혼합 신호 전력 설계에서 스펙트럼의 불규칙적인 이상 신호 탐지

목표

브러시 DC 모터용 모터 드라이버같은 전력 설계에서는 아날로그 회로와 디지털 회로가 동일한 인쇄회로기판에 탑재됩니다. 개발자는 특히 전력 라인에서 전도성 방출과 관련된 복잡성을 고려해야 합니다. 인쇄회로기판을 올바르게 설계하지 않을 경우, 마이크로 컨트롤러 클록 또는 버스 통신(SPI 등)으로 인해 방출이 증가할 수 있습니다. 버스 활동은 다른 외부 시스템 컨트롤러에 의해 시작되는 경우가 많기 때문에 지속적으로 실행되지 않을 수 있습니다. 전력 라인에서 전도성 방출을 측정하는 동안 이러한 버스 활동으로 인해 주파수 스펙트럼에서 불규칙적인 이벤트가 나타날 수 있습니다. 오실로스코프는 개발 과정에서 전도성 방출의 디버깅을 위한 기본적인 측정 장비입니다. 하지만 기본적인 FFT 기능만 탑재한 오실로스코프는 스펙트럼 상에서 매우 짧고 불규칙한 이벤트를 탐지할 경우에 한계가 분명합니다.왜냐하면 FFT 스펙트럼을 표시하기 위한 계산 과정에서 많은 시간이 소요되기 때문입니다. FFT 스펙트럼을 계산하는 동안 짧고 불규칙적이며 드문 이벤트가 발생한다면 탐지하지 못할 수도 있습니다. 근본 원인을 찾고 해결하기 위해서는 훨씬 빠른 FFT 성능이 필수적입니다.

로데슈바르즈 솔루션

R&S®MXO 5 Series Oscilloscope는 스펙트럼을 측정하고 전도성 방출에 대한 정보를 빠르고 자세히 제공하는 복잡한 작업에 최적입니다. 빠른 FFT 기능이 구현되어 있어 스펙트럼을 최고 45,000 FFT/s로 획득할 수 있습니다. 저노이즈 아날로그 프론트엔드를 통해 드물게 발생하는 이벤트까지 매우 정확하고 효율적으로 탐지할 수 있습니다.

뿐만 아니라 FFT는 타임 도메인 설정과 독립적이므로 EMI 디버깅에 매우 유리합니다. 기본적인 FFT 기능만 구현된 시스템에서는 분해능 대역폭으로 인해 FFT의 업데이트 속도가 크게 감소할 수 있습니다. 니어필드 프로브를 사용하면 시스템의 노이즈 소스를 찾을 수 있습니다. 이 경우에도 빠른 FFT가 필요합니다. 안정적이며 재현 가능한 측정을 수행하려면 AMN(Artificial Mains Network)이 필요합니다.

애플리케이션

전도성 방출 스펙트럼에서 불규칙적 이벤트를 표시하기 위해 브러시 DC 모터가 연결된 일체형 하프 브릿지 드라이버를 사용하였습니다. 이 DUT(Device Under Test, 1페이지 그림 1 참조)는 하프 브릿지 2개를 포함한 전력부를 제공하며 SPI 버스를 통해 구성할 수 있습니다. 마이크로 컨트롤러가 버스에 연결되어 있으며, 이 마이크로 컨트롤러를 사용해 드라이버 상태를 모니터링하고 모터의 속도와 방향을 제어하고 있습니다. CAN 버스는 시스템 외부 모듈과 통신하는 데 사용합니다.

근본 원인 찾기

이 절차는 세 단계로 구분할 수 있습니다.

• 1단계: Persistence 모드(드물게 발생하는 이상 신호 강조 표시)에서 필수 표준(예: CISPR25)에 따라 전도성 방출의 측정을 수행합니다.
• 2단계: 다양한 크기의 전기 및 전자 니어필드 프로브를 적절히 사용해 근본 원인과 해당 위치를 찾습니다(특정 보드 기능과 상관관계가 있는 방출 탐지).
  참고: 비주기적인 현상에 대한 접근이 필요할 경우 Persistence 모드를 계속 활성화해야 합니다.
• 3단계: 스펙트럼과 탐지된 기능 간 상관관계를 찾은 후에는 무한 Persistence 모드를 비활성화하고 근본 원인일 가능성이 매우 높은 신호를 트리거합니다(측정을 통해 가정이 올바른지 또는 2단계를 반복해야 하는지 여부 확인).

측정 예

그림 2에 브러시 모터 애플리케이션의 전력 라인에 대한 전도성 방출 측정 결과가 나와 있습니다. Persistence 모드를 활성화한 상태에서 빠른 FFT를 구현할 경우 전체 스펙트럼에서 높은 방출의 원인이 되는 드문 이벤트를 탐지할 수 있습니다. 이 노이즈 인벨로프(흰색 화살표로 표시된 연노란색 영역 참조)는 광범위한 노이즈 소스(예: 버스 통신 또는 클록)로 인해 나타나는 일반적 특징을 나타냅니다. 전도성 방출 측정 후에는 니어필드 프로브를 사용하여 마이크로컨트롤러 옆의 SPI 데이터 트랙과 가까운 인쇄회로기판에서 유사한 특정을 가진 방출을 찾을 수 있습니다. 따라서 SPI 활동이 근본 원인일 가능성이 높다는 것을 가정할 수 있습니다.

마지막 단계에서 가정을 확정할 수 있습니다(그림 3 참조). 이 측정에서는 일반 트리거 모드를 활성화하고 패시브 프로브를 사용해 SPI 통신 포트를 측정합니다(채널 3). 동시에 스펙트럼이 표시됩니다. 결과를 통해 컨트롤러와 수신기 간 SPI 통신이 시작되는 즉시(트리거 이벤트) 디스플레이에 높고 광범위한 방출이 나타남을 확인할 수 있습니다. 이러한 상세 정보를 기반으로 전력 라인의 전도성 방출은 SPI 버스 활성화로 인한 것임을 특정할 수 있고, 이를 제한하기 위한 버스 활동을 정의해야 함을 알 수 있습니다.

요약

R&S®MXO 5 Series Oscilloscope는 불규칙적 방출이 발생할 수 있는 혼합 신호 애플리케이션에서 전도성 방출을 검증하기 위한 최적의 기기입니다. 45,000 FFT/s의 빠른 FFT 구현과 저노이즈 아날로그 프론트엔드로 혼합 신호 전력 설계의 주파수 스펙트럼에서 드물게 발생하는 이상 신호를 찾아낼 수 있습니다.