R&S®Essentials | DC Power supplies fundamentals
저자: Anja Fenske, R&S Essentials Power Supply 제품 매니저
DC 전원 공급기를 선택할 때 가장 먼저 확인해야 할 사항 중 하나는 애플리케이션에 가장 적합한 전원 공급기의 유형입니다. 일반적인 DC 전원 공급기의 유형은 세 가지가 있습니다. 유형별 설계에 따라 매우 일정한 정전압, 낮은 리플과 노이즈 또는 높은 효율성을 제공할 수 있습니다.
유형별 설계 기준에 따른 전원 공급기의 기본 유형:
선형 전원 공급기
선형 레귤레이션 전원 공급기는 라인 및 부하의 높은 과도 현상에서도 매우 일정한 정전압, 낮은 리플 및 노이즈, 빠른 레귤레이션을 제공합니다. 이 장비들은 SMPS(Switched-mode Power Supply)에 비해 매우 적은 전자기 간섭이 발생합니다. 기존 전원 변압기는 보조 회로(출력 단계)에서 전력 라인을 격리합니다. 그리고 시리즈 액추에이터로 비조정 전압을 공급하는 정류기를 사용합니다. 레귤레이터 회로의 입력과 출력에 있는 커패시터는 버퍼의 역할을 하며 리플을 줄여줍니다.
고정밀 레퍼런스 전압은 아날로그 출력 증폭기를 컨트롤합니다. 이러한 증폭기는 일반적으로 동작이 빠르고 부하 변화에 대한 복구 시간이 매우 짧습니다.
R&S Essentials Linear Power Supply: R&S®NGA100, R&S®NGL200, R&S®NGM200, R&S®NGU201/401.
SMPS(예: R&S®NGP800)는 선형 조정 전원 공급기에 비해 매우 높은 효율성을 제공합니다. 1단계에서는 라인 전압을 정류합니다. 입력 전압이 높으므로 정전용량이 작은 버퍼 커패시터를 사용할 수 있습니다. 2단계에서는 변환할 DC 전압을 고주파수에서 차단합니다.
이 단계는 스위칭 트랜지스터에서 수행되며 상대적으로 작고 가벼운 페라이트 초크와 저손실 변압기만 필요합니다. 스위칭 트랜지스터는 On/Off 상태를 완전하게 스위칭하기 때문에 손실이 낮습니다. 출력 전압은 일반적으로 스위칭 트랜지스터의 듀티 사이클을 변경해 조정합니다. 정류기와 로우패스 필터는 출력 품질을 개선합니다.
혼합 아키텍처의 전원 공급기
위와 같은 기본 설계를 다르게 조합해 사용할 수 있습니다. 예를 들어, R&S®NGE100B Power Supply는 입력에서 전원 변압기를 사용한 다음 정류기와 스위치 모드 회로를 사용해 출력 전압을 조정하는 방식으로 높은 효율성을 제공합니다. 선형 단계는 출력에서 불요 신호 성분을 줄여줍니다. R&S®HMP2000/4000도 혼합 아키텍처입니다.
전류가 양의 전압 단말로 흐를 경우 전원 공급기는 전자부하기의 기능을 합니다. 이 전력은 소싱 전력이 아닌 싱크 전력입니다. 소스와 싱크로 작동하는 기기는 배터리 또는 부하를 시뮬레이션할 수 있으며, 이러한 기기를 2-quadrant (또는 4-quadrant) 전원 공급기라고 합니다. 로데슈바르즈의 는 2-quadrant 및 4-quadrant 아키텍처를 제공합니다. 이 기기는 소스 모드에서 싱크 모드로 자동 전환됩니다. 외부에서 적용된 전압이 설정된 공칭 전압을 초과할 경우 전류는 전원 공급기로 흐르며, 이 때에는 전류가 음의 값으로 표시됩니다.
전원 공급기의 아키텍처는 좌표평면으로 완벽히 정의할 수 있습니다. 4-quadrant에는 양/음 전압 및 전류의 모든 조합이 표시됩니다. 아래 그림은 세로축에 전압, 가로축에 전류를 표시한 좌표계입니다.
위의 설명과 같이, 기본 전원 공급기는 예를 들어 0 V부터 20 V까지 양극 전압만 발생하는 것이 일반적입니다(즉, 1-quadrant에서 작동). 외부 배선으로 전환할 필요 없이 출력 단말에 양 또는 음의 전압을 공급할 수 있는 전원 공급기를 양극 전원 공급기라고 하며 1-quadrant 및 3-quadrant에서 작동하여 –20 V ~ +20 V 등의 전압을 공급합니다. 이러한 장비는 특히 0 V 포인트에서 양극(bipolar) 전압에 대한 반도체의 특징적 동작을 테스트하는 데 사용할 수 있습니다.
1-quadrant 및 3-quadrant에서 작동하는 전원 공급기는 일반적으로 양/음 전압과 전류에 대한 싱크 기능을 제공합니다. 이 전원 공급기는 네 가지 quadrant에서 모두 작동하며 SMU(Source Measure Units)로 알려져 있습니다. 1-quadrant 및 3-quadrant에서 장비는 소싱 출력으로 동작하기 때문에 전류가 전압 터미널로 흐릅니다. 2-quadrant 및 4-quadrant에서 장비는 싱크 출력으로 동작하며, 전류가 전압 터미널로 흐릅니다.
대부분의 로데슈바르즈 전원 공급기는 전체 채널에서 동일한 전압 범위를 제공합니다. 따라서, 특정 애플리케이션에 어떤 채널을 선택해도 동작 가능합니다. 각 채널을 별도의 전원 공급기로 간주할 수 있습니다.
복잡한 첨단 전자 회로는 공급 라인의 전압 변동에 매우 민감합니다. DUT(Device under Test)에 전원을 공급할 때 간섭을 최소화하기 위해서는 전원 공급기가 극도로 안정적인 출력 전압과 전류를 공급해야 합니다. 출력에 전압 변동이 없는 것이 가장 좋습니다. 실무에서는 회로 또는 장치에 영향을 미칠 수 있는 두 가지 유형의 변동, 즉 주기적 변동(리플)과 무작위 변동(노이즈)이 있으며, 이들을 PaRD(Periodic and Random Deviation)라고도 표현합니다. 선형 전원 공급기에서는 스위치 모드 전원 공급기에 비해 고주파 리플이 훨씬 적게 나타납니다.
전문가용 전원 공급기뿐만 아니라 전원 공급기의 기본 모델(예: R&S®NGA100)는 잔여 리플 및 노이즈를 최소화하기 위해 선형 전압 조정을 이용합니다.
출력 단계의 선형 설계를 통해 복잡한 반도체와 같이 민감한 설계에 저간섭 전압을 공급할 수 있습니다. 낮은 리플과 노이즈 값도 전력 증폭기와 MMIC를 개발하기에 이상적입니다.
특수 전원 공급기의 출력은 다양한 방식으로 구성할 수 있습니다. 예를 들어 출력 임피던스, 스위치온 지연과 같은 파라미터와 다양한 트리거 모드를 설정할 수 있습니다. DUT에 대한 로딩 효과를 방지하기 위해서는 전원 공급기의 출력 임피던스가 가능한 낮아야 합니다. 하지만 통제 환경에서 배터리를 시뮬레이션하거나 배터리가 방전되는 과정에서 내부 임피던스의 증가를 시뮬레이션하는 애플리케이션도 있습니다. 로데슈바르즈의 R&S®NGL200, R&S®NGM200, R&S®NGU201 전원 공급기는 출력 임피던스를 조절하여 이러한 애플리케이션을 지원합니다.
요약
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