DC-DC 컨버퍼 효율성 검증

가장 정확한 효율성 측정

에너지를 효율적으로 사용하는 것은 많은 분야에서 핵심 요소로 꼽힙니다. 전력 변환기 설계 시, 90% 이상의 전력 효율이 요구되는 경우가 많습니다. 또한 전력 변환기를 최적화하기 위해서는 매우 정확한 전력 측정이 필요합니다. 고효율 전력 변환기 설계를 최종 생산 단계까지 개발하기 위해서는, 설계 엔지니어가 이 기능을 활용해 설계 과정 중 변환기 효율을 높일 수 있어야 합니다.

R&S®NGL202 Power Supply
R&S®NGL202 Power Supply

목표

많은 분야에서 효율성을 전력 변환기의 핵심 요소로 꼽습니다. 예를 들면 배터리를 최대한 이용하는 배터리 작동 방식의 IoT 분야나, DC 레일로 전원이 공급되는 소형 DCDC 변환기 분야가 있습니다. 효율성이 향상되면 배터리가 소형화되므로, 변환기 크기와 전반적인 시스템 투자 비용이 감소할 수 있습니다. 따라서 설계 단계에서 변환기의 효율성 측정을 통해, 생산 시스템 설치 비용 및 최종 생산물 생산 단가가 감소하는 혜택을 얻을 수 있습니다. 변환기의 효율성을 측정할 때, 전력의 입출력을 매우 정밀하게 측정해야 합니다. 설계 엔지니어는 점증식 설계 방식을 통해 설계 과정의 효율성을 높일 수 있습니다. 이 점증식 설계 방식은 설계 엔지니어가 설계를 수정할 때마다 효율성 개선을 평가해야 하는 몇 번의 작은 단계로 구성됩니다. 효율성 값을 평가하기가 까다로운 이유는 효율성 개선이 몇 번의 비교적 작은 설계 변화를 합한 결과이기 때문입니다. 전력 변환기 효율성 개선 과정을 지원하는 기기는 전력의 작은 변화도 탐지할 수 있어야 합니다. 전력을 측정하려면 가장 정확한 장비를 갖추어야 합니다.

DC-DC 스위칭 변환기 효율성 측정 셋업
DC-DC 스위칭 변환기 효율성 측정 셋업

로데슈바르즈 솔루션

R&S®NGM202 및 R&S®NGL202 Power Supply는 까다로운 소형 전력 변환기 작업에 최적입니다. Two-Quadrant 아키텍처를 적용하여 소스와 싱크로 모두 작동 가능하므로 최고의 유연성을 제공합니다. 한 대의 기기에 전압/전류의 입출력에 대한 매우 정밀한 Read-back 측정 기능을 구현하여, 매우 간단하게 효율성을 측정할 수 있습니다. R&S®NGM202 및 R&S®NGL202 Power Supply는 한 대의 기기에 모든 기능을 탑재해 DC 파워 서플라이, 추가 디지털 멀티미터 또는 전자 부하기가 필요하지 않습니다.

측정 셋업은 R&S®NGM202/R&S®NGL202와 두 채널에 연결된 DUT(Device under Test)로 구성됩니다. Remote sensing connection(옵션)은 고전류 측정 시의 측정 정확도를 높입니다.

입력 및 출력 전력이 화면에 표시됩니다
입력 및 출력 전력이 화면에 표시됩니다

장치 셋업

채널 1이 변환기에 필요한 전압과 전류를 공급하는 정전압 소스로 작동하도록 구성되었습니다. 두 번째 채널은 정전류 모드에서 변환기에 변환기 사양을 기준으로 유효한 작동 전류를 로드하는 부하기로 작동하도록 구성되었습니다. 입력과 출력 전압/전류는 내부에서 측정되므로, 계산한 입력 및 출력 전력을 화면에 표시할 수 있습니다.

다른 부하 설정에서 효율성 측정
다른 부하 설정에서 효율성 측정

기기 구성 순서

  • 채널 1을 소스로, 채널 2를 싱크로 활성화합니다.
  • 전압 소스의 전압 레벨을 조정하고 적절한 과전류 보호 레벨(DUT 최대 입력 전류의 20% 초과)을 설정합니다.
  • 그에 따라 DUT를 로드할 수 있도록 원하는 출력 전류를 설정합니다. 변환기가 작고 민감한 전류 보호 레벨을 제공하지 않는 경우, 사용자는 변환기를 시작하는 단계에서 DUT가 R&S®NGM202/R&S®NGL202 Power Supply의 내부 커패시턴스에 의해 로드되지 않도록 출력 전압을 적절히 설정해야 합니다. 최종 DUT 출력 전압보다 약간 낮게 기기 출력 전압을 설정하여, DUT의 과전류 탐지가 오작동하지 않도록 방지할 수 있습니다. 경험적으로 DUT의 최소 출력 전압보다 10% 낮게 전압을 설정합니다.
  • 출력을 켜서 채널을 활성화합니다.

사레 연구 - 5W DC-DC 스텝다운 변환기에서 효율성 측정

위 표에 나와 있는 각 부하 조건에서의 효율성 측정값은 이미 효율성을 최적화한 변환기임을 나타냅니다. DC-DC 변환기에 대한 제조업체 데이터시트에는 일반적으로 최적 배선에 대한 사양만 나와 있습니다. R&S®NGM202/R&S®NGL202에서는 개별 회로와 레이아웃의 효율성을 결정할 수 있습니다. 이러한 값은 데이터시트에 나열된 값과 큰 차이가 날 수 있습니다.

즉, 효율성 향상을 위한 최적화 과정을 거치는 것 외에, 설계 엔지니어는 여러 번의 측정을 수행해 모든 상황에서 효율성을 검증해야 합니다. 이러한 작업은 R&S®NGM202/R&S®NGL202의 원격 제어 기능으로 크게 줄일 수 있습니다. 예를 들어 외부 스크립트와 소프트웨어를 사용해 효율성 추적을 자동으로 생성할 수 있습니다. 설계 엔지니어는 이러한 자동 방식으로 시간을 절감하고, 수동 최적화 과정에서 발생 가능한 휴먼 에러를 방지할 수 있습니다.

요약

R&S®NGM202/R&S®NGL202 Power Supply Solution은 한 대의 기기로 중요한 DCDC 변환기 효율성을 측정, 평가, 최적화할 수 있는 뛰어난 기능과 성능을 제공합니다. 설계자는 이와 같이 향상된 측정 기능을 통해 매우 효율적으로 제품을 설계할 수 있습니다. 또한, 개발 과정에서 드는 시간과 노력을 줄일 수 있습니다.

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