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[Technical Report] 정밀 시험 계측 시스템을 위한 바이폴라 전원 솔루션

입력 : 2019.09.11 10:20

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[첨단 헬로티]


정밀 시험 계측 시스템이 높은 정확도를 보장하려면 고분해능 컨버터 신호 체인의 성능을 저하시키지 않도록 리플과 방출 잡음이 적은 전원 솔루션이 필요하다. 이러한 시험 계측 애플리케이션에서 바이폴라 및 절연형 시스템 전원을 생성하기란 보드 면적, 스위칭 리플, EMI 및 효율 측면에서 시스템 설계자에게 까다로운 과제이다.



데이터 수집 시스템과 디지털 멀티미터는 스위칭 전원의 스퓨리어스 리플 톤에 의해 간섭 받지 않으면서 고분해능 ADC 신호 체인의 성능을 제공하기 위한 저잡음 전원을 필요로 한다. 소스 측정 장치와 DC 소스/전원 장치는 고분해능 DAC 신호 체인의 스퓨리어스 출력 리플을 최소화하기 위해 유사한 요구사항을 갖는다.


이와 더불어, 점점 더 늘어나는 병렬 시험을 위해 정밀 시험 계측기의 채널 수가 갈수록 증가하는 추세이다. 전기적으로 절연되는 애플리케이션에서 이러한 다중채널 계측기는 채널당 전력을 발생해야 하는 채널 간 절연의 필요성이 높아지고 있다. 이는 PCB 풋프린트는 점점 더 작아지더라도 성능은 그대로 유지할 수 있는 솔루션을 요구한다. 이러한 애플리케이션에서 저잡음 전원 솔루션을 구현할 경우 LDO 레귤레이터나 필터 회로의 과도한 사용으로 인해 바람직한 PCB 풋프린트보다 커지거나 전력 효율이 나빠질 수 있다.


예를 들어 1MHz에서 5mV의 리플을 갖는 스위칭 전원 레일의 경우 ADC 출력에 나타나는 스위칭 리플을 5μV 이하로 줄이려면 LDO 레귤레이터와 구동 ADC로부터 합한 전원전압 변동 제거비(PSRR)가 60dB 이상이 되어야 한다. 이는 고분해능 18bit ADC에서 LSB의 소수부가 된다.


다행히, 사일런트 스위처(Silent Switcher®) 디바이스와 높은 PSRR의 LDO 레귤레이터 같이 방출 잡음과 스위칭 리플은 줄이면서 고효율을 제공하는 부품들과 μModule® 디바이스의 높은 수준의 통합을 통해 이러한 작업을 간소화하는 전원 솔루션이 출시되어 있다.


소스 측정 장치나 전원 장치와 같은 많은 정밀 시험 계측기는 포지티브와 네거티브 신호를 모두 소싱 및 측정하기 위해 다중 사분면 동작을 필요로 한다. 이에 따라 하나의 포지티브 전원 입력으로부터 낮은 잡음과 효율적인 방식으로 네거티브와 포지티브 전원을 모두 생성해야 한다. 단일 포지티브 입력 전원으로부터 바이폴라 전원을 생성해야 하는 시스템을 가정해 보자. 그림 1은 ±15V와 ±5V를 생성하고 포지티브 및 네거티브 LDO 레귤레이터를 사용하여 스위칭 리플을 필터링 및 저감하고, 신호 컨디셔닝 회로나 ADC 및 DAC를 구동하기 위한 5V, 3.3V 또는 1.8V 같은 추가적인 레일을 생성하는 전원 솔루션을 보여준다.



그림 1. 전원 리플이 낮은 비절연형 바이폴라 전원 시스템(±15V 및 ±5V)을 위한 전원 솔루션


여기에 보이는 전원 레일 솔루션은 LTpowerCAD®에 있는 시스템 디자이너를 사용하여 설계되었다. LTpowerCAD® 설계 툴은 많은 전력 제품들을 가지고 전원 설계 작업을 매우 쉽게 할 수 있는 완벽한 전원 설계 툴 프로그램이다.


LTM8049와 ADP5070/ADP5071은 단일 포지티브 입력에서 필요한 포지티브 전원으로 부스트시키고, 입력을 반전시켜 네거티브 전원 레일을 생성할 수 있게 한다. LTM8049는 이를 위해 필요한 부품 수를 크게 줄여주는 μModule 솔루션으로, 입력 및 출력 커패시터만 추가하면 된다. LTM8049는 스위칭 레귤레이터를 위한 부품과 보드 레이아웃 선택과 관련하여 설계 과제를 간소화하는 것 말고도 바이폴라 전원을 생성하는 데 필요한 PCB 풋프린트와 BOM을 최소화한다.


보다 낮은 부하(<~100mA)에서 높은 효율이 필요한 경우에는 ADP5070/ADP5071이 더 좋은 선택이다. ADP5070 솔루션은 인덕터 및 다이오드와 같은 외부 부품이 필요하지만, 전원 솔루션에 더 많은 최적화가 가능하다. ADP5070과 LTM8049는 모두 스위칭 주파수를 ADC의 클럭과 동기화하는 데 사용할 수 있는 동기화 핀이 있어 ADC의 민감한 시간 주기 동안 내부 FET의 스위칭을 방지한다. 이들 레귤레이터는 수 100mA의 부하 전류에서 높은 효율을 달성하므로 정밀 계측기 전원에 이상적이다.


LT3032는 단일 패키지에 포지티브 및 네거티브 저잡음 LDO 레귤레이터를 모두 포함하며 넓은 동작 범위를 갖는다. LT3023은 넓은 동작 범위와 함께 2개의 저잡음 포지티브 LDO 레귤레이터를 포함한다. 이들 두 LDO 레귤레이터 모두 최소 헤드룸(~0.5V)으로 동작하도록 구성되어 효율을 극대화하고 스위칭 레귤레이터 단으로부터 우수한 리플 제거 특성을 제공한다.


이들 LDO 레귤레이터는 소형 LFCSP 패키지로 공급돼 PCB 풋프린트와 BOM을 줄여준다. 만약 MHz 범위에서 스위칭 리플을 더 줄이기 위해 LDO 레귤레이터로부터 훨씬 높은 수준의 PSRR이 필요하다면 LT3094/LT3045 같은 LDO 레귤레이터를 고려할 만하다. LDO 단에 얼마나 높은 PSRR이 필요한지에 대한 결정은 전원 레일로부터 전력을 공급받는 ADC, DAC 및 증폭기와 같은 부품의 PSRR에 따라 달라진다. 일반적으로 더 높은 PSRR를 갖는 LDO 레귤레이터는 상대적으로 높은 무부하 전류로 인해 효율이 감소될 수 있다.  


레퍼런스 디자인 CN-0345와 CN-0385는 ADP5070을 사용하여 이러한 솔루션을 구현하는 두 가지 사례들이다. 이들 레퍼런스 디자인은 18/20bit AD4003/AD4020 같은 정밀 ADC를 사용하는 정밀 다채널 데이터 수집을 위한 것이다. CN-0345에서는 그림 1에서와 같이 LDO 레귤레이터를 사용하는 대신 LC 필터 회로를 사용하여 ADP5070의 스위칭 리플을 필터링한다. 레퍼런스 디자인 CN-0385에서는 ADP5070 다음에 스위칭 리플을 필터링하기 위해 포지티브 및 네거티브 LDO 레귤레이터(ADP7118 및 ADP7182)가 사용된다.  ADP5070으로 AD5791과 같은 바이폴라 20bit 정밀 DAC를 구동하는 예는 평가 보드 사용자 가이드에서 확인할 수 있다.

이러한 예시는 데이터 수집 및 정밀 전원/소스 같은 애플리케이션에서 ADP5070과 같은 스위칭 레귤레이터를 사용하여 바이폴라 전원을 생성하면서 높은 수준의 정밀 성능을 유지하는 방법을 보여준다. 


절연형 바이폴라 전원 장치

안전을 위해 정밀 시험 계측기를 절연할 필요가 있을 때 절연 장벽에 걸쳐 충분한 전력을 효율적으로 공급하는 것은 쉽지 않은 작업이다. 다채널 절연 계측기에서 채널 간 절연은 채널당 전원 솔루션을 의미한다. 따라서 전력을 효율적으로 공급할 수 있는 초소형의 전원 솔루션이 필요하다. 그림 2는 바이폴라 레일로 절연 전원을 제공하는 솔루션을 보여준다.



그림 2. 낮은 전원 리플의 절연형 바이폴라 전원 시스템을 위한 전원 솔루션


ADuM3470 및 LTM8067은 높은 효율로 5V, 400mA의 절연된 출력 전력을 공급할 수 있게 한다. LTM8067은 트랜스포머와 그 밖에 다른 소자들을 통합한 µModule 솔루션으로 절연형 전원 솔루션의 설계와 레이아웃을 간소화하면서 PCB 풋프린트와 BOM을 최소화한다. LTM8067은 최대 2kVrms까지 절연한다. 심지어 더 낮은 출력 리플을 위해 LTM8068은 출력 LDO 레귤레이터를 통합함으로써 출력 전류가 300mA로 더 낮지만 출력 리플을 30mVrms에서 20μVrms로 줄일 수 있다.


ADuM3470 제품군은 외부 트랜스포머를 사용하여 절연 전원을 제공할 뿐 아니라 ADC 및 DAC의 데이터 전송과 제어를 위한 디지털 절연 채널을 통합하고 있다. 절연 솔루션의 구성 방식에 따라 그림 2에서 보는 것과 같이 단일 포지티브 전원으로부터 절연 측에 ±15V 레일을 생성하기 위해 그림 1과 유사한 전원 솔루션으로 절연 전원 출력을 구현할 수 있다. 또는 ADuM3470 설계를 별도의 스위처 단의 필요 없이 직접 바이폴라 전원을 생성하도록 구성할 수 있다. 이렇게 하면 효율은 희생되지만 더 작은 PCB 공간을 갖는 솔루션을 구현할 수 있다. ADuM3470은 최대 2.5kVrms를 절연하지만, ADuM4470 제품군을 사용하면 절연 전압 수준을 최대 5kVrms까지 높일 수 있다.


CN-0385는 그림 2에서 보는 것과 같이 ADuM3470 솔루션을 구현하는 레퍼런스 디자인의 한 예이다. ADP5070은 절연 측에 사용되어 절연된 5.5V로부터 바이폴라 ±16V 레일을 생성한다. 이 레퍼런스 디자인은 ADuM3470에도 포함된 디지털 절연 채널을 이용한다. ADuM3470을 사용하는 유사한 디자인은 CN-0393이다. 이것은 ADAQ7980/ADAQ7988 μModule ADC를 기반으로 하는 뱅크 절연 데이터 수집 시스템이다. 이 디자인에서 ADuM3470은 외부 트랜스포머와 쇼트키 다이오드 풀웨이브 정류기와 함께 구성되어 추가적인 레귤레이터 단의 필요 없이 직접 ±16.5V를 생성한다. 이로 인해 효율은 낮아지지만, 대신 더 작은 풋프린트 솔루션을 구현할 수 있다. 유사한 솔루션을 AD7176 ∑-Δ ADC를 기반으로 하는 4채널 데이터 수집 솔루션인 CN-0292 및 16bit 바이폴라 DAC의 동일한 절연 전원 솔루션인 CN-0233에서 볼 수 있다.

이러한 예는 절연 데이터 수집 또는 절연 전원에서 정밀한 성능 수준을 위한 절연된 전원을 공급하면서 소형 PCB 풋프린트 또는 높은 수준의 전력 효율을 유지하는 방법을 보여준다.


사일런트 스위처 아키텍처로 저잡음에 효율적인 스텝다운 구현

그림 1에 보이는 전원 회로도에서는 LDO 레귤레이터가 15V에서 5V/3.3V로 스텝다운 하는 데 사용된다. 이러한 구조는 저전압 레일을 생성하는 데 그다지 효율적인 방법이 아니다. 사일런트 스위처, μModule 레귤레이터 LTM8074를 사용하여 더 낮은 전압으로 스텝다운 효율을 향상시키는 솔루션은 그림 3에서 볼 수 있다.




그림 3. 낮은 EMI, 더 낮은 전압 레일로 스텝다운 하는 전원 솔루션


LTM8074는 소형, 4mm × 4mm 풋프린트 BGA 패키지로 제공되는 사일런트 스위처, μModule 스텝다운 레귤레이터로 최대 1.2A를 공급할 수 있고 낮은 방출 잡음이 특징이다. 사일런트 스위처 기술은 스위칭 전류에 의해 발생하는 스트레이 필드를 제거함으로써 전도 및 방출 잡음을 감소시킨다. 이 μModule 디바이스는 매우 낮은 방출 잡음과 고효율 특성 덕분에, 잡음에 민감한 정밀 신호 체인을 구동하는 데 탁월한 성능을 나타낸다. 증폭기, DAC 또는 ADC와 같은 출력 전원에 연결된 부품의 PSRR에 따라 디바이스는 사일런트 스위처 출력으로부터 직접 부품을 구동할 수 있어 기존 스위처에서처럼 LDO 레귤레이터가 추가로 전원 리플을 필터링할 필요가 없다. 디바이스는 1.2A의 높은 출력 전류로 필요 시 FPGA와 같은 시스템에서 디지털 하드웨어를 구동하는 데 사용할 수 있다. LTM8074의 소형 풋프린트와 높은 수준의 통합은 공간이 제한된 애플리케이션에 매우 적합할 뿐 아니라 스위칭 레귤레이터 전원의 설계와 레이아웃을 간소화하고 개발 속도를 높인다.


PCB 영역이 증가해도 더 많은 맞춤화가 필요한 경우 LT8609S 같은 제품을 사용하여 사일런트 스위처 디바이스의 디스크리트 구현을 달성할 수 있다. 이들 제품은 스프레드 스펙트럼 모드를 포함하여 스위칭 주파수에서 리플 에너지를 주파수 대역에 걸쳐 확산한다. 이는 전원으로부터 정밀 시스템에 나타나는 스퓨리어스 톤의 진폭을 감소시킨다.

사일런트 스위처 기술은 μModule 솔루션에 구현된 높은 수준의 통합 수준과 결합함으로써 시스템 설계자가 달성해야 하는 높은 분해능의 성능 수준을 저하시키지 않으면서 다중채널 소스 측정 장치와 같은 정밀 애플리케이션의 점점 더 증가하는 밀도 요구의 문제를 해결한다.


결론

정밀 전자 시험 계측을 위한 절연형 바이폴라 전원 시스템을 생성하기 위해서는 시스템 성능과 소형 풋프린트, 전력 효율의 균형을 맞추어야 한다. 이 글에서 제시한 솔루션과 제품은 이러한 과제를 해결하는 데 도움을 주고 시스템 설계자가 최적의 트레이드오프를 달성할 수 있게 한다.


[참고문헌]

Balat, Fil Paulo, Jefferson Eco, and James Macasaet. “Preventing Start-Up Issues Due to Output Inrush in Switching Converters.” Analog Dialogue, January 2018.

Knoth, Steve. “Supply Clean Power with Ultralow Noise LDO Regulators.” Analog Devices, Inc., September 2018.

Limjoco, Aldrick. “Understanding Switching Regulator Output Artifacts Expedites Power Supply Design.” Analog Dialogue, August 2014.

Luan, Austin. “Low EMI, Silent Switcher, 1.2 A µModule Regulator in 4 mm

× 4 mm × 1.82 mm BGA Package.” Analog Devices, Inc., January 2019.

Morita, Glenn. “Understand Low Dropout Regulator (LDO) Concepts to Achieve Optimal Designs.” Analog Dialogue, December 2014.

Obaldia, Estibaliz Sanz and James Jasper Macasaet. AN-1359 Application Note, Low Noise, Dual-Supply Solution Using the ADP5070 for the Precision AD5761R Bipolar DAC in Single-Supply Systems. Analog Devices, Inc., March 2016.

Tompseet, Kevin. AN-1366 Application Note, Using the ADP5070/ ADP5071 to Create Positive and Negative Voltage Rails when VOUT < VIN. Analog Devices, Inc., July 2015.

Walsh, Alan. “Powering a Precision SAR ADC Using a High Efficiency, Ultralow Power Switcher in Power  Sensitive  Applications.” Analog Devices, Inc., March 2016.


글 / 앨런 월시(Alan Walsh) 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)


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