파워 컨버터는 어떠한 환경에서도 안정적으로 동작해야 합니다. 대부분의 컨버터 유형은 부하 스텝, 시작/셧다운 시퀀스, 입력 전압 변동 등의 각각 다른 동작 조건이 적용됩니다. 표준 피드백 컨트롤 루프 이외에도, 일체형 PWM(Pulse WIdth Modulation) 컨트롤러가 라인 피드-포워드 루프 컨트롤, 소프트 스타트 컨트롤과 같은 확장 기능을 제공합니다. 이렇게 확장된 컨트롤 기능은 특정한 조건에서의 조절 능력을 개선시킵니다. 이와 같은 복합적인 조절 시스템은 모든 상황에서 컨버터가 정상 작동할 수 있도록 제어하는 스마트한 방법이 필요합니다. 따라서 광범위한 전문지식과 적절한 측정 툴을 이용하여 시스템 내 예기치 않은 이벤트를 식별하고 위치를 찾아야 합니다.
R&S®MXO 5 시리즈 오실로스코프
목표
모든 동작 모드에서 파워 컨버터의 설계와 그 안정성을 검증해야 합니다. 일반적으로 다양한 기능을 제공하는 PWM 컨트롤러는 복잡성이 증가하기 때문에 스마트한 검증 프로세스가 필요합니다. 예를 들어 라인 피드-포워드 루프 컨트롤, 소프트 스타트 컨트롤가 있습니다.
소프트 스타트 컨트롤은 특정 모드입니다. 컨버터가 시작되면 포지티브 듀티 사이클이 점차 증가하면서 출력 전압이 서서히 높아집니다.
이 시간 동안 듀티 사이클은 출력 전압이 평형 상태 조건에 도달할 때까지 매우 낮은 수치에서 높은 수치로 변동합니다. 시퀀스가 완료되면 표준 컨트롤 피드백 루프가 출력 전압을 목표 값으로 조절합니다. 또한 입력 전압이 급격히 변동하는 동안 출력 전압 조절을 최적화하기 위해 라인 피드-포워드 루프가 활성화될 수 있습니다. 두 가지 컨트롤 메커니즘이 공존하므로, 예기치 않거나 불안정한 작동을 탐지하고 위치를 찾아내는 것은 어렵습니다. 노이즈는 스위칭 컨버터 설계에 자연적으로 존재하며 이로 인해 루프가 부적절하게 조절될 수 있습니다. 돌발적인 불안정 루프는 전압 변동을 트리거하여 탐지할 수 있습니다. 하지만 듀티 사이클을 이용해 동력 장치를 조절하는 방식으로 출력 전압을 일정하게 유지할 수 있으므로, 포지티브 듀티 사이클의 폭을 모니터링하는 방법이 훨씬 효과적입니다. 이와 같이 복합적 컨트롤 시스템에서 불규칙한 이벤트를 탐지하려면 복합적인 트리거링 기능이 필수적입니다.
로데슈바르즈 솔루션
R&S®MXO 5 오실로스코프는 디지털 트리거 기술을 이용하므로 이와 같이 까다로운 작업에 최적입니다. 디지털 트리거는 High Definition 모드에서 0.0001/div의 고감도 트리거와 최대 18비트 분해능을 제공합니다. 소프트 스타트 시간 이후의 포지티브 듀티 사이클 변동을 찾기 위해서는 두 가지 트리거 조건이 필수적이기 때문에 복합적인 트리거 조건 정의가 필요할 수 있습니다. 그림 1은 컨버터 시작 시 트리거 조건을 보여줍니다.
A 트리거 조건은 소프트 스타트 램프(Ramp)의 끝을 탐지할 때 적용하며 출력 전압이 정의된 범위 이내여야 하는 윈도우 트리거로 구성합니다. B 조건의 트리거 유형은 대역폭으로 지정해야 합니다.
대역폭 트리거는 포지티브 듀티 사이클에 정의된 범위를 벗어나는 모든 값을 탐지합니다. 라인 피드-포워드 컨트롤 필터 설계가 잘못되었을 경우 값이 범위를 쉽게 벗어날 수 있습니다. 하지만 컨버터가 평형 상태일 경우에는 듀티 사이클이 크게 변동하지 않습니다. 몇 가지 예기치 않은 이벤트로 인해 포지티브 듀티 사이클이 유효 범위를 벗어날 경우 B 조건이 트리거되고 획득은 정지합니다. 그러면 해당 특정 이벤트를 격리할 수 있으며 사용자가 해당 불규칙 컨트롤 이벤트의 근본 원인을 발견할 수 있습니다.
애플리케이션
풀 브릿지 토폴로지의 동기 정류형 DC/DC 스위칭 컨버터를 사용해 복합 트리거 기능을 보여줄 수 있습니다. 절연 컨버터(Isolated Converter)는 100 kHz 스위칭 주파수에서 작동하며 48 V 입력 전압을 12 V 출력 전압으로 변환합니다. 출력 전류는 최대 8 A로 지정됩니다. 이 애플리케이션에 사용된 디지털 컨트롤러를 사용하면 라인 피드-포워드 컨트롤을 활성화, 비활성화, 수정할 수 있습니다.
기기 셋업
부하 트랜션트 측정
셋업을 마치면 컨버터가 시작되고 소프트 스타트 절차가 실행됩니다. 트리거가 A 조건에 대해 유효한 트리거를 탐지하는 즉시 기기는 듀티 사이클 측정의 변동을 기다립니다. 소프트 스타트 후 부하가 일정한 상황이라면 듀티 사이클이 일정하게 유지되어야 하므로 기기는 B 조건에서 트리거되지 않습니다.
이 복합 트리거 시퀀스를 보여주기 위해 부적절한 디지털 필터가 설계된 컨버터 컨트롤러 내애 라인 피드-포워드 기능을 활성화했습니다. 그 결과, B 조건에서도 기기가 트리거되었습니다. 그림 5는 기록된 측정이며, 여기서 출력 전압은 채널 1에서 측정하고 입력 전압은 채널 3에서 측정한 것입니다. 채널 2는 컨트롤러의 내부 신호, 즉, 이차 사이드(Secondary side)에 대한 입력 전압을 나타냅니다. M2 채널은 로우패스 필터로 필터링된 채널 2를 보여줍니다. 또한, PWM 컨트롤 신호(채널 4)와 포지티브 듀티 사이클의 트랙 파형이 아래쪽에 표시되어 있습니다.
소프트 스타트 시퀀스 후 3초가 경과되면 듀티 사이클에 포지티브 스텝이 나타나고, 이어서 네거티브 강하가 나타나므로 기기가 B 조건에서 트리거합니다. 이 듀티 사이클 변동은 라인 피드 포워드가 활성화된 때에만 존재합니다. 이제 복합 트리거 시퀀스로 획득 길이 최적화가 가능하므로 다음 단계에서는 획득 길이를 최적화합니다. 결과는 그림 6에 표시되어 있습니다.
이 경우 더 많은 디테일을 더욱 자세히 볼 수 있으므로 사용자가 시스템을 더 잘 파악할 수 있습니다. 이제 사용자는 프로세스를 시작하고 근본 원인을 매우 효율적으로 찾을 수 있습니다.
요약
R&S®MXO 5 오실로스코프는 파워 컨버터의 컨트롤 루프에서 불규칙적 이벤트를 식별하는 데 최적의 기기입니다. 사용자는 이러한 디지털 트리거 기술을 이용해 복합 트리거 이벤트를 정의하고 근본 원인을 효율적으로 격리할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 대용량 메모리가 탑재되어 있으므로 긴 획득 시간 동안 높은 샘플 레이트가 요구되는 듀티 사이클 트랙과 같은 기능을 추가할 수 있습니다. R&S®MXO 5 오실로스코프는 파워 컨버터 설계의 작동을 검증 및 파악하는 데 최적화되어 있습니다.
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