능동 레일 프로브는 무엇이며 어떻게 사용하나요?

고속 컴퓨터 및 핸드헬드 휴대용 장치의 전원 공급 버스 전압이 강하하고 있습니다. 지금까지는 5V 공급 레일이 ±5%의 허용 오차 범위에서 작동했지만, 오늘날의 저전압 프로세서는 ±1%의 훨씬 적은 허용 오차 범위를 요구합니다. 결과적으로 1.1V 버스는 ±11mV의 허용 오차 범위를 지닙니다. 이러한 전력 분배 네트워크(PDN)의 무결성을 보장하려면 새로운 측정 도구가 필요합니다.

PDN은 전력이 필요한 모든 장치에서 일반적인데, 전력 레일의 잡음, 누화 또는 부하 변경 과도 상태가 시스템 전반에 확산되기 때문입니다. 이러한 스퓨리어스 신호는 타이밍 지터와 같은 다른 문제를 야기하기도 합니다. 따라서 DC 전압 뿐만 아니라 전력 레일의 잡음, 리플, 누화를 측정하고 평가하는 것은 중요합니다.

이를 위해서는 DC 레벨이 1볼트 이상인 전원 레일에서 밀리볼트 범위의 신호를 확인해야 하는데, 거기에서 문제가 발생됩니다. 5mV 범위로 설정된 일반적인 오실로스코프는 ±300 mV의 오프셋만 보상할 수 있습니다. 이는 1V 전력 버스조차 화면에는 표시되지 않음을 의미합니다. 물론 200mV와 같은 더 높은 수직 감도를 사용하면 오프셋 범위가 ±3V로 증가하지만, 전압 허용 오차가 11mV 미만이라고 가정하면 잡음과 리플은 거의 보이지 않습니다. 바로 여기에 능동 전력 레일 프로브가 사용됩니다.

Teledyne LeCroy의 RP4030과 같은 전력 레일 프로브는 몇 가지 면에서 이러한 문제를 해결합니다. 먼저, 감쇠 범위가 1:1에 가까우므로 이미 작은 대상 신호를 감쇠시키지 않습니다. 다음으로, 신호 경로를 각각 고유한 입력 임피던스가 있는 DC 및 AC 경로로 분할함으로써 전력 부하를 방지합니다(그림 1).

그림 1: 병렬 AC 및 DC 경로와 주파수 응답 플롯을 함께 표시하는 일반적인 전력 레일 프로브의 단순화된 기능 구성도. (이미지 출처: DigiKey)

DC 경로는 50kΩ의 DC 저항을 제공합니다. AC 경로는 신호를 용량적으로 결합합니다. DC 경로는 저역 통과 주파수 응답을, AC 경로는 고역 통과 주파수 응답을 지닙니다. 이러한 경로들은 프로브 출력에서 합쳐지고, 오실로스코프의 50Ω 입력 종단으로 작동하여 평탄 주파수 응답을 발생시킵니다. 50Ω 스코프 입력으로 작동하므로 오실로스코프에서 가장 낮은 잡음과 가장 높은 대역폭을 제공합니다. 프로브의 대역폭은 4GHz로, 광범위한 스퓨리어스 신호를 측정할 수 있습니다. 마지막으로, 레일 프로브는 통상적으로 ±30V 범위의 매우 넓은 고정밀 오프셋 전압을 제공합니다.

능동 프로브 사용의 예

그림 2에 표시된 통상적인 측정을 살펴 보겠습니다. 이는 1.1V 버스에서의 주기적, 무작위적 편차(PARD)입니다. PARD는 평균 또는 평균값에서 순간 버스 전압의 편차를 측정하는 용어로, 업계 전반에서 일반적으로 사용됩니다. 편차에는 주기적 신호, 무작위적 잡음 및 누화가 포함될 수 있습니다. PARD는 일반적으로 피크 투 피크 값으로 측정됩니다.

그림 2에서 피크 투 피크 측정 파라미터는 PARD 값을 7.5mV로 읽습니다. 여기에는 주기적, 무작위적, 일부 좁은 스파이크 요소가 포함됩니다. PARD에는 20Hz 미만의 버스 전압에서의 느린 변형(드리프트라고 함)은 포함되지 않습니다. 레일 프로브는 이 그림의 C1 주석 상자(왼쪽 하단 모서리, 노란색 상자)에서 -1.1V로 표시된 오프셋을 제공합니다. 이 예시에 사용된 레일 프로브는 ±30V의 오프셋 범위를 지닙니다. 이를 통해 프로브 없이 ±300mV 범위만 갖는 2mv/div의 수직 스케일을 사용하여 신호를 측정할 수 있습니다.

그림 2: 2mv/div의 수직 스케일에서 PARD 측정. 1.1V 레일에서 피크 투 피크 값이 7.5mV인 무작위적, 주기적 누화 요소가 표시됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

전력 레일 프로브에는 회로 기판의 수동 프로빙을 위한 브라우저 및 납땜인 케이블과 같이 이러한 측정을 보다 쉽게 ​​수행할 수 있는 여러 상호 연결 부속품도 포함되어 있습니다. 납땜인 케이블은 가장 높은 대역폭을 제공하는 반면 브라우저는 더 낮은 대역폭을 제공합니다.

결론

전원 무결성 측정은 공급 전압이 강하하면서 점점 더 어려워지고 있지만, 위에서 살펴본 바와 같이 능동 전력 레일 프로브가 도움이 될 수 있습니다. 이러한 프로브는 훨씬 더 높은 DC 전압에서 작은 전압이 측정되어야 하는 경우 일반적으로 발생하는 작동 범위 손실을 제거합니다.