이중 레일 전압 공급

가장 성능이 뛰어난 연산 증폭기는 종종 양의 전압과 음의 전압이 연산 증폭기의 전원 레일에 연결된 분할 공급이 필요합니다. 이 프로젝트에서는 제가 설계하는 차동 오실로스코프 프로브를 위한 양/음의 이중 레일 전원 공급 장치를 구축할 예정입니다. 이중 레일 공급 장치는 매우 유용하게 사용될 수 있으므로, 전원 공급 장치를 별도의 프로젝트로 만들기로 했으며, 앞으로 여러 용도로 활용할 것이라고 확신합니다.

과거에 이 블로그에서 이중 전원 공급 구성에 대해 이야기한 적이 있지만, 이 프로젝트에서는 그 조언을 구현하고 음의 조정기를 구축할 것입니다.

제 차동 프로브가 다양한 신호에 연결될 것이기 때문에, 연산 증폭기에 공급되는 전력이 매우 안정적이고 저잡음일 뿐만 아니라 오실로스코프와 테스트 중인 장치로부터 완전히 격리되어 있기를 원합니다. 따라서, 이 보드는 9V 배터리로 구동될 것입니다. AA 배터리를 사용하는 것도 좋겠지만, 양의 전원과 음의 전원 모두에 스위칭 조정기가 필요하며, 단지 두 개의 AA 배터리로는 사용 시간이 제한될 것입니다. 두 개 이상의 AA 배터리는 너무 부피가 크며, AAA 배터리를 사용할 때 이러한 문제는 더욱 심각합니다. 

9V 배터리는 다양한 상점에서 저렴한 가격에 쉽게 구할 수 있으며, 충전식 옵션도 있고, 제게 중요한 것은 배송 제한이 없다는 점입니다. 리튬 이온 배터리를 사용하면 충전 및 배터리 모니터링 회로와 관련하여 설계가 상당히 복잡해질 것이며, 더욱이 제가 사는 곳으로 배송받기가 매우 어렵습니다. 다양한 배터리 기술과 전자 애플리케이션과의 관계에 대한 보다 심층적인 분석을 읽고 싶다면, 제 Octopart 기사인 배터리 선택하기를 확인해 보세요.

제 프로젝트와 마찬가지로, 이 프로젝트의 오픈 소스 Altium Designer 파일은 MIT 라이선스에 따라 허가된 제 GitHub에서 찾을 수 있습니다.

이중 전원 사용의 장점

단일 전원 오피앰프를 사용할 때, 출력 전압은 전압 입력 근처에서 지상 근처까지만 변할 수 있습니다. 얼마나 근접하느냐는 특정 오피앰프에 따라 다르며, 레일 투 레일 앰프는 출력 신호를 거의 완전히 공급 레일까지 생성할 수 있습니다.

음의 구성 요소를 가진 파형, 예를 들어 AC와 같은 것을 다루고 있거나 출력 전압 수준이 정확히 0v가 되어야 하는 경우, 듀얼 공급 오프 앰프는 필요한 다양성을 제공할 것입니다. 시장에서 가장 높은 성능을 가진 오프 앰프 중 일부는 듀얼 공급 전압 요구 사항으로 설계되어 있으므로, 한계를 넘어서려면 듀얼 공급 전압이 필수적일 수 있습니다.

일부 오프 앰프는 최대/최소 입력 전압이 공급 레일로부터 몇 볼트 떨어져 있어야 할 수 있습니다. 2볼트 최소 오프셋을 가진 오프 앰프에 5볼트 단일 공급을 사용하는 경우, 사용 가능한 입력 범위는 1볼트에 불과합니다. 레일-투-레일 증폭기는 이 문제를 해결할 수 있으며, 듀얼 공급도 마찬가지입니다. 

제 차동 프로브의 경우, 주로 매우 높은 성능의 오프 앰프를 사용하여 AC 파형을 살펴볼 것으로 예상되므로, 이를 위해 분할 공급을 사용해야 합니다. 

음의 레일

이전 프로젝트에서, 저는 충전 펌프를 사용하여 연산 증폭기를 위한 음의 전원을 만들었지만, 그 프로젝트는 최소한의 공급 전류와 전압 레일 품질만 요구했습니다. 저는 이번 듀얼 전원이 80mA 이상에서 매우 고품질의 전력을 제공하기를 원합니다. 그것이 많은 전류는 아니지만, 많은 충전 펌프가 제공하는 것보다 더 많으며, 저는 훨씬 낮은 노이즈가 필요합니다.

이 전원의 음의 레일 위상은 -5.5V 전원을 생성하기 위한 스위칭 전원 공급 장치가 될 것이며, 이는 선형 조정기로 공급되는 LC 필터에 의해 정화될 것입니다. 

스위칭 조정기

요즘 많은 엔지니어들은 대부분의 현대 장치가 단일 양의 전원만 필요로 하기 때문에 음의 전압을 거의 신화적인 것으로 보고 있습니다. 하지만, 음의 전압을 만드는 것은 정말 아무것도 아닙니다. 단계 하향 전압 조정기를 설계할 수 있다면 음의 조정기도 설계할 수 있습니다 - 이론은 정확히 같습니다.

-5.5V 전원을 생성하기 위해, 저는 Maxim/Analog MAX17578 4.5V에서 60V, 1A 고효율, 동기식, 반전 출력 DC-DC 컨버터를 사용하고 있습니다. 스위칭 레귤레이터는 저부하에서는 그다지 좋지 않지만, 이 레귤레이터에 80mA의 부하가 걸려 있을 때에도 여전히 약 66%의 효율로 작동해야 합니다. 이것이 매우 효율적이라고 들리지 않을 수 있지만, 설계 시점의 재고가 있는 다른 어떤 레귤레이터보다 훨씬 높습니다.

선형 레귤레이터

음극 레일의 최종 출력은 초저잡음 선형 레귤레이터인 Analog Devices ADP7182에 의해 제공됩니다. -5.5V 레귤레이터에서 스위칭 잡음을 제거하기 위해, 입력에 LC 필터를 추가했습니다. 레귤레이터는 스위칭 잡음을 처리할 수 있어야 하지만, 저잡음을 목표로 할 때 가능한 한 많이 도와주는 것이 항상 좋은 생각입니다.

LC 필터는 일부 응용 프로그램에 충분히 깨끗한 전력을 공급할 수 있어 비싼 선형 레귤레이터를 제거할 수 있으므로, 0 옴 저항은 선형 레귤레이터의 입력과 출력을 단락시키는 데 사용됩니다. 설계 변형은 이 저항이 필요하지 않을 때 BOM이나 조립 정보에 포함되지 않도록 보장합니다.

제가 이 레귤레이터를 처음 사용할 때는 +/-4.8V가 필요하지만, 이 설계가 다양하게 활용될 수 있기를 원합니다. 그래서 레귤레이터의 조정 핀에 트리머 포텐쇼미터를 추가하여 전압을 -4.2V에서 -5.2V까지 조정할 수 있게 했습니다. 멀티턴 포텐쇼미터가 이상적이지만, 이 보드를 사용하고자 하는 방식의 기계적 제약으로 인해 단일턴 포텐쇼미터를 사용해야 합니다.

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양극 레일

양극 전원 레일은 음극보다 훨씬 간단하며, 배터리에 연결된 단순한 선형 레귤레이터만 있습니다. 낮은 전류 소모로 인해 스위칭 레귤레이터가 필요 없습니다. 레귤레이터를 직접 배터리에서 구동하면 입력에서 가장 낮은 노이즈를 보장합니다.

양극 레귤레이터의 회로도는 음극 레귤레이터와 매우 유사하며, Analog Devices ADP7102 선형 레귤레이터는 음극 레귤레이터와 같은 계열에 속합니다. 다시 말하지만, 음극 레귤레이터와 동일한 트리머 포텐쇼미터 모델을 사용하여 전압을 +4.2V에서 +5.2V까지 조정할 수 있습니다.

양극성 조절기에는 활성화 핀을 위한 전압 분배기가 있으며, 음극성 레일에 있는 선형 조절기는 스위칭 조절기가 이 기능을 제공하기 때문에 이 기능이 필요하지 않습니다.

저전압 경고

저는 과도한 엔지니어링을 좋아하기 때문에, 이 프로젝트를 위해 과장된 저전압 경고를 준비했습니다. 배터리가 부족할 때 단순히 LED가 켜지는 것이 아니라, 대신 저전압 LED가 깜박이도록 할 것입니다.

저는 저전압 수준을 감지하기 위해 한 개의 연산 증폭기(IC5)를 사용하고 있으며, 그 출력은 또 다른 연산 증폭기(IC6)를 사용하는 이완 발진 회로를 구동합니다. 이완 발진기는 불안정한 멀티바이브레이터라고도 합니다. 이완 발진기는 MOSFET을 구동하여 LED를 깜박입니다. 발진기 연산 증폭기는 저전압 감지 증폭기의 출력에서 직접 구동할 수 있을 만큼 충분히 낮은 전류를 소모합니다.

이완 발진기는 사각파 출력을 생성하며, 이 경우 약 1Hz 주파수와 50% 듀티 사이클로 설계되었습니다. 이완 발진기는 커패시터, 이 경우 C21을 충전하는데, 이 커패시터는 연산 증폭기의 반전 입력에 연결됩니다. 연산 증폭기의 비반전 입력은 전압 분배기에 연결됩니다. 

커패시터가 방전되는 동안, 그 전압은 비반전 입력보다 낮게 되어, 커패시터가 오피앰프의 출력을 통해 R29를 거쳐 충전될 수 있게 합니다. 커패시터가 충전되면, 반전 입력이 비반전 입력보다 높은 전압이 되고, 오피앰프 출력이 전환되어 커패시터가 방전하기 시작합니다.

PCB 레이아웃

이 프로젝트의 PCB는 상대적으로 간단합니다. 보드의 크기는 배터리 홀더, 전원 커넥터 및 보드 사이에 설치할 스탠드오프를 위한 장착 위치의 필요성에 의해 결정됩니다. 보드는 1mm 두께의 4층 보드가 될 것입니다. 내부 평면 두 개는 모두 그라운드 푸어로, 외부 층은 신호 라우팅을 위한 것입니다. 이는 라우트가 인접한 층에서 우수한 반환 경로를 가지도록 보장합니다. 

보드에는 전도성 및 방사성 노이즈를 줄이기 위해 그라운드 네트를 철저히 연결하는 스티칭 비아가 많이 있습니다. 스위칭 레귤레이터의 레이아웃은 전형적인 스위치 모드 레이아웃이며, 선형 레귤레이터 레이아웃은 그다지 중요하지 않습니다.

저는 스위칭 레귤레이터를 전원 커넥터에서 가능한 한 멀리 유지하려고 노력했으며, 선형 레귤레이터는 출력 핀에 가능한 한 가깝게 유지하려고 했습니다. 

그라운드 푸어는 가장 많은 열을 발산할 긍정적인 레귤레이터에 대해 훌륭한 열 경로를 제공합니다.

저는 보드에 테스트 포인트를 배치하여 가장 중요한 신호들(전압 레일)을 오실로스코프로 프로빙할 수 있도록 했으며, 그라운드 루프 길이를 최소화하기 위해 스프링 그라운드 연결을 사용합니다. 스위칭 구성 요소를 포함하는 하드웨어를 테스트할 때 스코프 프로브의 그라운드 리드를 사용하는 것은 실제로 찾고 있는 신호 대신 또는 추가로 근접 필드 노이즈를 포착하는 좋은 방법입니다.

성능 테스트

레귤레이터를 만들었다면 시도해 보지 않을 이유가 없으므로, 랩 전원 공급 장치에 레귤레이터를 연결하고 DC 부하에 연결하여 성능을 확인해 봅시다. 아래의 모든 테스트는 랩 전원 공급 장치에서 수행되었지만, 배터리에서 작동하는 레귤레이터로도 부하를 확인했으며 결과는 구별할 수 없었습니다.

현재 테스트는 보드로 들어가는 상당히 얇은 와이어 점퍼를 통해 수행되고 있지만, 벤치탑 멀티미터와 휴대용 멀티미터로 보드의 온보드 전압을 확인할 때 DC 부하의 판독값은 보드에 있는 것과 몇 밀리볼트 이내입니다.

부정 레일

부정 공급 측에서 테스트를 시작하면, 무부하 전압은 4.8149V입니다. 이것을 조금 더 잘 조정할 수 있었겠지만, 부하를 걸었을 때의 성능을 보고 싶어서 조급했습니다.

제 DC 부하는 양의 전압만을 지원하기 때문에, 단순히 부정 레일을 접지 참조로 사용하고 레귤레이터의 접지를 양의 입력으로 사용했습니다. DC 부하에게 있어, 이것은 양의 전압입니다.

아래 사진에서 부하 저항을 무시할 수 있습니다, 이것은 부하가 적용되기 직전의 일시적인 순간이며 DC 부하가 전류를 늘리면서 부하를 측정했습니다.

부하 하에서, 출력에서 24mV의 감소를 볼 수 있습니다. 데이터시트는 선, 부하 및 온도에 대한 정확도가 최대 +2%/최소 -3%라고 주장합니다. 전압에서 반 퍼센트의 편차로, 80mA에서 이 주장 내에 확실히 들어맞습니다.

레귤레이터가 설계 부하에서 잘 작동하고 있어, 200%까지 밀어붙여서 어떻게 될지 보고 싶었습니다. 레귤레이터는 -200mA의 부하를 견딜 수 있도록 평가되어 있으므로, 전혀 문제가 없어야 합니다. 부하가 증가하면서 전압이 44.2mV 떨어졌지만, 이는 여전히 1%의 감소에 불과하며 데이터시트의 주장 내에서 잘 유지되고 있습니다.

부하가 적용되지 않은 상태에서 오실로스코프로 스위칭 레귤레이터를 살펴보니, 상태가 안정적이며 낮은 부하도 잘 처리하고 있습니다. 이 레귤레이터에 걸리는 부하는 기생 부하와 LED를 구동하는 4mA의 전류뿐입니다. 일부 스위칭 레귤레이터는 이렇게 적은 부하를 잘 처리하지 못하는데, 모든 것이 안정적이어서 좋습니다. 

DC 부하를 켜고, 80mA의 전류 소모로 설정하면, 스위칭 레귤레이터의 출력이 스위치 모드 레귤레이터가 보여주기를 기대하는 모습과 훨씬 더 비슷해집니다. RMS 전압 측정을 디스플레이에 추가하면, 피크 투 피크 노이즈가 약 26mV인 반면, RMS 노이즈는 약 2.2mV에 불과함을 볼 수 있습니다.

LC 필터를 거친 신호를 살펴보면, 스위칭 노이즈가 완전히 제거된 것을 볼 수 있지만, 신호가 다소 엉망입니다. 이 보드의 초기 응용 프로그램에서 선형 레귤레이터는 확실히 보드에 남아 있을 것입니다. 왜냐하면 선형 레귤레이터가 이 혼란을 깔끔하게 정리하기 때문입니다.

양극 레일

양극 레일에서는 선형 레귤레이터가 얼마나 비교할 수 있는지 같은 테스트를 수행할 수 있습니다. 저는 성능이 잘 맞는 레귤레이터를 선택했지만, 실제 세계에서 얼마나 잘 수행되는지는 항상 의문입니다.

부하가 없을 때, 저는 전압을 음극 레귤레이터보다 약간 높게 설정했습니다. 4.8492V입니다.

설계된 부하 80mA에서, 음극 레귤레이터보다 조금 덜 떨어진 전압을 볼 수 있으며, 손실은 단지 18.6mV입니다. 이는 원래 전압의 약 0.4 퍼센트 미만입니다. 이것은 음극 레귤레이터보다 더 정확하지만, 양극 레귤레이터의 데이터시트가 선, 부하 및 온도에 대한 정확도가 −2%, +1%임을 주장하기 때문에 이해가 됩니다. 

부하를 200%로 증가시키면 전압이 30mV 또는 원래 설정 전압의 0.6%가 감소합니다. 이것은 여전히 부정 전압 조정기보다 나은 성능이지만, 긍정 전압 조정기가 200mA의 부정 전압 조정기보다 300mA의 전류 등급을 가지고 있음에도 불구하고 다소 놀랍습니다. 그러나 전압 강하는 여전히 데이터시트의 사양 내에 잘 있습니다.

결합 전압

각 전압 레일을 테스트하는 것은 각 조정기의 성능을 보는 것이 흥미롭지만, 조정기가 예상대로 작동하고 있음을 확인하는 것을 넘어서는 의미가 다소 없습니다. 실제 세계에서, 내 연산 증폭기는 이중 공급 전압을 공급받게 되며, 조정기에 동등하게 부하를 줍니다.

긍정적인 조정기를 내 DC 부하의 긍정 입력에 연결하고, 부정 공급을 내 DC 부하의 접지 입력에 연결했습니다. 이것은 공급에 부담이 없을 때 DC 부하에 9.6574V 전압을 보여줍니다.

조정기에 80mA의 설계 부하를 추가하면, 원래 전압의 단지 0.2%인 22.1mV 감소를 보게 됩니다. 이 결과에 매우 만족합니다. 사용 중에 부하가 변경될 수 있음에도 불구하고 내 연산 증폭기가 매우 안정된 전압을 받게 될 것을 알고 있기 때문입니다. 이것은 매우 일관된 출력을 가질 수 있도록 해야 합니다.

전류를 200%로 증가시키면, 총 전압 강하는 32mV가 되거나, 무부하 전압의 3퍼센트가 조금 넘게 됩니다.

부하 상태에서 레귤레이터 보드의 출력을 오실로스코프로 살펴보면, 그다지 교훈적이지 않습니다. 많은 노이즈와 활동이 일어나는 것처럼 보이긴 하지만, 오실로스코프가 측정한 RMS 노이즈는 242 마이크로볼트에 불과하며, 이것이 우리가 보고 있는 레귤레이터 보드가 아닙니다. 아래 스크린샷은 2초 동안의 지속성이 활성화되어 있으며, 가장 자주 발생하는 신호를 보여주기 위해 색상 등급이 매겨져 있습니다.

그렇다면 우리가 보고 있는 것이 레귤레이터 보드가 아니라는 것은 무슨 뜻일까요? 불행히도, 제 오실로스코프의 노이즈 바닥이 너무 높습니다. 제 Rigol MSO5354 오실로스코프는 프로브로 47 옴 스루홀 축방향 저항기를 측정할 때 RMS 노이즈가 450 마이크로볼트를 측정합니다(한 다리는 접지 밴드 주위에 감고, 다른 다리는 프로브 팁 주위에 감음). 따라서 이 선형 레귤레이터들의 데이터시트가 알려주는 15-18마이크로볼트의 노이즈를 직접 측정할 방법이 없습니다. 실망스럽긴 하지만, 제 레귤레이터 보드에서 측정된 노이즈가 저항기에서 측정된 노이즈보다 낮다는 사실이 재미있다고 생각합니다.

저는 또한 노이즈 성능에 어떤 차이가 있는지 보기 위해, 레귤레이터를 배터리로 작동시키고 100 옴 저항으로 부하를 걸어 테스트를 해보았습니다. 이는 제 테스트 장비가 노이즈 소스로 작용하는 것을 배제하기 위함이었습니다. 저항이 매우 뜨거워지고 상당히 나쁜 냄새가 나는 것 외에는, 두 입력 전압/부하 방식 사이에 오실로스코프에서 구별할 수 있는 차이는 없었습니다.

최종 생각

출력에서의 노이즈 수준을 더 자세히 살펴볼 수 있는 테스트 설정을 원했지만, 이 레귤레이터 설계의 결과에는 여전히 만족합니다. 프로젝트로 테스트 장비의 한계를 시험하는 것은 항상 좋은 일입니다. 

위의 테스트 외에도, 이 보드는 200% 부하에서 하루 이상을 보내면서도 실패나 스트레스의 징후 없이 버텼습니다. 보드에서 가장 뜨거웠던 부품은 양성 선형 레귤레이터였으며, 약 65도 섭씨(149°F)를 기록했습니다. 한편, 제 실험실의 실내 온도는 스코틀랜드 여름 정점인 22.5°C(72°F)에 도달했습니다.

다음 프로젝트에서는, 이 보드를 사용하여 세 개의 고성능 연산 증폭기를 구동하면서 차동 오실로스코프 프로브를 만들 것입니다. 이는 제 테스트 장비의 한계를 더욱 시험할 것입니다.

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