 같은 새로운 계측 장비를 활용하면 전원공급장치 하드웨어를 쉽고 정확하게 평가할 수 있다.

머리말

전원공급장치는 대부분의 전자 회로에서 '필요악' 같은 존재이다. 전원공급장치는 반드시 필요하지만, 일반적으로는 회로의 핵심 기능을 지원하는 역할을 담당할 뿐이다. 따라서 개발자는 적합한 전원공급장치를 설계하는 데 개발 역량을 집중하기보다는, 회로의 핵심 기능을 구현하는 데 더 많은 노력을 기울여야 한다. 이미 다양한 계산 및 시뮬레이션 도구가 제공되고 있으며, 이를 활용하면 전원공급장치 개발 작업을 보다 효율적으로 수행할 수 있다. 이러한 개발 도구 가운데 상당수는 전원관리 IC 제조회사에서 무료로 제공하고 있다. 그림 1은 전원공급장치 개발에 활용할 수 있는 다양한 도구들을 나타낸 것이다.

그림 1. 다양한 전원공급장치 개발 도구들: LTpowerPlanner, LTpowerCAD, LTspice.

LTpowerPlanner

LTpowerPlanner는 전원공급장치의 아키텍처를 생성하기 위한 도구이다. 일반적으로 하나의 시스템에는 하나의 공급 전압이 아니라 여러 개의 공급 전압이 필요하다. 따라서 전원공급장치 설계의 첫 번째 단계는 적절한 전원 아키텍처를 구성하는 것이다. 필요한 모든 전압을 입력 전원에서 직접 생성할 것인지, 아니면 중간 단계의 전압(DC 링크 전압)을 먼저 생성한 후 이를 기반으로 각 전압을 공급할 것인지를 결정해야 한다. LTpowerPlanner는 이러한 의사결정 과정을 도와 최적화된 전원공급장치 아키텍처를 설계할 수 있도록 지원한다.

LTpowerCAD

전원공급장치의 아키텍처가 완성되면, 개별 전압 변환기들을 설계해야 한다. LTpowerCAD와 같은 계산 도구는 이러한 용도에 적합한 도구이다. 사용자는 입력 전압 범위, 출력 전압, 출력 전류 등 설계 요구사항을 입력하면 된다. 그러면 LTpowerCAD는 회로 계산을 수행하고, 해당 조건에 최적화된 회로 구성을 제안한다.

LTspice

전원공급장치의 설계 계산이 완료되면 LTspice를 사용해 회로를 시뮬레이션한다. 이 시뮬레이션 과정을 통해 제어 루프의 안정성을 최적화할 수 있으며, LTpowerCAD로 계산한 회로에 추가적인 회로 요소를 반영할 수도 있다.

전원공급장치의 개발이 성공적으로 완료된 후에는 반드시 실제 하드웨어를 시험해야 한다. 아무리 뛰어난 회로 계산과 시뮬레이션이라도 적용된 수식과 모델의 정확성에 의존하기 때문이다. 또한 일부 기생 성분의 영향은 쉽게 예측할 수 없으므로 실험실에서 직접 평가해야 한다. 이를 위해서는 다양한 계측 장비와 상당한 실험 시간이 필요하다.

실험실에서 수행하는 주요 평가 항목은 부하 과도 응답 시험, 안정성 및 제어 루프 측정, 그리고 효율 측정이다.

LTpowerAnalyzer

전원공급장치의 설계뿐만 아니라 실험실에서의 평가 작업까지 더욱 간편하게 수행할 수 있도록 아나로그디바이스(Analog Devices)는 LTpowerAnalyzer를 개발했다. 이 장비는 제어 루프의 보드 플롯을 쉽고 정확하게 측정할 수 있도록 설계됐다. LTpowerAnalyzer에는 인젝션 트랜스포머가 내장되어 있어, 넓은 주파수 범위에 걸쳐 크기를 조절할 수 있는 작은 사인파 신호를 제어 루프에 주입할 수 있다. 제어 루프를 통과하면서 발생하는 신호의 진폭 변화는 각 주파수에서의 이득을 나타내며, 위상 변화는 위상 마진에 대한 정보를 제공한다.

시험하고자 하는 전원공급장치(DUT)에 간단한 사전 준비 작업만 수행하면 LTpowerAnalyzer를 연결할 수 있으며, 함께 제공되는 소프트웨어를 이용해 몇 분 만에 제어 루프의 보드 플롯을 생성할 수 있다(그림 2).

그림 2. 부하 과도 응답 측정, 제어 루프의 보드 플롯 생성, 출력 임피던스 측정에 활용되는 LTpowerAnalyzer.

보드 플롯 측정치가 기대에 미치지 못하는 경우에는 보상 네트워크를 조정해야 한다. 보상 네트워크는 일반적으로 보상 핀에 연결되는 커패시터와 저항으로 구성된다. 이 보상 핀은 Ith, Vc 또는 Vcomp라고도 불린다. 기존 방식에서는 다양한 조합의 보상용 커패시터와 저항을 시험하기 위해 반복적인 납땜 작업이 필요했다. 별도로 구매할 수 있는 EVAL-LTPA-COMPRB 보드는 소프트웨어를 통해 다양한 보상 설정을 선택할 수 있도록 지원하므로 번거로운 납땜 작업의 필요성을 없애 준다. 이 보드는 기존의 보상 소자 대신 전원공급장치의 보상 핀에 연결되며, USB를 통해 PC와 연결된다. 함께 제공되는 소프트웨어를 이용하면 여러 가지 보상 설정을 손쉽게 선택한 후 LTpowerAnalyzer를 사용해 보드 플롯을 측정할 수 있다. 이와 같은 방식은 전원공급장치 회로의 보상 특성을 보다 효율적으로 최적화할 수 있도록 해주며, 기존처럼 개별 보상 소자를 반복적으로 납땜하고 제거하는 방법에 비해 개발 시간을 크게 줄여준다(그림 3).

그림 3. 소프트웨어를 통해 보상 값을 동적으로 변경할 수 있는 EVAL-LTPA-COMPRB 보드

LTpowerAnalyzer는 전원공급장치의 보드 플롯 측정뿐만 아니라 최대 100A의 부하 과도 응답 시험도 수행할 수 있다(그림 4). 또한 이러한 시험은 실험실에서 고가의 전자 부하(electronic load) 장비 없이도 수행할 수 있다. LTpowerAnalyzer 키트에는 제어 가능한 소형 부하 보드가 포함되어 있으며, 이를 시험 대상 전원공급장치의 출력단에 연결해 사용한다. 소프트웨어는 사용자가 설정한 조건에 따라 부하를 순간적으로 변화시키고, 그에 따른 출력 전압의 변화를 실시간으로 표시한다.

그림 4. LTpowerAnalyzer를 활용한 부하 과도 응답 시험

전원공급장치에서 또 하나의 중요한 시험 항목은 변환 효율 측정이다. 효율 측정은 장비에서 발생하는 발열을 예측하고, 이에 적합한 냉각 대책을 마련하는 데 필수적이다. 특히 주변 온도가 높은 환경에서 장비를 운용할 경우 더욱 중요하다. 또한 높은 변환 효율은 에너지 절감 측면에서도 큰 의미가 있다. 따라서 전원공급장치의 효율 측정은 반드시 수행해야 하는 평가 항목이다. 효율 측정에는 일반적으로 높은 정확도를 갖춘 디지털 멀티미터(DMM)를 사용할 수 있다. 그러나 이들 장비는 고가인 경우가 많으며, 효율 측정 시 각 측정 지점에서 전압과 전류 값을 개별적으로 읽어야 하는 번거로움이 있다. 전원공급장치 전문 연구실에서는 개별 전압 및 전류 측정 장비가 서로 연동되어 PC에서 완전한 효율 곡선을 자동으로 생성하는 측정 시스템을 구축하기도 한다. 하지만 이러한 시스템은 초기 구매 비용이 높을 뿐만 아니라 운영에도 상당한 비용과 노력이 필요하다.

새로운 EVAL-LTPA-RL2000을 사용하면 전원공급장치의 효율 측정을 매우 짧은 시간 안에 간편하게 수행할 수 있다. RL2000에는 고정밀 효율 측정에 필요한 모든 장비가 통합되어 있다. 이 장비는 ±125V의 측정 범위, 1mV의 분해능(정확도: 측정값의 ±0.025% + 측정 범위의 ±0.01%)를 지원하는 두 개의 전압 프로빙 시스템을 갖추고 있다. 또한 RL2000에는 최대 30A의 부하 전류를 인가할 수 있는 전자 부하가 내장되어 있다. 이 부하 전류는 동적으로 조절할 수 있어, 넓은 부하 범위에 걸쳐 전원공급장치의 효율 곡선을 손쉽게 생성할 수 있다.

RL2000은 USB를 통해 컴퓨터와 연결되며, LTpowerAnalyzer 소프트웨어를 사용해 측정 조건을 설정하고 효율 차트를 생성할 수 있다.

그림 5. 전원공급장치의 변환 효율을 간편하고 신속 정확하게 측정하기 위한 EVAL-LTPA-RL2000

이 측정 시스템의 최대 출력 전력은 150W이다. 더 높은 전력의 전원공급장치를 측정해야 하는 경우에는 RL2000 키트 두 대를 함께 사용하여 최대 300W까지 측정할 수 있다.

저전력 영역에서는 RL2000이 매우 높은 측정 정확도를 제공하며, 측정 시스템에서 발생하는 누설 전류를 계산해 소프트웨어가 측정 결과에서 이를 자동으로 보정하도록 설정할 수 있다. 이를 통해 나노암페어(nA) 수준의 매우 작은 전류를 사용하는 전원공급장치도 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 이러한 기능은 특히 에너지 하베스팅 애플리케이션에 사용되는 회로를 평가할 때 매우 유용하다.

결론

전원공급장치 평가 작업에는 많은 시간과 고가의 계측 장비가 필요할 수 있다. 그러나 ADI가 제공하는 LTpowerAnalyzer, COMPRB(보상 프로브), 그리고 RL2000 효율 측정 장비를 활용하면 측정에 소요되는 시간과 계측 시스템에 대한 투자 비용을 크게 줄일 수 있다. 이 세 가지 측정 장비는 모두 무료로 제공되는 LTpowerAnalyzer 소프트웨어와 연동된다. 작동법은 간단하지만 측정 결과의 정확도는 높다. 

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 20년 이상의 경력을 보유한 전원 관리 분야 전문가다. 독일 에를랑겐대학교(University of Erlangen)에서 마이크로일렉트로닉스를 전공한 후, 2001년 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해 필드 애플리케이션 엔지니어로 활동하며 고객 프로젝트에서 전력 관리 솔루션을 구현하는 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)를 맡았다. 

2009년 아나로그디바이스(Analog Devices)에 합류한 이후에는 제품 라인과 유럽 기술 지원 등 다양한 역할을 수행했으며, 현재는 폭넓은 설계 및 애플리케이션 경험을 바탕으로 전력 관리 전문가로 활동하고 있다. 현재는 아나로그디바이스 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.