기능과 처리 성능, 송신률이 증가함에 따라 고속 SoC(system-on-chip) 전력 설계가 까다로워지고 있습니다. 최신 CPU, GPU, FPGA, ASIC 등의 다양한 기능 블록을 공급하는 파워 레일의 수를 늘리기 위해서는 Power-up/Power-down 중 정밀 시퀀싱이 필요합니다. 공급 전압 레벨도 SoC 내 전력 소실을 줄이기 위해 낮아졌습니다. 전력 무결성 요구사항이 더욱 엄격해지고 있으며 파워 레일에 더 많은 공급 전류가 필요하게 되었습니다. 고전류 파워 레일에 다상 벅 컨버터를 적용하는 사례가 계속해서 증가하고 있습니다. 컨버터에는 많은 이점이 있지만 설계자는 전력 설계와 검증 테스트 측면의 과제도 해결해야 합니다.
MXO 58 8채널 오실로스코프를 이용하여 다상 벅 컨버터 설계의 전력 무결성 분석(사진 제공: Texas Instruments)
목표
다상 벅 컨버터(인터리브 컨버터)는 각 단계마다 한 세트 이상의 스위칭 트랜지스터와 하나의 유도체가 있습니다. 다상 특성의 이점을 활용하기 위해 각 상이 일정 시간 차이를 두고 시작합니다. 고부하 정상 상태 동작에서는 모든 단계가 활성인 상태에서 각 단계 사이에서 공급 전류의 균형을 유지하면서 각 단계가 일정 시간 차이를 두고 시작합니다. 그 결과, 유도체 전류도 위상 편이를 통해 공급 전류와 공급 전압에서의 리플을 최소화합니다. 고전류 레벨에서는 전도 손실이 가장 큽니다. 따라서 다상 벅 컨버터는 총 전류가 한 단계가 아닌 복수의 단계에 분산되므로 단일 컨버터에 비해 효율성이 우수하고 열소실은 적습니다.
컨트롤러 기반 다상 벅 컨버터는 고부하 기간 중 단계를 동적으로 활성화하고 저부하 기간에 단계를 제거할 수 있기 때문에 효율성이 훨씬 높습니다.
다상 벅 컨버터는 부하 단계에도 우수한 응답을 나타냅니다. 각 위상이 일정 시간 차이를 두기 때문에 다상 벅 컨버터는 부하 단계 직후에 위성에 대한 PWM(펄스폭 변조)을 조정하여 부하 단계에 빠르게 응답할 수 있습니다. 적재 설계에서는 기본 컨트롤러가 모든 상에 대해 PWM 신호를 제공합니다. 이 설계는 단계 사이에 사전 정의된 위상 편이를 유지합니다. 컨트롤러 기반 다상 설계는 해당 단계에 대해 동적으로 위상 동기화를 수행하거나 PWM 신호를 활성화/비활성화하여 이와 같이 급격한 부하 변동으로 인한 언더슈트 및 오버슈트를 최소화할 수 있습니다.
이러한 설계가 고속 SoC 전력 설계의 성능과 효율성을 높여주는 강력한 도구이기는 하지만, 다양한 정적 부하 조건 또는 동적 부하 단계 시나리오에서 위상 관리를 분석할 때 다상 벅 컨버터를 사용하면 검증 및 디버깅 테스트가 더욱 까다로워집니다.
애플리케이션
다상 벅 컨버터를 이용한 일반 전력 설계 측정 항목:
로데슈바르즈 솔루션
MXO 58 시리즈 오실로스코프는 총 8개의 아날로그 채널과 최대 2 GHz(인터리브 모드)의 대역폭을 제공합니다. R&S®MXO5-B1 옵션을 사용하면 8개 채널을 그대로 사용하면서 16개 디지털 채널을 추가할 수 있습니다. MXO 58은 내장된 하드웨어 가속화를 통해 최고의 속도, 초당 최고 450만 파형, 최대 45,000 FFT/s의 FFT 속도를 제공합니다.
이 기기는 최고 0.5 mV/div까지 감도를 설정하는 경우에도 최대 2 V(50 Ω에서) 또는 최대 5 V(1 MΩ에서)까지 오프셋을 조절할 수 있습니다. 12비트 분해능(HD 모드에서 최대 18비트)이 DC 파워 레일에서 작은 방사 방출까지 측정할 수 있는 최고의 정확도를 제공합니다.
MXO 5는 A/B/R 시퀀스 트리거를 통한 기본 에지 트리거부터 강력한 존 트리거까지, 강력한 다용도 디지털 트리거 시스템이 기본 제공됩니다. 특정 이벤트는 존 트리거를 사용하여 다른 신호 소스(획득 파형, math 파형 또는 스펙트럼 뷰)로부터 결합한 사용자 정의 존에 대해 트리거하여 캡처할 수 있습니다.
MXO 5C와 마찬가지로, 자동 테스트 애플리케이션에서 기기를 원격 조정할 경우 초소형 2 HU 폼팩터의 디스플레이 없는 모델을 구입할 수 있습니다.
파워 레일의 섭동은 R&S®RT-ZPR와 같은 전용 파워 레일 프로브를 사용하여 가장 정확히 측정할 수있습니다. 1:1 프로브이므로 이러한 측정에 필요한 감도를 제공합니다. 이 프로브는 파워 레일 DC 전압을 쉽게 측정하고 오프셋 회로에서 자동으로 차감해주는 기본 DC 미터가 기본 탑재되어 있습니다. 이 프로브를 사용하면 MXO 5에서 최적의 감도를 사용하여 파워 레일의 방사 방출을 정확히 측정하는 동시에 파워 레일 전압에 대한 실제 DC 값을 표시할 수 있습니다. 공급 전압이 높은 전력 설계에 대한 테스트 셋업에서 접지 루프에서 기인한 측정 오류가 발생할 수 있습니다. R&S®RT-ZPR과 Picotest J2115A Coaxial Isolator를 함께 사용하면 이러한 접지 루프 오류를 크게 줄일 수 있습니다.
스위치 노드 전압을 측정할 때에는 다상 벅 컨버터의 다양한 단계에서 높은 전류 레벨로 인한 접지 루프 효과를 고려해야 합니다. R&S®RT-ZD와 같은 디퍼런셜 프로브는 이러한 효과를 제거하며 이러한 측정에 적합합니다.
R&S®RT-ZCxx Current Probe와 Rogowski 코일을 사용하면 전력 효율성 측정 시 전류를 측정하고 순시 전력을 계산할 수 있습니다.
요약
MXO 5 및 MXO 5C 시리즈 오실로스코프는 고속 SoC 전력 설계에서 전력 무결성을 분석하는 데 적합합니다. 기기와 함께 최대 8개의 아날로그 및 16개의 디지털 채널과 다양한 프로브를 사용하여 노이즈, 리플, 언더슈트 및 오버슈트를 뛰어난 감도로 정확히 측정할 수 있습니다. 최고의 측정 속도와 강력한 트리거 시스템이 시간 및 주파수 도메인에서 파워 레일 방사 방출을 효율적으로 탐지하므로 다상 벅 컨버터의 모든 단계에서 PWM 신호를 분석할 수 있습니다.
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