R&S®Essentials | DC Power supplies fundamentals
저자: Anja Fenske, R&S Essentials Power Supply 제품 매니저
DC 전원공급장치를 선택할 때 가장 먼저 확인해야 할 사항 중 하나는 애플리케이션에 가장 적합한 전원공급장치의 유형입니다. 일반적인 DC 전원공급장치의 유형은 세 가지가 있습니다. 유형별 설계에 따라 매우 일정한 정전압, 낮은 리플과 노이즈 또는 높은 효율성을 제공할 수 있습니다.
Basic types of power supplies based on different design principles:
Linear power supplies
Linear regulated power supplies provide highly constant output voltage, low ripple and noise and fast regulation, even with high line and load transients. They produce significantly less electromagnetic interference than switchedmode power supplies. A conventional mains transformer isolates the power-line from the secondary circuits (output stages). It is followed by a rectifier that supplies the unregulated voltage to a series actuator. Capacitors at the input and output of the regulator circuit serve as buffers and decrease the ripple.
A high precision reference voltage controls the analog output amplifier. This amplifier is generally fast and allows very short recovery times for load changes.
R&S Essentials linear power supplies: R&S®NGA100, R&S®NGL200, R&S®NGM200, R&S®NGU201/401.
SMPS, e.g. R&S®NGP800, have much higher efficiency than linear regulated power supplies. In a first step, the line voltage is rectified. Due to the high input voltage, buffer capacitors with a small capacitance can be used. In a second step, the DC voltage to be converted is chopped at a high frequency.
This takes place in the switching transistor and requires only comparatively tiny and light ferrite chokes or transformers with low losses. The switching transistor is switched fully on and off, hence switching losses are low. The output voltage is usually regulated by changing the duty cycle of the switching transistor. A rectifier and low-pass filter improve the output quality.
Mixed architecture power supplies
Different combinations of the above basic designs are in use. For example, the R&S®NGE100B power supplies use a mains transformer at the input, followed by a rectifier and switched-mode circuitry to regulate the output voltage, providing high efficiency. A linear stage reduces unwanted signal components at the output. Another example for mixed achitecture is the R&S®HMP2000/4000.
전류가 양의 전압 단말로 흐를 경우 전원공급장치는 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) 전원공급장치라고 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 전원공급장치로 흐르며, 이 때에는 전류가 음의 값으로 표시됩니다.
전원공급장치의 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 전원공급장치는 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 전원공급장치를 양극 전원공급장치라고 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 전원공급장치는 일반적으로 양/음 전압과 전류에 대한 싱크 기능을 제공합니다. 이 전원공급장치는 네 가지 quadrant에서 모두 작동하며 SMU(Source Measure Units)라고 합니다. 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 전원공급장치는 전체 채널에서 동일한 전압 범위를 제공합니다. 따라서, 특정 애플리케이션에 어떤 채널을 선택해도 동작 가능합니다.각 채널을 별도의 전원공급장치로 간주할 수 있습니다.
복잡한 첨단 전자 회로는 공급 라인의 전압 변동에 매우 민감합니다. DUT(Device under Test)에 전원을 공급할 때 간섭을 최소화하기 위해서는 전원공급장치가 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 합니다. 선형 전원공급장치에서는 스위치 모드 전원공급장치에 비해 고주파 리플이 훨씬 적게 나타납니다.
전문가용 전원공급장치뿐만 아니라 전원공급장치의 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 전원공급장치의 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 전원공급장치의 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®NGM200및 R&S®NGU201전원공급장치는 출력 임피던스를 조절하여 이러한 애플리케이션을 지원합니다.
