목차 소개 ----------------------------------------------------------3 전력공급기설계및측정사항에대한질문 --------3 오실로스코프및전력측정 ------------------------------3 스위치모드전력공급기기본사항 ------------------4 전력공급기측정을위한준비사항 ------------------4 8 하나의획득에의한 100V 및 100mV 측정 5 전압및전류프로브사이의지연시간제거 6 프로브오프셋및노이즈제거 7 전력측정시레코드길이의역할 8 유효 T on 및 T off 변환식별 8 액티브요소측정 : 스위칭요소 ----------------------------8 12 스위치모드장치의전력손실이론 8 Turn-Off 손실 9 Turn-On 손실 10 SMPS 전력손실에대한자세한관찰 10 안전작동구역 11 동적 On 저항 12 di/dt 12 dv/dt 12 패시브요소측정 : 자기장치 ----------------------------12 17 인덕턴스기본사항 13 오실로스코프를통한인덕턴스측정 13 자기전력손실기본사항 13 오실로스코프를통한자기전력손실측정 14 자기특성기본사항 15 오실로스코프를통한자기특성측정 17 전력라인측정 ----------------------------------------------17 전력품질측정기본사항 --------------------------------18 SMPS에서의전력품질측정 18 오실로스코프를통한전력품질측정 ----------------18 19 적절한도구사용 18 오실로스코프를통한전력품질측정 19 결론 --------------------------------------------------------------19 2 www.tektronix.com/power
소개 전력공급기는일반적으로교류 (AC) 유틸리티전원에서직류 (DC) 전원으로변환하는것과같이전력을특정형식에서다른형식으로변환하는구성요소, 하위시스템또는시스템입니다. 개인용컴퓨터에서군사장비및산업용기계장비에이르기까지전자장치의적절한운영은 DC 전력공급기의성능과안정성에의해결정됩니다. 종류나규모면에서전력공급기는기존의아날로그유형에서고효율스위치모드전력공급기에이르기까지다양합니다. 이모든전력공급기가복잡한동적운영환경에직면해있습니다. 장치로드및요구사항은인스턴트의변화에따라극적으로변경될수있습니다. " 가정용 " 스위치모드전력공급기까지도평균작동수준을훨씬초과하는급격한피크를견딜수있어야합니다. 전력공급기또는전력공급기를사용하는시스템을설계하는엔지니어는정지상태에서최악의경우에이르기까지모든조건에서의공급기의동작을이해해야합니다. 전통적으로전력공급기에대한일반적인측정방법은디지털멀티미터를사용하여정적전류및전압을측정하고계산기또는 PC에서정확한계산을수행하는것입니다. 오늘날대부분의엔지니어는선호하는전력측정플랫폼으로오실로스코프를선택합니다. 최신오실로스코프는설정이간단하고시간에따른측정이용이한통합전력측정및분석소프트웨어를설치할수있습니다. 사용자는주요매개변수를사용자정의하고계산을자동화할수있으며시간 ( 초 ) 단위로숫자값을포함하여결과를확인할수있습니다. 본설명서는오실로스코프및애플리케이션별소프트웨어를통한스위치모드전력공급기설계측정에대해중점적으로설명합니다. 전력공급기설계및측정요구사항에대한질문 이론적으로는모든전력공급기가전력공급기설계에사용되는수학적모델과유사하게작동합니다. 그러나실제로는구성부품이불완전하거나로드가변화하고라인전력이왜곡될수있으며환경변화에따라성능에영향을끼칠수있습니다. 또한성능및비용에대한요구사항이변경되면전력공급기설계상어려움에직면합니다. 다음과같은질문에대해생각해봅시다. 전력공급기가정격용량을초과하여견딜수있는최대와트및시간은어떻게됩니까? 공급기가방출하는열, 과열될경우예상결과및냉각통풍량은얼마나필요합니까? 부하전류가급격하게증가하면어떤현상이발생합니까? 장치가정격출력전압을유지할수있습니까? 공급기가출력시완전단락에대해어떻게반응합니까? 공급기입력전압이변경되면어떤현상이발생합니까? 설계자는크기를줄이면서열을적게발생시키고제조비용을절감하면서엄격한 EMI/EMC 표준을만족시키는전력공급기를만들것을요구받습니다. 엔지니어가이러한목표를달성하기위해서는엄격한측정시스템이필요합니다. 오실로스코프및전력측정 오실로스코프를통해높은대역폭측정에익숙한사용자에게상대적으로낮은주파수를가진전력측정은간단해보일수있습니다. 그러나실제로이러한전력측정에도고속회로디자이너가경험하지못한여러가지과제가있습니다. 스위칭장치를통과하는전압이매우높고 " 플로팅 " 하기때문에접지를기준으로하지않습니다. 신호의펄스폭, 기간, 주파수및신호듀티사이클에편차가있습니다. 파형은결함을충실하게포착하고분석해야합니다. www.tektronix.com/power 3
그림 1. 스위치모드전력공급기에대한간단한회로도 그림 2. 측정지점을표시한 MOSFET 스위칭장치 오실로스코프는여러가지요구사항을필요로합니다. 단일종단, 차동및전류와같은여러프로브유형이동시에필요합니다. 장비는길고낮은주파수획득을위한레코드길이를제공하는딥메모리가있어야합니다. 하나의획득을통해매우다양한스케일의신호를포착할수있어야합니다. 스위치모드전력공급기기본사항 대부분의최신시스템에적용되는 DC 전력공급아키텍처는변경되는로드를효율적으로처리할수있는것으로알려진스위치모드전력공급기 (SMPS) 입니다. 일반적인 SMPS의전력 " 신호경로 " 에는패시브, 액티브및자기요소가포함됩니다. SMPS는레지스터및선형모드트랜지스터와같이손실이많은구성요소의사용을최소화하고스위치모드트랜지스터, 커패시터및자기장치와같은이론적으로손실이거의없는구성요소에집중합니다. 또한 SMPS 장치는펄스폭변조레귤레이터, 펄스율변조레귤레이터및피드백 loops1과같은요소를포함하는제어부문이포함되어있습니다. 제어부문은자체전력공급기를가지고있습니다. 그림 1은액티브, 패시브및자기요소를가진전력변환부문을표시한간단한 SMPS 회로도를나타냅니다. SMPS 기술은 MOS 전계효과트랜지스터 (MOSFET) 및절연게이트양극성트랜지스터 (IGBT) 와같은전력반도체스위칭장치에적용됩니다. 이러한장치는빠른스위칭시간을제공하며불규칙한전압스파이크에도견딜수있습니다. 또한 On 또는 Off 상태모두에서거의전력을방출하지않기때문에저온상태에서높은효율성을발휘합니다. 대부분의경우스위칭장치가 SMPS의전반적인성능을결정합니다. 스위칭장치의주요측정기능으로는스위칭손실, 평균전력손실, 안전작동영역등이있습니다. 전력공급기측정을위한준비사항 스위치모드전력공급기측정을준비할때작업을수행할수있는도구를선택하고이러한도구가정확하고반복적으로수행할수있도록설정하는것이중요합니다. 물론오실로스코프는 SMPS 내에서스위칭주파수를처리하기위한기본대역폭과샘플속도를가져야합니다. 전력측정을위해최소두개의채널이필요하며하나는전압용, 다른하나는전류용입니다. 전력측정을보다간편하고안정되게수행할수있는설비도필요합니다. 다음사항에대해서도고려해야합니다. 해당장비가동일한획득에서장치의 On 및 Off 전압변환을처리하기위한솔루션을제공합니까? 이러한신호는 100,000:1의비율을가질수있습니다. 1 본설명서는출력에영향을주는내부요소에대한테스트를포함하여전력경로와관련된측정에대해설명합니다. 제어부문측정은일반적인파형및로직기반관찰방법이며본설명서에서는다루지않습니다. 4 www.tektronix.com/power
그림 4. 사용자가데이터시트의 RDS ON 또는 VCE sat. 값을입력할수있는 TDSPWR3 입력페이지 그림 3. SMPS 스위칭장치를통과하는일반적인전압레벨 사용가능한전압및전류프로브가신뢰할수있고정확합니까? 또한이러한프로브의각기다른지연을조정하기위한적절한방법이있습니까? 프로브에존재하는노이즈를최소화하기위한효과적인프로세스가있습니까? 해당장비는빠른샘플속도에서긴주파수파형길이를포착하기충분한레코드길이를장착할수있습니까? 이러한특성은중요하고효과적인전력공급설계측정의기반이됩니다. 하나의획득에의한 100V 및 100mV 측정스위칭장치전반에걸쳐스위칭손실및평균전력손실을측정하려면먼저오실로스코프는 Off 및 On 상태에대해개별적으로스위칭장치를통과하는전압을결정해야합니다. 이러한 Off 및 On 전압은스위칭장치의정확한전력측정을위해먼저측정해야합니다. 그러나일반적인 8비트디지털오실로스코프는 Off 상태에서발생하는높은전압뿐만아니라 On 상태에서의 mv 범위신호를정확하게획득하는데충분한동적범위 ( 동일한획득주기내 ) 를가지고있지않습니다. 이신호를포착하려면오실로스코프의수직범위가구간당 100V로설정해야합니다. 이렇게설정하면오실로스코프는최대1,000V의전압을수용하기때문에오실로스코프가 700V 신호를무리없이획득할수있습니다. 이설정을사용할경우발생되는문제는최대감도가표시가능한최소신호진폭인1,000/256 또는약 4V라는점입니다. Tektronix DPO는장치데이터시트의 RDSON 또는 VCEsat 값을그림 4에표시된측정메뉴에입력할수있는 TDSPWR3 애플리케이션기능을통해이문제를해결합니다. 또다른방법으로측정된전압이오실로스코프의감도범위내에있는경우TDSPWR3은수동으로입력한값이아닌실제획득한데이터를계산에사용할수있습니다. AC/DC 컨버터의경우스위칭장치를통과하는전압은상당히높은동적범위를가지고있습니다. On 상태에서스위칭장치를통과하는전압은스위칭장치유형에따라결정됩니다. 그림 2에서설명한 MOSFET의경우On 전압은채널저항및전류의곱입니다. BJT (Bipolar Junction Transistor) 및 IGBT 장치의경우전압은주로포화전압강하 (VCEsat) 에기반합니다. Off 상태전압은작동입력전압과스위치모드컨버터의토폴로지에따라결정됩니다. 컴퓨팅장비용으로설계된일반적인 DC 전력공급기는 80Vrms-264Vrms 사이의범용유틸리티전압범위에서작동합니다. 최대입력전압에서스위칭장치를통과하는 Off 상태전압 (TP1에서 TP2 사이 ) 은최대750V입니다. On 상태에서동일한단자사이를통과하는전압은몇 mv에서약 1V 사이의범위입니다. 그림 3은스위칭장치의일반적인신호특성을보여줍니다. www.tektronix.com/power 5
그림 5. 전력측정시전파지연효과 전압및전류프로브사이의지연시간제거 디지털오실로스코프를통해전력을측정하려면 MOSFET 스위칭장치의드레인-소스를통과하는전압및전류 ( 그림 2 참조 ) 또는 IGBT를통과하는콜렉터-대-이미터전압을측정해야합니다. 이작업을위해고전압차동프로브및전류프로브가필요합니다. 전류프로브는일반적으로비간섭형홀효과유형입니다. 이러한프로브는자체고유의전파지연을가지고있습니다. 지연시간으로알려진이두가지지연의차이는부정확한진폭및시간관련측정이원인입니다. 그림 6. 전압및전류신호사이의지연시간 최대피크전력및영역측정에대한프로브전파지연의영향을이해하는것이중요합니다. 결과적으로, 전력은전압및전류의곱입니다. 곱셈에의해산출된두개의변수가완벽하게맞지않을경우결과는잘못된것입니다. 프로브가제대로 " 지연시간보정 " 되지않는경우스위칭손실과같이측정정확성이떨어집니다. 그림 5에표시된테스트설정은프로브팁과전파지연후오실로스코프전면패널에서의신호를비교합니다. 그림 7. 6.059 와트를표시한지연시간을가진최고진폭및영역측정 6.059 watts 그림 6~9는프로브의지연시간효과를설명한오실로스코프화면을표시한것입니다. DUT까지의연결은 Tektronix P5205 1.3 kv 차동프로브및 TCP303 150A AC/DC 전류프로브를통해연결되었습니다. " 전압 " 및 " 전류 " 신호는보정고정기에의해제공됩니다. 6 www.tektronix.com/power
그림 8. 지연시간보정후전압및전류신호 그림 6은전압및전류프로브사이의지연시간을표시한것이며그림 7은두개의프로브가처음으로지연시간보정없이수행된측정결과 (6.059와트) 를표시한것입니다. 그림 8은프로브의지연시간보정효과를표시한것입니다. 두개의파형은겹쳐지면서지연이균일해지는것을표시합니다. 그림 9의측정결과는적절한지연시간보정의중요성에대해설명합니다. 예에서알수있듯이, 지연시간으로인해거의 6% 의측정오류가발생했습니다. 지연시간을정확하게보정하면피크대피크전력손실측정오류를줄일수있습니다. TDSPWR3 전력측정소프트웨어는선택한프로브조합의지연시간을자동으로보정합니다. 소프트웨어는오실로스코프를제어하고활성전류및전압신호를사용하여전압및전류채널사이의지연을조정하여전압및전류프로브사이의전파지연차이를제거합니다. 또한특정전압및전류프로브가일정하고반복가능한전파지연을가지는원리를적용한정적지연시간보정기능을사용할수있습니다. 정적지연시간보정기능은본설명서를통해설명하는 Tektronix 프로브와같이선택한프로브의전파시간표를기준으로선택한전압및전류채널사이의지연을조정합니다. 이기법은지연시간보정을최소화하기위한신속하고간단한방법을제공합니다. 그림 9. 지연시간보정후최고진폭및영역측정. 이결과를그림 7 과비교해보십시오. 프로브오프셋및노이즈제거 차동프로브는전압이약간오프셋되는경향이있습니다. 이것은정확성에영향을줄수있기때문에측정을수행하기전에제거해야합니다. 대부분의차동전압프로브는다음과같이준비시간이지난후상대적으로간단한절차를통해오프셋을제거하는 DC 오프셋트림제어기능이내장되어있습니다 : 전압파형에대한평균값을측정하도록오실로스코프를설정합니다. 실제측정에사용되는감도 ( 수직 ) 설정을선택합니다. 신호가없는경우트리머를널로조정하고평균레벨을 0V( 또는가능한 0V에가깝게 ) 조정합니다. 마찬가지로측정전에전류프로브를조정해야합니다. Degaussing후다음절차를수행합니다 : 실제측정에사용되는감도로오실로스코프를설정합니다. 신호가없는상태에서전류프로브를닫습니다. DC 밸런스를널로조정합니다. 평균값을 0A 또는가능한 0A 에가깝게조정합니다. www.tektronix.com/power 7
유효 T on 및 T off 변환식별스위칭변환시손실을정확하게파악하려면먼저스위칭신호의링잉을필터링해야합니다. On 또는 Off 변환시스위치전압신호의링잉을누락하기쉽습니다. 이높은레벨의링잉은 SMPS가불연속전류모드 (DCM) 및연속전류모드 (CCM) 사이에서변환할때회로의와류요소에의해발생합니다. 그림 10. TDSPWR3 소프트웨어메뉴의신호조건조정옵션. 이메뉴를선택하면스위칭장치가 "Off" 상태에있는동안전류가 0 으로설정됩니다. 이러한프로브는활성장치이기때문에항상정지상태에서도일부낮은수준의노이즈가존재합니다. 이노이즈는전압및전류파형데이터를통해측정하는경우영향을줄수있습니다. TDSPWR3 소프트웨어패키지에는존재하는프로브노이즈영향을최소화하는신호조건조정기능 ( 그림 10) 이포함되어있습니다. 전력측정시레코드길이의역할 오실로스코프가특정기간동안이벤트를포착하는성능은사용되는샘플속도및획득한신호샘플을저장하는메모리용량 ( 레코드길이 ) 에따라결정됩니다. 메모리는샘플속도에직접적으로비례하여채워집니다. 샘플속도가신호에대해세부적인고해상도화면을제공하기에충분한속도로설정되어있으면메모리도신속하게채워집니다. 여러 SMPS 전력측정의경우라인주파수신호의 1/4주기또는1/2주기 (90도또는180도 ) 를포착해야하며일부경우전체주기가필요합니다. 대상은라인전압의편차에영향을주는계산을지원하기위해충분한신호데이터를누적해야합니다. Tektronix TDS5000B 시리즈 DPO는최대16,000,000 포인트의메모리용량으로구성할수있습니다. 이용량은해당샘플속도에서필요한라인주파수신호크기를저장하기에충분합니다. 그림 11은스위칭신호를간단한형태로기호화한것입니다. 링잉으로인해오실로스코프가 On 및 Off 변환을식별하기매우어렵습니다. 한가지해결방법은그림12에표시된것과같이에지식별, 레퍼런스레벨및히스테리시스레벨에대한소스를미리정의하는것입니다. 신호복잡성및측정요구사항에따라측정된신호자체를에지레벨에대한소스로사용할수있습니다. 일부기타명확한신호를지정할수도있습니다. 활성전력요소보정컨버터와같은일부스위칭전력공급설계에서는링잉이더안좋은영향을미칩니다. DCM 작동으로스위치커패시턴스가필터인덕터를통해공명하기시작할때링잉이상당히증가합니다. 레퍼런스레벨및히스테리시스레벨을설정하는것만으로는유효변환을완벽하게식별할수없습니다. 이러한경우스위칭장치의게이트드라이브신호 ( 그림 1 및 2에표시된클럭신호와동일 ) 는그림13에표시된것과같이유효 On 및 Off 변환을식별할수있습니다. 이는게이트드라이브신호에적합한레퍼런스레벨및히스테리시스레벨을설정하기만하면가능합니다. 액티브요소측정 : 스위칭요소 스위치모드장치의전력손실이론트랜지스터스위치회로는다이오드에저장된전하의방출과스위칭시간동안와류인덕턴스및커패시턴스에있는에너지방출로인해변환하는동안에너지가손실됩니다. "Turn-On 손실 " 은스위칭장치가 Off에서 On으로변환될때손실되는에너지를의미합니다. "Turn-Off 손실 " 은스위칭장치가 On에서 Off로변환될때손실되는에너지를의미합니다. 8 www.tektronix.com/power
그림 11. 스위칭장치의일반적인신호특성 그림 14. Turn-Off 손실계산 Turn-Off 손실 그림 12. 이신호특성에대한일반적인참조레벨및이력현상레벨 그림 14는 Turn-Off 손실계산을그래프로표시한것입니다. t 1 이후스위치전류는다이오드전류가상승하면서떨어집니다. 시간 (t 2 -t 1 ) 은드라이버가 MOSFET의게이트드레인커패시턴스 C gd 를얼마나신속하게충전할수있는지에따라달라집니다. 변환하는동안에너지손실은다음과같은방정식으로표현됩니다 : 이공식은 C ds ( 드레인에서소스까지의커패시턴스 ) 및 C gd 를통과하는전압이선형적으로상승하는것으로가정합니다. C gd 및C ds 는와류커패시턴스입니다. 그림 13. T on 및 T off 변환을식별하기위해사용되는게이트신호 V g.. www.tektronix.com/power 9
실제장치의경우커패시턴스 C gd 및 C ds 는상당히비선형적이며드레인-소스전압에따라변화하는경향이있습니다. 이러한현상을어느정도해결하기위해이론적인계산만표시됩니다. IGBT의경우전류하강시간은 " 꼬리전류 " 현상으로인해더빠릅니다. 이러한차이는전압편차의실제프로파일을포착하는데매우중요합니다. 전력측정전용소프트웨어를가진오실로스코프는이러한측정을상당히단순화할수있습니다. Turn-On손실그림 15는클램핑된유도로드및다이오드복구충전상태에서 MOSFET의활성화손실을표시합니다. MOSFET가클램핑된유도로드상태에서활성화되면다이오드전압은저장된전하가복구될때까지생성되지못합니다. 따라서다이오드는전압을차단할때까지음의방향으로전류를계속유도합니다. 이로인해스위치에상당한손실이발생합니다. 역방향복구전류는다이오드경로에서외부회로에의해결정됩니다. 다이오드의전하는전달전류와다이오드의 Off 변환시하강전류의di/dt에의해결정됩니다. 전체손실은스위치의평균전력손실입니다. 이손실에는스위칭손실및유도손실이포함됩니다. 전체손실은다음공식으로표현됩니다. 그림 15. 클램핑된유도로드 2 상태에서 MOSFET 의활성화손실 여기서 V Switch (t) 및 I Switch (t) 는스위치전체의순간전압및스위치를통해흐르는전류입니다. SMPS 전력손실에대한자세한관찰불연속전류모드에서사용하는 " 플라이백 " 토폴로지는최대 150W의정격출력을가진여러스위치모드전력공급기에서는일반적입니다. 플라이백컨버터는인덕터에출력로드에너지를저장하고또한입력 / 출력절연을제공합니다. 스위칭장치가 On일때전류는인덕터와스위칭장치사이에서이동하기때문에스위칭장치에서상당한손실이발생합니다. 그림 16은플라이백토폴로지가내장된 SMPS 장치에서일반적으로나타나는스위칭장치신호특성을설명합니다. 이예의경우TDSPWR3 전력측정애플리케이션을사용하는것으로가정합니다. 애플리케이션을사용하면사용자가전압매개변수와필터설정이 DUT 요구사항과일치하도록직접입력할수있습니다. 안정되고정확한측정은스위칭전압신호내에서유효 T on 및 T off 에지를찾기위한참조레벨정의와함께시작합니다. 이예에서참조레벨은약 150V에서설정되고이력현상은 25V에서설정됩니다. 150V에서 T on 및 T off 변환을쉽게식별할수있습니다. 또한 150V 레벨에서모든링잉은제외됩니다. 앞에서설명한것처럼오실로스코프의수직범위는스위칭전압파형을포착하기위해 100V/div로설정됩니다. 이처럼상당히높은설정에서는디지털오실로스코프의동적범위가동일한신호에서표시되는포화전압을표시하는데충분하지않습니다. 여기서는 TDSPWR3 사용자입력기능이유용합니다. 2 콜로라도대학의 Robert A. Erickson 이작성한 " 전기전자장치의기본원리 " 프레젠테이션에서발췌하여단순화한그림. 10 www.tektronix.com/power
그림 16. 플라이백토폴로지에서스위칭장치의일반적인신호특성. 그림 17. 스위칭장치의전력손실측정결과. MOSFET의 RDS on 또는 BJT/IGBT의 VCE sat 은스위칭장치의데이터시트에서가져와서직접입력할수있습니다. 애플리케이션은해당값을사용하여전체손실을계산합니다. 스위칭신호의 Off 단계에서링잉및노이즈를볼수있습니다. 이러한효과는당연히최소화되어야합니다. 다시말하지만 TDSPWR3은이문제에대해솔루션을가지고있습니다. 신호조정및평활화 ( 필터 ) 기능을통해노이즈영향을최소화하고측정정확성을높입니다. 그림 17은 TDSPWR3을통해자동으로계산된전력손실측정결과를표시합니다. 정확한결과를위해측정은가능한측정된신호에대한하나의완전한전력라인주기를포함하도록합니다. 또한측정된신호가최소 6개의디비전을포함하도록수직전압및전류신호모두는수직범위설정에의해획득해야합니다. 이를통해오실로스코프아날로그-디지털컨버터 (ADC) 의동적범위를가장적절하게표현할수있습니다. 스위칭장치제조업체의데이터시트에스위칭장치에대한특정제한사항이요약되어있습니다. 목표는최종사용자환경에서전력공급기가적응해야하는작동한계를스위칭장치가견딜수있는것입니다. SOA 테스트변수에는다양한로드시나리오, 작동온도편차, 높고낮은라인입력전압등이있습니다. SOA 테스트는일반적으로다음방정식을사용하여전력값을계산합니다 : 여기서, P n 은순간전력값 V n 은전압값 I n 은전류값 n 은특정지점에서의샘플 다음방정식은평균전력을계산합니다 : 안전작동구역 스위칭장치에서의안전작동구역 (SOA) 측정을통해전압대전류관계를표시하여장치의작동구역을특성화합니다. 전력공급기에서발생할수있는다양한작동조건에대해 SOA 플롯을작성하는데유용합니다. 여기서, N 은플롯에서동일한값을가진샘플수 www.tektronix.com/power 11
dv/dt di/dt는스위칭동안전압이변화하는비율을의미합니다. 다음방정식을통해 dv/dt 값을계산합니다 : 여기서, X = 타이밍값 Y= 커서사이에서파형데이터의수직 ( 전압 ) 값 10 패시브요소측정 : 자기장치 그림 18. TDSPWR3 을통해활성전력계수보정전력공급기의 SOA 플롯을표시한예. 플롯을스위칭장치제조업체가제공하는데이터와비교할수있습니다. 그림 18 은 TDSPWR3 애플리케이션을통해구성된 SOA 플롯입니다. 동적 On 저항 동적 On 저항은스위칭장치가 On 상태에있을때스위칭 장치에의해발생되는저항입니다. 경우에따라서는스위 칭장치제조업체의데이터시트를기준으로 RDSon 값을 수정하는것이바람직합니다. 이렇게하면신호동적범위 가초과할때보다정확하게전력손실을측정하는데도움 을줄수있습니다 ( 앞서설명한전력손실측정참조 ). di/dt di/dt 측정은스위칭동안전류가변화하는비율을의미합니다. 다음방정식을통해 di/dt 값을계산합니다 : 패시브요소는신호를증폭또는변환하지않는요소입니다. 전력공급기에는레지스터및커패시터와같은완벽한패시브요소가포함되어있지만측정측면에서볼때핵심사항은인덕터및트랜스포머를포함하여자기구성부품 (" 자기장치 ") 입니다. 인덕터및트랜스포머는구리선으로여러번감싼강철코어로구성되어있습니다. 인덕터는고주파신호에대해높은임피던스를찾으며이를통해인덕터는전력공급기입력및출력에서필터링하는데유용합니다. 트랜스포머는 1차코일에서 2차코일로전압및전류를접속하여신호레벨을상승또는하강시킵니다 ( 개별전압또는전류에대해 ). 따라서트랜스포머는 1차코일에서 120V 를공급받고2차코일의전류가상승함에따라 2차코일의전압은 12V까지단계적으로하강합니다. 여기서는신호의순전력이상승하지않기때문에 " 증폭 " 은고려하지않습니다. 트랜스포머의 1차및2차코일이전기적으로연결되어있지않기때문에회로요소사이의차단을위해사용하기도합니다. 여기서, X = 타이밍값 Y = 파형데이터의수직값 "d" 또는델타용어는변수를기호화한것이며 "di" 는변화하는전류를의미 전력공급성능을결정하는데도움을주는일부측정은다음과같습니다.: 인덕턴스전력손실 ( 자기장치 ) 자기특성 12 www.tektronix.com/power
인덕턴스기본사항전력공급기는에너지저장장치, 필터또는변환기로인덕터를사용합니다. 트랜스포머로서인덕터는스위치모드전력시스템의발진을방지하는데도움을줍니다. 설계자는작동조건하에서이장치의작동을모니터링해야합니다. 인덕턴스값은전류및전압소스, 여자신호, 파형및작동주파수에따라달라집니다. 인덕턴스는다음과같이정의됩니다.: 여기서, L 은인덕턴스 e 는인덕터를통과하는전압 I 는인덕터를통과하는전류 dt 는신호변화율, 즉회전율여러가지종류의사용가능한인덕턴스측정장비가있습니다. 전통적으로이러한장비는알려진여자 ( 자극 ) 신호에따라인덕터의인덕턴스를측정합니다. 예를들어 LCR 미터는내장된신호발생기를사용하여테스트중에인덕터를자극한다음브리지밸런싱기술을사용하여장치의임피던스를측정합니다. LCR 미터는사인파를신호소스로사용합니다. 그러나실제전력공급기의경우신호는고전압, 고전류의구형파입니다. 따라서대부분의전력공급설계자는전력공급기의동적으로변화하는환경에서인덕터의작동을관찰하여보다정확한상태를확인하려합니다. 오실로스코프를통한인덕턴스측정 " 실제 " 전력공급기에서인덕터측정에가장적절한도구는 TDSPWR3 전력측정소프트웨어가설치된 Tektronix TDS5000B 시리즈 DPO와같은오실로스코프입니다. 인덕턴스측정자체는앞서설명한스위칭장치측정과거의유사하며, 자기구성부품을통과하는전압및전류를프로빙하는만큼이나간단합니다. 그림 19. TDSPWR3 애플리케이션소프트웨어에의해계산된인덕턴스측정결과. 그림 19는이러한인덕턴스측정결과를표시합니다. 여기서소프트웨어는인덕턴스를 69.48microhenry로계산했습니다. 자기전력손실기본사항 자기전력손실은전력공급기의효율성, 안정성및열전도성능에영향을줍니다. 코어손실및구리선손실이라는두가지종류의전력손실은자기요소와관계있습니다. 코어손실 : 코어손실은이력현상손실과와류손실로구성됩니다. 이력현상손실은작동주파수와 AC 플럭스스윙사이의함수관계입니다. DC 플럭스와는거의관계가없습니다. 단위체적당이력현상손실은다음방정식으로표현됩니다. : 여기서, P Hyst 는단위체적당이력현상손실입니다. H 는자계강도입니다. B 는플럭스밀도입니다. 그림 20에표시된것과같이코어제조업체의데이터시트를사용하여코어손실을계산할수있습니다. 여기예의경우, 제조업체는 I 및 III 분기작동에서사인여자에대한손실이있는것으로지정했습니다. 또한제조업체는다른 AC 플럭스밀도및주파수에서코어손실을계산하기위해경험적관계식을지정합니다. www.tektronix.com/power 13
구리선손실 : 구리선손실은구리코일선의저항으로인 해발생합니다. 구리선손실은다음공식으로표현됩니다 : 여기서, P cu 는구리선손실을의미합니다. I rms 는자기구성부품을통과하는 rms 전류입니다. R wdg 는코일저항입니다. 이저항은 DC 저항, 스킨효과및근접효과에따라달라집니다. 오실로스코프를통한자기전력손실측정전체전력손실및코어손실은코어판매업체의데이터시트정보및전력측정소프트웨어를실행하는오실로스코프결과를사용하여신속하게산출할수있습니다. 두가지값을사용하여구리선손실을계산합니다. 다른전력손실요소를알고있는경우자기구성부품의전력손실원인을파악할수있습니다. 자기구성부품전력손실을계산하는방법은측정대상구성부품의종류에따라결정됩니다. 테스트대상장치에는단일코일인덕터, 다중코일인덕터또는변환기가포함됩니다. 그림 21은 TDSPWR3 소프트웨어를사용하여단일코일인덕터의측정결과를표시합니다. 채널 1( 노란색영역 ) 은인덕터전반에걸친전압이고채널 2( 파란색영역 ) 는인덕터를통과하는전류를비간섭전류프로브로측정한것입니다. TDSPWR3 패키지는자동으로계산하여전력손실값을표시하며여기서는 173.95밀리와트로표시됩니다. TDSPWR3 패키지는비주기적파형또는 " 버스트 " 신호특성을보여주기위해게이트된측정을제공합니다. 활성전력계수제어 (PFC) 를통해장치의인덕터에대한일반적인신호시나리오는그림 22와같이표시되며게이트된측정결과를나타냅니다. 그림 20. 여러스위칭주파수의코어손실및플럭스밀도플롯. 다중코일인덕터의경우약간다른접근방식이필요합니다. 전체전력손실은개별코일의손실합계입니다 : 변환기의전력손실계산을추가하면공식은다음과같습니다 : 1차코일에서측정한전력손실에는 2차코일의반영된전력이포함됩니다. 따라서 1차및2차코일의전력을측정하고변환기방정식을사용하여전력손실을계산해야합니다. 14 www.tektronix.com/power
그림 21. TDSPWR3 에의해측정된단일코일인덕터에서의전력손실 그림 23. 자기요소의일반 B-H( 자화 ) 플롯 SMPS 내에서작동하는자기구성부품의작동영역을특성화하는것은전력공급기의안정성을결정하는데매우중요합니다. 측정절차에는이력현상루프구성및다음사항이포함됩니다 : 포화플럭스밀도 (B peak ) 그림 22. 활성 PFC 회로의인덕터에서전력손실 측정된피크플럭스밀도가판매업체데이터시트의포화플럭스밀도와일치하는경우자기구성부품은포화상태로진행됩니다. 이것은전력공급기의안정성에영향을줍니다. 잔류플럭스밀도 (B r ) 자기특성기본사항스위치모드전력공급기는광범위한작동조건에서안정적이어야합니다. 최적의성능을위해설계자는일반적으로제조업체가제공하는 B-H( 이력현상 ) 곡선을사용하여변환기및인덕터와같은자기구성부품을지정합니다. 이러한곡선은자기장치코어재질의성능엔벨로프를정의합니다. 작동전압, 전류, 토폴로지및컨버터종류를포함한여러요소는이력현상곡선의선형영역내에서유지되어야합니다. 그러나이러한여러변수를선형영역내에서유지하는것은쉽지않습니다. 보자력 (H c ) 투자율 (U) B-H 플롯은자기특성을특성화합니다. 그림 23은사인여자에대한일반적인 B-H 플롯을표시합니다. B-H 플롯측정을수행하려면다음정보가초기단계부터필요합니다 : 자기구성부품의전압자화전류회전수 (N) 자기길이 (l) 단면적 (A e ) www.tektronix.com/power 15
이러한변수는그림 22 에적용된다음정의에사용됩니다. 자계강도 (H) 는테스트대상재질의자기플럭스를유도하 는데사용되는자계입니다. 단위는 A/m 로표시됩니다. 여기서 N은회전수이며 I는자기길이입니다. 포화플럭스밀도 (Bs) 는외부에서적용된필드인 H의크기에관계없이재질에유도될수있는최대자기플럭스밀도입니다. 및 : 잔류자기 (Br) 는외부에서적용된자계 (H) 가이력현상루프를발생하는동안 0으로반환된후재질에남아있는유도자기플럭스밀도입니다. 보자력 (Hc) 은 H축과이력현상루프의교차지점에서의 H 값입니다. 이것은이력현상루프의측정주기동안유도플럭스밀도 (B) 에의해0에도달하는데필요한외부필드를의미합니다. H c 는양의축과음의축에대해대칭관계에있습니다. 초기투자율 (µi) 은 H가 0에도달할때필드 (H) 를적용하기위한유도자기플럭스밀도 (B) 의비율입니다. 이력현상루프의특정지점에서 B와 H의비율입니다. 또한최대진폭투자율은이력현상루프의양의주기첫번째분기에서 B와 H의최대비율입니다. 시작지점에서사선으로그려진선입니다. 그림 24. 다중코일자기요소 인덕터는전력공급기의입력및출력에서필터로사용되며단일또는다중코일을가질수있습니다. 인덕터전압및전류는다음방정식을따릅니다 : 일반적인 DC-DC 컨버터의경우코일의플럭스는다음과같이표현됩니다 : 자기특성을측정하려면다음정보가필요합니다 : 자기구성부품의전압자화전류회전수 (N) 자기길이 (l) 및 : 그림 24는이중인덕터또는변환기에사용할수있는일반적인다중코일자기요소를표시합니다. 단면적 (A e ) 16 www.tektronix.com/power
그림 25. 단일코일인덕터의 B-H 플롯 그림 26. 변환기의 B-H 플롯 이회로의작동과관련하여적용되는전기방정식은다음과같습니다. 및및순자화전류를계산하려면 i 1 (t), i 2 (t) 및 i 3 (t). 을측정해야합니다. 순자화전류가제공된경우 B-H 분석절차는단일코일인덕터에사용된절차와비슷합니다. 플럭스는순자화전류에따라결정됩니다. 모든코일에서측정된전류의벡터합은자화전류를발생시킵니다. 오실로스코프를통한자기특성측정 Tektronix TDSPWR3 패키지와같은전용전력측정소프트웨어는오실로스코프를통해자기특성측정을상당히단순화시킬수있습니다. 여러인스턴스의경우전압및자화전류를측정하는경우에만필요합니다. 소프트웨어는사용자에게맞게자기특성측정계산을수행합니다. 그림 25는단일코일인덕터에서의 TDSPWR3 자기특성측정결과를표시하고그림 26은변환기측정과동일한화면을표시합니다. 그림 26에서채널 1( 노란색영역 ) 은변환기전반에걸친전압이고채널 2( 파란색영역 ) 는 1차코일을통과하는전류이며채널 3( 자홍색영역 ) 은 2차코일을통과하는전류입니다. 소프트웨어는채널 2및채널3 데이터를사용하여자화전류를결정합니다. 테스트회전수를설정하려면자기길이및코어단면적을먼저입력해야합니다. 소프트웨어는이정보를사용하여자기구성부품에대한정확한 B-H 플롯을구성하고성능을특성화할수있습니다. TDSPWR3 소프트웨어는획득한메모리에서각주기별 B-H 플롯을계산합니다. 최대플럭스밀도를가진 B-H 플롯은그림 26의왼쪽하단창에표시됩니다. 여기서 B-H 플롯, B peak, H max, 및투자율을측정하여표시합니다. 또한 TDSPWR3 소프트웨어는코어손실에비례하기때문에잔결전류를측정할수있습니다. 전력라인측정 전력라인측정은공급기의상호작용및서비스환경을특성화합니다. 전력공급기는개인용컴퓨터의소형팬공급상자에서공장모터에전력을공급하는여러크기의장치, 폰뱅크및서버를지원하는대용량공급기에이르기까지다양한크기를가질수있습니다이러한공급기는전원을공급하는수신전원 ( 일반적으로유틸리티전원 ) 에의해영향을받습니다. 전력공급기의수신전원영향을파악하려면입력전력라인에서전력전압및전류매개변수를직접측정해야합니다. www.tektronix.com/power 17
그림 27. SMPS 전력공급기 (1 차코일만해당 ) 및전력품질측정테스트지점에대한개략도. 전력품질측정을위해순간적인입력 V AC 및 I AC 판독을수행해야합니다. 전력품질측정기본사항 SMPS에서의전력품질측정전력품질은전기발전기에의해서만결정되지않습니다. 또한전력공급기의설계및제조업체, 최종사용자의로드에의해서도결정됩니다. 전력공급기의전력품질특성은전력공급기의 " 상태 " 를정의합니다. 실제전력라인은이상적인사인파를제공하지않으며라인에항상일부왜곡과불순상태가존재합니다. 스위칭전력공급기는소스에비선형적인로드를제공합니다. 이러한이유로전압및전류파형은일치하지않습니다. 전류는입력주기일부에서인가되기때문에입력전류파형에고조파가발생하는원인이됩니다. 이러한왜곡현상의영향을파악하는것은전력엔지니어링에있어서중요한사항입니다. 전력라인의전력소비및왜곡을파악하려면그림 27에표시된전압및전류테스트지점과같이입력단계에서전력품질측정을수행합니다. 전력품질측정에는다음과같은사항이포함됩니다 : 유효전력피상전력또는무효전력전력계수크레스트율 EN61000-3-2 표준에의한전류고조파측정 THD( 총고조파왜곡 ) 오실로스코프를통한전력품질측정 적절한도구사용 TDSPWR3과같이소프트웨어패키지를실행하는디지털오실로스코프 (TDS5000B 시리즈와같은 DSO 또는 DPO) 는전력품질측정을위해전통적으로사용하는전력측정기및고조파분석기를대신하는강력한도구입니다. 기존의도구세트보다오실로스코프를사용하면여러가지혜택을받을수있습니다. 장비는기본고조파중최대 50 번째고조파구성요소를포착할수있어야합니다. 전력라인주파수는해당지역표준에따라일반적으로 50Hz 또는 60Hz입니다. 일부군사및항공전자장비애플리케이션의경우라인주파수는 400Hz입니다. 물론신호착오가고주파수영역에포함될수있습니다. 오늘날고속오실로스코프의경우초과샘플링 (TDS5000B 시리즈의경우최대 5기가샘플 / 초 ) 으로인해빠르게변화하는이벤트를상당히세부적으로 ( 해상도 ) 포착합니다. 반대로전통적인전력측정기는상대적으로느린반응시간으로인해신호세부정보를포착하지못할수있습니다. 오실로스코프의레코드길이는매우높은샘플링해상도에서도정수단위로주기를획득하기에충분합니다. 소프트웨어도구는신속하게측정절차를수행하고설정시간을최소화합니다. 대부분의전력품질측정은오실로스코프자체에서실행하는완벽한기능의전력측정소프트웨어를통해초단위로수행되는긴절차를자동화할수있습니다. 수동계산절차를줄일수있기때문에오실로스코프는매우다목적이고효율적인전력측정기역할을수행합니다. 18 www.tektronix.com/power
그림 28은 TDS5000B 시리즈오실로스코프와 TDSPWR3 측정및분석소프트웨어를사용하여획득한전력품질및전류고조파판독결과를표시합니다. 디스플레이는유효전력, 피상전력, 크레스트율, 총고조파왜곡, 전력계수를포함한전반적인측정결과와전류고조파에대한막대그래프를표시합니다. 결론 그림 28. TDS5000B 시리즈오실로스코프와 TDSPWR3 측정및분석소프트웨어를사용하여측정한전력품질결과 또한오실로스코프프로브는안전하고안정된전력측정을지원합니다. 전력애플리케이션용으로설계된고전압차동프로브는플로팅전압신호관찰에적합한도구입니다. 전류프로빙은특별히고려할부분입니다. 다음과같은여러가지전류프로빙구현방법이있습니다 : AC 전류프로브는전류변환기 (CT) 기술을기반으로합니다. CT 프로브는비간섭적이지만신호에서 DC 구성요소를인식할수없기때문에측정이정확하지않습니다. 전류분류기이설계는회로인터럽트가필요하며프로브자체내에서전압강하를일으켜전력측정정확성을떨어뜨릴수있습니다. AC/DC 전류프로브는일반적으로홀효과센서기술을기반으로합니다. 이장치는 AC/DC 전류를간섭없이감지하고하나의연결을통해 AC 및 DC 구성요소를판독할수있습니다. AC/DC 전류프로브는스위치모드전력공급기의전력품질측정에적합한도구입니다. 전력공급기는거의모든유형의라인가동식전자제품에장착되어있으며스위치모드전력공급기 (SMPS) 는디지털컴퓨팅, 네트워킹및통신시스템의기본아키텍처가되고있습니다. 단일스위치모드전력공급기의성능또는결함은대용량의고가시스템수명에영향을줄수있습니다. 측정은주목받고있는 SMPS 설계의신뢰성, 안정성, 표준및안전성을보장하는유일한방법입니다. SMPS 측정은활성장치측정, 패시브장치측정 ( 대부분자기장치 ) 및전력품질테스트의세가지주요범주로나눌수있습니다. 일부측정은플로팅전압및고전류와관계있으며기타측정은의미있는결과를얻기위해수학적분석을필요로합니다. 전력공급기측정은복잡할수있습니다. 최신디지털오실로스코프는특성화및측정문제해결에적합한도구입니다. Tektronix TDS5000B 시리즈의 DPO와같은오실로스코프는적절한프로빙도구및자동측정소프트웨어를설치한경우SMPS 측정과정을상당히단순화하여신속하고정확한결과를제공합니다. 비간섭전류프로빙과같은기술은회로무결성을유지하고평활화필터와같은소프트웨어기반도구는반복가능한결과를보장합니다. 또한복잡한수학과정을통합된소프트웨어를통해자동으로처리합니다. 기능이다목적이면서사용하기간편하기때문에오실로스코프는전력공급기설계실의여러가지전통적인단일기능도구를대체하고있습니다. 오실로스코프를통한전력품질측정 TDS5054B와같은DPO에 TDSPWR3 소프트웨어가장착되어있는경우완벽한자동화전력측정플랫폼으로변환됩니다. 소프트웨어가자동으로오실로스코프와초기측정매개변수를설정합니다. 원하는경우수동으로미세조정을수행할수있습니다. www.tektronix.com/power 19
TDS5000B TDS5000B 시리즈는업계최초로쉽게사용자정의할수있는오실로스코프사용자인터페이스를제공합니다. MyScope 창은작업에서원하는중요한제어, 기능및용량만으로제어창을구축할수있는혁신적인새로운기능입니다. 처음으로오실로스코프의다양한부분에서필요한모든기능을하나의제어창에집어넣어오실로스코프기능을각사용자에맞게효과적으로사용자정의한 " 도구상자 " 를만들수있습니다. TDSPWR3 TDSPWR3 전력측정및분석소프트웨어는 Tektronix 디지털오실로스코프를전력공급스위칭장치및자기구성요소의전력방출을신속하게측정하고분석하는정교한분석도구로바꾸어주며사용자가지정한형식으로상세한테스트보고서를생성합니다. 전력공급설계및테스트를위한완전한측정시스템을구축하려면 TDSPWR3을 Tektronix TDS5000B, TDS/CSA7000B 또는 TDS6000 시리즈오실로스코프그리고차동전압및전류프로브와함께사용하십시오. 디지털포스퍼오실로스코프 (DPO) 디지털포스퍼오실로스코프 (DPOs) 를통해설계자는다른오실로스코프보다훨씬신속하고간편하며정확하게실시간으로동적신호정보를포착, 표시및측정할수있기때문에직렬버스설계를통해바쁜일정을준수하고또한오류가있는문제를신속하게해결할수있습니다. Tektronix 연락처 : ASEAN/ 호주 / 파키스탄 (65) 6356 3900 남아프리카 +27 11 254 8360 네덜란드 090 02 021797 노르웨이 800 16098 대만 886 (2) 2722-9622 대한민국 82 (2) 528-5299 덴마크 80 88 1401 독일 +49 (221) 94 77 400 러시아, CIS 및발트해 7 095 775 1064 룩셈부르크 +44 (0) 1344 392400 멕시코, 중앙아메리카및카리브해 52 (55) 56666-333 미국 1 (800) 426-2200 미국 ( 수출영업 ) 1 (503) 627-1916 발칸, 이스라엘, 남아프리카및다른 ISE 국가 +41 52 675 3777 벨기에 07 81 60166 브라질및남아메리카 55 (11) 3741-8360 스웨덴 020 08 80371 스위스 +41 52 675 3777 스페인 +34 (901) 988 054 영국및아일랜드 +44 (0) 1344 392400 오스트리아 +41 52 675 3777 이탈리아 +39 (02) 25086 1 인도 (91) 80-22275577 일본 81 (3) 6714-3010 중국 86 (10) 6235 1230 중동, 아시아및북아프리카 +41 52 675 3777 중동부유럽, 우크라이나및발트해국가 +41 52 675 3777 중유럽및그리스 +41 52 675 3777 캐나다 1 (800) 661-5625 포르투갈 80 08 12370 폴란드 +41 52 675 3777 프랑스및북아프리카 +33 (0) 1 69 81 81 핀란드 +41 52 675 3777 홍콩 (852) 2585-6688 기타지역은 Tektronix, Inc. 1 (503) 627-7111번으로문의하십시오. 마지막업데이트날짜 : 2004년 11월 3일 추가정보 Tektronix 는애플리케이션노트, 기술요약및기타리소스모음을지속적으로폭넓게제공함으로써최신기술분야에종사하고있는엔지니어에게도움을주고있습니다. www.tektronix.com 을방문해주십시오. Copyright 2005, Tektronix, Inc. All rights reserved. Tektronix 제품은출원되었거나출원중인미국및외국특허에의해보호됩니다. 본출판물에있는정보는이전에출판된모든자료를대체합니다. 본사는사양과가격을변경할권리를보유합니다. TEKTRONIX 및 TEK 는 Tektronix, Inc. 의등록상표입니다. 참조되는다른모든상표이름은해당회사의서비스마크, 상표또는등록상표입니다. 01/05 DM/BT 55K-18412-0