R&S®Essentials | DC Power supplies fundamentals
작성자: 테스트 및 계측 전문가 겸 블로거 James Lewis
SMU(Source Measurement Unit)는 전자기기 테스트 및 측정 시 다양한 용도로 사용 가능한 기기입니다. SMU는 전압 및 전류를 정확하게 측정하며 전원 공급기와 전자 부하기로도 작동할 수 있습니다. 이와 같은 유연성을 제공하는 SMU는 IoT 및 무선 기기를 담당하는 엔지니어에게 없어서는 안 될 필수 툴입니다.
SMU(소스 측정 장치)는 전원 공급기와 전자 부하기, 고분해능 디지털 멀티미터를 단일 기기에 결합한 테스트 기기입니다. SMU는 반도체를 특성분석하거나 마이크로컨트롤러의 전력 소비를 모니터링하는 데 사용할 수 있으며 IoT 기기의 배터리를 시뮬레이션할 수도 있습니다.
SMU와 벤치 전원 공급기의 가장 큰 차이점은 SMU는 소스 및 싱크 전류로 작동할 뿐만 아니라 높은 리드백/프로그래밍 분해능을 제공한다는 것입니다.
SMU는 동적 변화를 추적할 수 있습니다. 예를 들어, Bluetooth® Low energy 장치는 한 자릿수 나노앰프 단위의 전류를 허용할 수 있지만 절전 모드에서는 센서를 읽고 결과를 전송하면서 몇 백 밀리앰프를 사용할 수 있습니다. SMU는 DUT에 전원을 공급하면서 이러한 두 가지 전류 대역을 모두 측정할 수 있습니다.
SMU 측정은 반도체 기기의 특성분석도 지원합니다. 4-quadrant SMU 출력 단말은 극성과 상관없이 소스 또는 싱크로 작동합니다. 따라서 단일 기기를 사용해 다이오드와 같은 반도체 기기의 순방향/역방향 특성을 분석할 수 있습니다.
다섯 가지 SMU 애플리케이션과 이를 이용해 DUT를 특성분석하는 방법에 대해 자세히 읽어보십시오.
SMU에는 기본적으로 세 가지 기기가 통합되어 있어 다양한 목적을 지원합니다. 입문자의 경우 SMU를 과전압 차단, 전류 제한 등의 안전 기능이 탑재된 벤치 전원 공급기로 사용할 수 있습니다. 또한, 기본 탑재된 6.5자릿수 멀티미터는 DUT에서 사용할 전력을 소싱하는 동시에 전압, 전류, 전력 소비를 측정할 수 있습니다.
독립형 벤치 전원 공급기와 달리, 2-quadrant SMU는 소스 또는 싱크가 될 수 있습니다. SMU는 싱크로 작동할 때 전자 부하기와 유사한 방식으로 작동합니다. 전자 부하기는 프로그래밍 가능한 레지스터와 같습니다. 정전압을 강하하는 모드, 정전류를 허용하는 모드 또는 DUT에 정저항를 적용하는 모드에 부하를 가할 수 있습니다.
R&S(R)NGU201 시리즈와 같은 SMU(소스 측정 장치)는 소스와 부하 사이를 자동으로 전환할 수 있습니다. 이와 같은 유연성은 기기에서 배터리의 충전/방전 동작을 시뮬레이션할 수 있다는 것을 의미합니다.
SMU에 내장된 디지털 멀티미터는 소스 또는 부하로 작동하여 전압, 전류, 전력 소비를 모니터링할 수 있습니다. 전면 패널에서 또는 원격 프로그래밍 명령을 통해 순시 값을 확인하는 데 유용합니다. 하지만, 기기를 특성분석할 때에는 시간의 경과에 따라 이러한 값이 어떻게 변하는가를 확인하는 것이 중요합니다.
SMU는 이러한 측정값을 초당 최대 500,000회(50만 샘플/초)까지 샘플링할 수 있습니다. 이러한 방식으로 SMU를 데이터 로깅 기기로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 샘플링한 데이터를 USB 드라이브에 CSV 파일로 저장해 자세한 분석을 수행할 수 있습니다. 또는 전면 패널 디스플레이에 트렌드를 직접 표시할 수 있습니다.
이와 같이 로깅 정보를 캡처하는 것 외에도, SMU의 "감지 입력"을 사용해 정확도를 개선할 수 있습니다. SMU와 DUT 사이 케이블에서 손실이 발생하므로 전면 패널 커넥터의 전압은 DUT에 표시되는 전압보다 높습니다. 전용 "감지" 입력을 사용하고 DUT 입력에 별도 케이블을 연결하면 SMU에서 이러한 손실을 보상하고 더욱 정확한 측정값을 제공할 수 있습니다.
특히 R&S®NGU201에는 추가적인 개선 사항이 있습니다. 이 기기는 회로 내 임의 위치에 배치할 수 있는 DVM(디지털 전압계)을 옵션으로 제공합니다. 예를 들어, 배터리의 상태 또는 Point-of-Load 변환기의 출력을 모니터링할 수 있습니다. 이 DVM은 전면 패널을 모니터링하는 전압 측정과 동시에 작동하며 채널과 갈바닉 절연 처리되어 있습니다.
저전력 대기 상태를 구현하고 무선 송신기가 있는 기기는 나노앰프부터 앰프까지 동적 전류가 필요합니다. SMU는 DUT에 전력을 공급하는 동시에 이와 같이 넓은 전류 범위를 정확하게 측정할 수 있습니다.
DUT가 작동 상태를 변경하면 전류 소비가 급격히 달라집니다. 벤치 전원 공급기는 부하 변화에 대응하는 데 약간의 시간이 필요합니다. 기존 독립형 전원 공급기는 이러한 전환에 적절히 대응하지 않을 수 있습니다. 반면 R&S®NGU 시리즈와 같은 기기는 부하 응답 변화에 대해 30마이크로초 이내에 대응할 수 있습니다.
반도체 기기를 특성분석할 때에는 일반적으로 순방향/역방향 극성으로 전류를 싱크하고 소싱해야 합니다. 예를 들어 다이오드를 가정해 보겠습니다.
다이오드의 전류-전압(IV) 곡선을 그리려면 양의 순방향 전압에 도달할 때까지 음 전압에서 가져온 전류를 측정해야 합니다. 기존 전원 공급기 또는 2-quadrant SMU는 음의 전압을 공급할 수 있지만 음과 양 사이에서 전환할 경우 수동 개입이 필요합니다(즉, 프로브를 물리적으로 변경해야 함). 하지만, 4-quadrant SMU는 전압 대역을 스윕하면서 음 출력에서 양 출력으로 원활히 스위칭할 수 있습니다.
배터리 구동 장치의 작동 시간과 관련해 다양한 과제가 있습니다. 한 가지 과제는 배터리가 에너지를 화학적으로 저장한다는 것입니다. 그 결과, 화학, 온도, 부하에 따라 전원 공급이 변동합니다. 다른 과제는 DC-DC 컨버터의 효율성에 따라 입력 전압과 출력 부하가 달라진다는 것입니다.
특히 리튬-이온, 리튬 폴리머와 같은 다른 화학을 시도해 보려는 경우에는 물리적 배터리에서 가능성이 있는 모든 변동 사항을 테스트하는 것은 실현 불가능합니다. 하지만 R&S®NGU와 같은 SMU는 배터리를 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한, 사용자 정의 프로필을 사용하면 환경 조건에 더욱 적합한 방식으로 프로그래밍할 수 있습니다.
SMU는 추가 기기를 사용하지 않고 다양한 조건에서 기기가 얼마나 오래 작동할 것인가를 특성분석할 수 있습니다. 이 점이 SMU를 사용해 배터리를 시뮬레이션하는 방식의 가장 큰 이점입니다.
또한 기기가 배터리를 재충전하는 성능도 평가 사항입니다. SMU를 전하 부하기로 사용한다는 것은 전지를 부착하지 않은 상태, 과전압, 저전압, 배터리 단락 등의 상황을 시뮬레이션할 수 있다는 것을 의미합니다.
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