벤치톱 전원 공급 장치의 프로그래밍 가능성, 네트워킹 및 리드리스 원격 감지 기능 적용

전원 공급 장치는 광범위한 등급, 물리적 크기 및 폼 팩터로 제공됩니다. 특히, 웨어러블과 같은 전력 제한이 있는 응용 분야에서는 일반적으로 크기, 효율성 및 비용에 최적화되지만, 장치를 배포하여 사용할 때 전원 공급 장치(PSU) 파라미터를 조정해야 하는 응용 분야도 있습니다. 벤치톱 또는 자동화된 테스트 응용 분야 및 환경에서 PSU를 사용하는 경우에 특히 그렇습니다.

이로 인해 효율성 최적화를 위한 펌웨어 무선 업데이트부터 전원 공급 장치 어레이의 정확성, 확장성, 이중화 및 효과적인 부하 분산을 보장하기 위한 상시 원격 모니터링 및 제어까지 광범위한 현장에서 다양한 수준의 유연성을 제공하는 전원 공급 장치가 등장했습니다. 프로그래밍 기능은 제품 설계 및 평가를 가속화하고, 시스템 기능을 개선하고, 필요한 유연성을 제공할 수 있습니다. 그러나 지속적으로 증가하는 프로그래밍 옵션 중에서도 일부 옵션이 특히 눈에 띕니다.

이 기사에서는 자체 인클로저에서 독립적이고 정확하고 대응력이 뛰어난 자급형 전원 공급 장치보다 훨씬 많은 역할을 하는 고급 최신 PSU의 역할, 기능 및 특성을 살펴봅니다. 그런 다음 XP Power의 완벽히 네트워크화된 최신 PSU를 예로 들어 그 특성과 기능 및 후속 혜택을 중점적으로 살펴봅니다.

개방형 프레임 공급 장치와 비교되는 PSU

대부분의 설계에서는 AC/DC 공급 장치를 기본 pc 기판이나 개별 기판에 내장하거나 삽입한 후 모서리에 "끼워" 둡니다. 하지만 다른 제품에서는 독립적인 개별 전원 공급 장치가 필요합니다. "섀시" 또는 "개방형 프레임" 공급 장치라고도 하는 이 공급 장치는 자급적이며 필요한 패키지, 성능 및 규제 요구 사항을 충족합니다. 대부분은 폼, 장착, 기능과 관련하여 여러 공급 장치에서 두 번째 소스 또는 대체 소스로 사용할 수 있습니다.

36V, 4.16A, 600W 개방형 프레임 공급 장치인 XP Power UCH600PS36과 같은 장치로 대표되는 이 공급 장치에는 사용자 인터페이스가 없습니다(필요하지 않기 때문에)(그림 1). 대신 최종 제품에 내장되어 있므로 현장에서 사용자가 조정할 필요가 없습니다. AC 입력, DC 출력, 원격 감지 리드 등 최소 입/출력 연결부가 있습니다.

그림 1: UCH600PS36과 같은 개방형 프레임 전원 공급 장치는 최종 사용자가 다양한 성능 파라미터에 액세스하거나 조정할 필요 없이 최종 제품에 내장되도록 설계되었습니다. (이미지 출처: XP Power)

반면에 엔지니어링 프로젝트에서는 스위치, 노브, 소프트 버튼, 계측기, 표시기, 영숫자 판독 디스플레이를 결합하여 구현되는 유연하고 사용이 간편한 인터페이스를 갖춘 공급 장치가 필요합니다. 이렇게 완벽하게 조정이 가능한 PSU는 출력 전압, 최대 전류, 전압/전류 제한 등과 같은 파라미터를 간편하게 조정하도록 돕기 위해 설계되었습니다. 이 PSU는 설계, 시제품 평가 및 디버그 단계 중에 엔지니어링 팀의 요구 사항을 충족하며 일반적으로 "벤치톱" 또는 "실험실" 공급 장치라고 합니다. 또한 자동화 테스트 장비(ATE) 또는 기타 장기 설치의 일환으로 편의성과 정돈성을 위해 고정형 반영구 배열의 랙에 실장할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: "벤치톱" PSU는 엔지니어의 벤치에서 사용되지만, 완벽한 패키지 계측 설정을 제공하기 위해 다른 테스트 장치와 함께 랙에 실장되는 경우도 있습니다. (이미지 출처: UKARANet, United Kingdom Amateur Radio Astronomy Network)

오늘날의 PSU는 기본 기능이 동일한 수십 년 전의 PSU가 처리한 것보다 더 정교한 요구 사항을 충족해야 합니다. 기본 전압 및 전류 판독, 출력 전압 값 수동 조정과 함께 PSU는 다른 수동으로 전달되는 기능을 지원하고 원격 액세스를 제공해야 합니다.

XP Power의 프로그래밍 가능 DC 전원 공급 장치 PLS600 계열과 같은 PSU는 이를 위해 정돈되어 있는 편리한 전면 패널 제어와 다양한 후면 패널 연결 옵션(USB, 이더넷, 아날로그 인터페이스 등)을 통해 작동 파라미터를 조정할 수 있도록 허용합니다(그림 3). 또한 PSU는 자체 상황과 부하 상황을 모니터링하고 장치와 대규모 시스템에서 신뢰를 유지하기 위해 예외적으로 또는 필요 시 원격으로 직접 상황을 보고해야 합니다.

그림 3: PLS600 계열 장치의 전면 패널(위)은 깔끔하고 올바르게 작동하면서 강력한 사용자 액세스 및 모니터링 기능을 지원합니다. 후면 패널(아래)에는 USB, 이더넷 및 아날로그 인터페이스를 위한 AC 코드와 커넥터가 있습니다. (이미지 출처: XP Power)

그림 3의 1~7에 표시된 전면 패널의 기능(순서대로 전원 켜기/끄기, 전류 세트, 전압 세트, 출력 켜기/끄기, 표시, 전력 출력 리드 소켓)에 대한 자세한 내용은 사용 설명서를 참조하십시오.

PLS600 제품군은 30V PLS6003033 DC부터 400V PLS6004002.5 DC까지 5개의 DC 출력 장치로 구성되며, 최대 전력 등급은 모두 600W입니다.

완벽한 프로그래밍 가능성에 따른 추가적인 이점

PSU는 "프로그래밍 가능"하다고 말하지만, 이 말이 현대 PSU에 어떤 의미가 있는지 확실히 해야 합니다. 먼저, PSU에서는 출력 전압이 고정되어 있지 않고 사용자가 설정할 수 있어야 합니다. 많은 경우 PSU는 사용자 설정 가능한 전류원 역할을 할 수도 있습니다. 편의를 위해 필요에 따라 전면 패널에서 기본 파라미터의 값을 쉽게 조정할 수 있습니다. 디지털 판독과 함께 회전식 컨트롤은 원하는 값 설정을 빠르게 설정, 조정 또는 "세부 조정"할 수 있는 가장 간편한 방법입니다.

사용자가 설정할 수 있는 파라미터에는 중요 과전압 보호(OVP), 과전류 보호(OCP), 과전력 보호(OPP) 값이 있습니다. 후자의 경우 PLS600 PSU의 600W 전력 한도는 "걱정"되지 않지만, 손상을 방지하기 위해 공급 장치에서 소비하도록 부하에 허용해야 하는 최대 전력량(전압 × 전류)이 중요한 응용 분야에 유용합니다.

사용자는 디버그 및 테스트에 대한 시간 압박과 스트레스에 쫓겨서 전압, 전류, 전력 또는 기타 설정값을 다양하게 조정한 후 각 요소에 대해 실제로 설정한 값을 기록하는 것에 소홀할 수 있습니다. 이러한 이유 등으로 인해 PLS600 PSU는 파라미터 값이 빠르게 표시되도록 합니다. 또한 해당 값이 내부적으로 저장되므로 전원을 켤 때 다시 입력할 필요가 없습니다.

이러한 기본적인 프로그래밍 가능성은 실질적인 다목적 PSU의 첫 번째 측면에 불과합니다. 많은 테스트 및 평가 상황에서 공급 장치는 네트워크 연결에 상관없이 사전 정의된 실시간 "스크립트"를 실행해야 합니다. 이를 위해, PLS600 계열은 폭넓은 고유한 요구 사항을 충족하고 전원 공급 장치에 업로드하여 명령에 따라 실행할 수 있는 사용자 정의 출력 프로파일을 생성하는 데 적합한 맞춤형 프로그램을 작성할 수 있는 정교한 통합 스크립트 기능을 제공합니다.

따라서 공급 장치가 대규모 시스템에서 중요한 역할을 하고, 제품 성능 시퀀스 또는 고급 수명 주기 테스트에서 효과적으로 활용될 수 있습니다. 예를 들어 가속 수명 테스트(HALT)에서 중요한 역할을 하고 제품의 전력 서브 시스템 특성과 관련한 미묘한 이상 현상을 찾는 데 도움을 줄 수 있습니다.

연결 및 제어(단순 연결부터 네트워크 연결까지)

벤치톱 PSU에는 기본적이고 즉각적인 액세스를 위한 전면 패널, 실습, 사용자 친화적 컨트롤이 있지만, 효과적인 시스템 레벨 공급에 적합하지 않습니다. 전압 및 전류 조정을 위한 편리한 회전식 컨트롤 이외에 PLS600 계열은 USB, 이더넷 및 아날로그 제어 입력을 통한 원격 제어도 지원합니다.

아날로그 제어는 시대착오적으로 보일 수도 있지만 기본 원격 제어 시나리오를 직접 쉽게 설정할 수 있으며 일부 기존 상황에 필요할 수 있습니다. 벤치톱 계측기의 수명이 길어지는 추세이며 IEEE-488 범용 인터페이스 버스(GPIB) 장치가 여전히 사용되고 있습니다. 일부 감지되거나 파생된 전압에 따라 공급 장치의 전압을 실시간으로 조정해야 하는 폐쇄 루프 피드백 배열에서 공급 장치를 사용 중인 경우에도 아날로그 제어가 편리합니다.

기본 아날로그 제어 이외에 모든 PLS600 PSU는 LAN LXI(계측용 LAN 확장) 인증을 획득하여 LAN 기반 계측기에 대한 상호 운용성 표준을 충족합니다. 표준 LabVIEW 및 IVI(교체 가능 가상 기기) 구동기는 모든 표준 소프트웨어에서 사용할 수 있습니다. 이 장치는 SCPI(프로그래밍 가능 기기를 위한 표준 명령)뿐 아니라 사용자 개발 SCPI 기반 소프트웨어도 지원합니다. USB 및 이더넷 입력은 SCPI를 준수하며 National Instruments 웹 사이트에 사용 가능한 LabVIEW 구동기가 있습니다. 설정 및 리드백 값을 신뢰할 수 있도록 PSU에는 전압과 전류를 정확히 측정하여 보고하기 위한 12비트 디지털 아날로그 컨버터 및 아날로그 디지털 컨버터가 내장되어 있습니다.

네트워크 원격 설정과 수동 또는 프로그래밍 방식 값 변경 기능을 모두 지원하며, 전원 공급 장치 상태 및 경보 조건을 훨씬 편리하게 보고할 수 있습니다. 엔지니어가 테스트 중인 장치를 "돌보고" 이상 현상 발생 시 연계할 필요성이 줄어듭니다. 딥 메모리와 적합한 트리거를 갖춘 디지털 오실로스코프 또는 데이터 로거와 같은 계측기와 함께 사용하여 장기 테스트를 실행한 후 결과를 다운로드하여 종합적으로 분석할 수 있습니다.

원격 감지 및 보정 해결

모든 통전 리드와 전력 레일은 전류 저항(IR) 전압(V) 강하를 발생합니다. 옴의 법칙(V = IR)을 사용한 기본 계산은 이 문제의 크기를 보여줍니다. 따라서 부하에서 제공되는 전압이 공급 장치의 공칭 값보다 몇 밀리볼트에서 수십 또는 수백 밀리볼트 강하될 수 있습니다.

이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 PSU의 공칭 전압을 강하 크기만큼 높여서 보정하는 것이지만, IR 강하는 소비되는 전류에 따라 달라지므로 이는 올바른 방법이 아닙니다. 즉, 전류와 결과 IR 강하가 낮을 경우 부하의 전압이 지나치게 높을 수 있습니다.

따라서 일반적인 솔루션은 Kelvin 감지 배열에서 두 추가 리드를 통해 원격 감지를 사용하는 것입니다. 이 구성에서는 부하의 실제 전압을 감지한 후 공급 장치에 다시 공급하여 부하의 전압이 항상 원하는 값으로 유지되도록 출력을 동적으로 조정합니다. 널리 사용되는 이 솔루션은 표준 관행으로 적용되고 일반적으로 올바르게 작동하지만, 몇 가지 단점이 있습니다.

첫째, 두 개의 추가 리드가 필요합니다. 이는 사소해 보이지만 벤치의 복잡성을 높입니다. 둘째, 부하에 저항이 작은 두 접점을 추가하는 것이 항상 쉬운 것은 아닙니다. 부하 접점이 이를 수용하도록 설계되지 않은 경우 특히 그렇습니다. 전류가 흐르는 #14/12/10 AWG 전원 공급 장치 레일을 위해 설계된 나사 또는 다른 단자에 #24 AWG 감지 리드를 연결해본 사람이라면 누구나 어려움을 경험하여 잘 알고 있습니다.

마지막으로 두 추가 리드가 단순히 수동 소자 전선처럼 보일 수도 있지만 그렇지 않습니다. 전기적으로 이러한 리드는 증폭기 즉, 전원 공급 장치에 대한 피드백 루프를 형성합니다. 항상 피드백 루프가 존재하고 제약되지 않고 올바르게 정의되지 않은 루프로 인해 잡음이 유입되거나 발진이 발생할 수 있습니다. 따라서 원격 감지는 IR 강하 문제를 해결할 수 있지만, 공급 출력의 발진 문제를 서서히 진행시킬 수 있습니다. 올바른 유형의 추가적인 필터링이 필요할 수 있지만, 그럴 경우 공급 장치의 동적 과도 응답을 변경하여 성능 저하를 일으킬 수 있습니다.

IR 강하 유도 리드 없는 원격 감지

원격 감지와 관련한 기계적, 전기적, 미적인 문제를 방지하기 위해 PLS600 계열은 추가 전선 없이 이러한 저항을 디지털 방식으로 보정하는 독점 기술을 사용하는 대안을 제공합니다. 간단히 말해서 사용자는 전면 패널에서 원격 감지 모드를 호출하고 부하의 부하 전선을 단락한 다음 PSU 전류를 부하에서 소비될 것으로 예상되는 값 이상으로 설정합니다(그림 4).

그림 4: XP Power PLS600 PSU는 고유한 IR 강하 사전 보정 방식을 지원하므로 추가적인 원격 감지 리드가 필요하지 않습니다. (이미지 출처: XP Power)

PSU는 출력 전류와 부하 전선의 총 전압 강하를 측정한 다음 부하 전선의 저항을 계산합니다. 그런 다음 전력 단자의 출력 전압을 실시간으로 조정하여 부하 케이블의 강하를 보정할 수 있습니다. 따라서 실제 설치에서 별도의 감지 리드가 필요하지 않습니다.

유연한 보정을 지원하는 고급 PSU

PLS600 계열에 내장된 것과 같은 PSU는 일반적으로 보정이 필요하지 않지만 장치의 출력 전압 성능을 확인하고 일부 보정 조정이 필요할 수 있습니다. 출력 전압/전류 및 표시되는 전압/전류를 보정하기 위해 PLS600 계열은 보정된 전압계와 보정된 전류 션트가 필요합니다.

PSU는 모드를 보정하도록 설정되어 있으며 부착된 전압계를 통해서만 출력이 열린 상태로 유지됩니다. 간단히 말해서 PSU의 표시된 값과 전압계 값이 일치하면 PSU 패널 버튼을 눌러 값을 등록합니다. 그런 다음 출력을 통해 전류 션트가 연결되고 전압계가 션트에 연결됩니다. 이제 외부 전압계가 전원 공급 장치의 디스플레이에 표시되는 전류를 정확히 판독할 때까지 PSU 출력을 조정합니다(그림 5). 옴의 법칙에 따라 계측기에 표시되는 전압은 사용되는 전류 션트 값에 따라 다릅니다.

그림 5: XP Power PSU를 보정하는 데 간단한 2단계 공정이 사용됩니다. 즉, 개방 회로 출력 전압을 측정한 후 보정된 부하 션트를 통해 전압을 측정합니다. (이미지 출처: XP Power)

더 많은 전압 또는 전류를 얻는 방법

PLS600 계열의 PSU는 정격 전압 및 정격 전류와 함께 제공되지만, 두 파라미터 중 하나 또는 모두가 필요한 경우도 있습니다. 확실한 해결책은 더 큰 공급 장치를 구입하는 것이지만 이 경우 비용이 증가하는 단점이 있습니다. 단기간 동안만 요구되는 이 방식은 정당화하기 어려울 수 있습니다. 대안으로 두 개 이상의 PLS600 PSU를 직렬로 배치하여 더 많은 전압을 얻거나 병렬로 배치하여 더 많은 전류를 얻을 수 있습니다.

하지만 더 높은 전압 또는 전류를 얻는 것은 두 공급 장치를 직렬 또는 병렬로 연결하는 것만의 문제는 아닙니다. 두 공급 장치를 이런 방식으로 결합하면 다음 세 가지 결과 중 하나가 발생할 수 있습니다.

1. 구성이 필요한 출력을 제공하지 않고, 제어 불가능하며, 공급 장치가 손상될 수 있습니다.
2. 구성이 어느 정도 작동하지만 필요한 성능, 정확성, 일관성 또는 신뢰를 제공하지 않습니다.
3. 엔지니어링 전략이 아닌 운이 좋아서 또는 신중한 설계 덕분에 모든 구성이 올바르게 작동합니다.

결과 1과 결과 2는 전류 분배 저항기 또는 분리 다이오드와 같은 신중하게 선별된 정격 외부 부품을 사용하면 단점을 어느 정도 해결할 수 있지만 바람직하거나 용인되지 않습니다(그림 6). 비슷한 방식이 전압 페어링에 사용됩니다. 구성이 올바르게 작동하더라도 전체 성능은 두 공급 장치 중 하급 장치의 사양에 따라 제한되므로 추가된 부품과 일치하지 않고 하급 부품에 의해 성능 저하가 발생합니다.

그림 6: 전류 분배 저항기(왼쪽) 또는 분리 다이오드(오른쪽)와 같은 외부 부품을 사용하여 두 PSU를 병렬로 배치하면 전류량이 증가하지만 성능이 저하됩니다. (이미지 출처: XP Power)

따라서 두 개 이상의 전원 공급 장치를 병렬 또는 직렬로 배치하는 대신 응용 분야에 적합한 등급의 단일 전원 공급 장치를 사용하면 문제를 훨씬 줄일 수 있습니다. 하지만 "올바르게 작동"하는 바람직한 결과 3은 PLS600 계열 제품군의 PSU처럼 공급 장치가 직렬 또는 병렬 작동에 맞게 특별히 고안된 경우에 발생합니다.

PLS600 PSU를 병렬 또는 직렬로 배치하려면 전원 공급 장치 중 하나를 마스터로 설정하고 나머지를 슬레이브로 설정해야 합니다. 전압 부스트를 위해 최대 2개의 동일한 공급 장치를 직렬로 연결하고, 전류 부스트를 위해 최대 4개의 동일한 장치를 병렬로 사용할 수 있습니다. 전면 패널 컨트롤을 통해 마스터 장치와 슬레이브 장치를 설정하여 지정하며, 안전 및 성능상의 이유로 반드시 이해해야 하는 몇 가지 최대 한도가 있습니다.

편의성, 규율, 효율성을 위한 랙 및 스택

엔지니어 작업대는 깔끔하게 정돈된 경우도 있지만 매우 어수선할 수도 있습니다. 대부분의 작업대가 처음에는 깔끔하게 정돈되어 있지만, 점점 더 "어수선"해지므로 PSU와 리드를 추가할수록 혼잡도가 증가합니다. 다음과 같은 이유로 인해 PSU가 랙에 실장된 계측 조립품에 포함되는 경우도 있습니다.

• PSU가 스탠드가 없는 독립 ATE 또는 장기 평가 프로젝트의 일부인 경우
• 모든 부품이 의도한 대로 배치되고 모든 케이블이 완전히 연결되고 스트레인 완화 장치가 있는지 확인하여 시스템 무결성을 제공하고 안정성을 개선하기 위해
• 운반 및 재설치가 필요한 경우

이러한 이유로 인해 XP Power는 PLS600 PSU를 위한 PLS600 랙 실장 키트를 제공합니다(그림 7).

그림 7: XP Power PLS600 랙 실장 키트를 사용하면 표준 섀시 장비 랙에 병렬 장치 또는 단일 PLS600 장치를 쉽게 설치할 수 있습니다. (이미지 출처: XP Power)

PLS600 계열의 모든 제품은 인클로저 크기가 동일하므로 키트가 모든 제품에서 작동합니다. 이 키트를 사용하면 PSU를 빠르고 쉽게 설치할 수 있으며, 두 PSU를 나란히 실장할 수 있습니다.

결론

벤치톱 전원 공급 장치는 사용자 컨트롤 또는 조정을 거의 지원하지 않는 내장형 장치와 형태 및 기능이 크게 차이 납니다. 벤치톱 또는 "실험실" PSU는 시제품 개발, 디버그, 테스트 및 고정형 테스트 스탠드에 필요한 계측기입니다. XP Power PLS600 계열 PSU와 같은 기능이 풍부하고 체계적으로 설계된 PSU는 편리한 전면 패널 컨트롤부터 네트워크 액세스 및 스크립트 기반 프로그래밍 기능까지 효과적인 유연한 사용을 위해 필요한 추가적인 기능과 우수한 성능을 모두 제공합니다.

참고 자료:

1. XP Power AC-DC Power Supplies PLS600 Series
2. XP Power User Manual PLS600 Series Programmable DC Power Supplies
3. XP Power User Programming Manual PLS600 Series Programmable DC Power Supplies