학습 연습 - 전압 조정기 테스트 픽스처

소개

인터넷은 개발자의 기술과 지식을 보여주는 성공적인 전자 개발 프로젝트에 관한 기사로 가득 차 있습니다. 그러나 이것은 개발 과정의 현실을 다소 불균형하게 보여주는데, 모든 프로젝트가 순조롭게 진행되거나 성공하는 것은 아니기 때문입니다. 그러나 계획대로 진행되지 않는 프로젝트일수록 더 가치 있는 교훈을 가르쳐 줍니다. 따라서 균형을 맞추기 위해, 기대에 미치지 못한 프로토타입에 관한 이야기를 소개합니다. 이 과정에서 유용한 학습 경험을 제공했습니다. 또한, 불완전한 프로토타입을 다시 올바른 방향으로 이끌기 위한 몇 가지 아이디어와 미래의 개선점에 대해서도 살펴보겠습니다.

프로젝트 개요

이 프로젝트는 시중에 나와 있는 전원 모듈의 성능을 측정하는 방법이 필요할 때 시작되었습니다. 소음, 효율, 출력 전압, 시작 시간, 부하 변동 응답을 분석하는 것이었습니다. 문제는 전압 조정기와 함께 제공되는 데이터 시트가 이러한 중요한 매개변수에 대한 자세한 정보를 제공하는 데 있어 다소 부족할 수 있다는 것입니다. 문제는 과도하게 낙관적인 데이터 시트가 실제 성능과 벗어날 경우, 신중하게 설계한 회로에 전압 조정기를 연결했을 때 회로 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있다는 것입니다.

프로토타입 회로 기판에 납땜한 후 전압 조정기가 예상대로 작동하지 않는 것을 알아내는 것은 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리는 실수일 수 있습니다. 특히 교체 부품이 보드 디자인의 변경을 요구한다는 것을 발견했을 때는 더욱 그렇습니다. 물론, 데이터시트 정보에서 예측한 대로 교체 부품이 완전히 작동하지 않을 위험도 있습니다.

이 문제를 해결하는 가장 좋은 방법은 전압 조정기를 회로 설계에 사용하기 전, 특히 회로 기판 근처에 가져가기 전에 실제 성능을 테스트할 수 있는 테스트 픽스처를 개발하는 것입니다.  테스트 픽스처 개발에 채택된 접근 방식은 조정기 테스트를 간소화하기 위해 해당 호스트 보드와 함께 PCIe 1x 슬롯을 사용하는 것이었습니다. 표준 주변장치 구성 요소 인터커넥트 익스프레스(PCIe) x1 슬롯은 저대역폭 요구 사항이 있는 애플리케이션에서 테스트 픽스처를 제어 보드에 연결하는 컴팩트한 솔루션을 제공합니다.

제어 보드를 사용하면 여러 조정기를 테스트 설정하는 작업이 간소화되고, 제조업체 지침에 맞게 입력 및 출력 용량을 조정할 수 있으며, 모든 핀 배치에 대응할 수 있습니다.

테스트 환경에는 Rigol DL3021 프로그래머블 DC 전자 부하가 포함되어 있지만, 계획된 테스트를 위한 부하 전이 테스트에 사용 가능한 전류 슬루율이 충분하지 않았습니다. 이를 해결하기 위해 저항기 배열이 보드에 장착되었고, MOSFET 스위치를 사용하여 이러한 정적 부하 사이를 충분한 속도로 전환하여 필요한 빠른 부하 전이를 제공했습니다. 이 전환 가능한 정적 부하 보드는 그 다음 제어 보드의 두 번째 카드 슬롯에 연결되었습니다.

테스트 환경에는 신호 및 응답 측정을 위한 오실로스코프도 포함되어 있으므로, 테스트 픽스처에 오실로스코프 프로브를 통합하면 테스트를 수행할 때 상당한 이점을 제공할 것입니다.

테스트 픽스처에 대한 요구 사항이 확립되면서 개발 단계가 시작되었고, 문제가 빠르게 나타나면서 학습 경험도 시작되었습니다. 이제 우리가 볼 문제들입니다.

통합 오실로스코프 프로브

첫 번째 도전과 실수에서 배울 기회는 통합 오실로스코프 프로브가 필요로 하는 데서 비롯되었습니다. 개발 접근 방식은 Rohde and Schwarz LCR 미터기에 사용되는 Rigol 프로브를 분해하고 역설계하는 것이었습니다. 각 구성 요소의 분석은 관찰된 값에서 표준 프로브 회로도를 생성하는 데 도움이 됩니다. 문제는 이 프로브가 원래 고임피던스 입력 오실로스코프와 함께 사용하기 위해 의도되었으며, 반사를 감쇠시키는 데 도움이 되는 400 옴/미터의 저항을 가진 초박형 손실 전도체를 사용한다는 것이었습니다. 프로브 도체 대 쉴드 저항은 표준 동축 케이블보다 한두 자릿수 낮습니다.

취미로 하거나 소규모 사업체의 경우, 이 초저항 코액시얼 케이블을 구하는 문제는 거대하고 비싼 릴에서만 구할 수 있어 짧은 길이, 소량 필요에는 비현실적입니다. 유일한 실현 가능한 옵션은 표준 50 옴/미터 코액시얼 케이블을 사용하고 차이를 보상하기 위해 프로브 구성 요소 값을 조정하는 것이었습니다. 저는 Altium의 시뮬레이션 도구를 사용하여 코액시얼 케이블의 높은 용량을 균형 잡고 통합 프로브 회로 설계에 올바른 보상을 적용했습니다.
불행히도, 모든 세심한 분석과 설계 노력에도 불구하고, 통합 프로브는 필요한 성능을 제공하지 못했습니다. 회로 설계를 신중하게 조정한 후에도, 그들은 실제 대역폭이 약 80MHz에 불과합니다. 이것은 규제기 테스트에는 충분할 수 있지만, 통합 프로브를 구현하고 조정하는 데 필요한 노력이 이점을 상쇄했습니다. 궁극적으로, 표준 프로브를 보드에 연결하여 테스트하는 것이 더 나은 해결책을 제공했습니다.

설계 검토 제한사항

종종 회로 기판 디자인이 실패하는 이유는 명백해 보이는 문제를 발견할 수 있는 철저한 디자인 검토가 부족하기 때문입니다. 이러한 문제들은 디자이너가 제안된 디자인에 너무 몰두해 있어서 간과하기 쉽습니다. 프로젝트 성공에 가장 큰 위험 중 하나는 충분한 디자인 검토 입력 없이 계획을 서두르는 것입니다. 그러나 적절하게 수행된 디자인 검토조차도 무적이지는 않습니다. 이 프로젝트는 후자의 훌륭한 예입니다.

전압 조정기 개발 테스트 픽스처는 기능은 하지만 다소 거친 실험 보드로 구현된 개념 증명 디자인으로 시작되었습니다. 이 초기 프로토타입은 디자인의 실행 가능성을 보여주었고 최종 프로토타입 보드로의 정제를 위한 출발점을 제공했습니다. 디자인은 두 명의 경험 많은 엔지니어에 의해 검토되었으며, 프로젝트는 사소한 조정만 필요로 하며 승인되었습니다. 그러나 이러한 철저한 검토는 개발 과정을 괴롭히는 접지 문제를 식별할 수 없었습니다.

접지 문제

프로토타입 보드의 디자인은 별도의 아날로그 및 디지털 접지가 아닌 여러 접지 도메인을 가지고 있었습니다. 이 접근 방식이 일반적으로 매우 나쁜 생각임을 깨닫기 위해 소급적인 관점이 필요하지 않습니다.

접지 문제 중 하나는 MOSFET을 사용하여 과도 응답을 측정하기 위해 조절기와 정적 저항 부하에 전력을 스위칭해야 했기 때문에 발생했습니다. 그러나, 테스트 환경에서는 Rigol DP832 벤치 리니어 DC 전원 공급 장치를 사용했는데, 이는 비교적 부드럽게 시작하는 장치입니다. 이 기능은 모든 실험실 전원 공급 장치에 일반적이므로, 테스트 픽스처는 이 테스트 장비의 동작을 수용해야 했습니다. 선택된 해결책은 제어 보드를 구성하여 전원 공급 장치 채널을 활성화하고 안정화시킨 후 MOSFET 스위치를 제어하여 테스트 중인 조절기에 전력을 적용할 수 있도록 하는 것이었습니다.

문제는 제어 보드가 다섯 개의 전원 공급 채널, 세 개의 오실로스코프 채널, DC 부하 보드, 그리고 DC 부하를 위한 센스 연결에 연결된다는 것입니다. 이러한 복잡성으로 인해 구현된 회로에서 접지 도메인이 얽히게 되었습니다.
설계도는 완벽해 보였으므로, 문제가 설계자에게 명확하지 않았고 설계 검토에서도 눈에 띄지 않았습니다. 그러나 일단 구현되면, 이는 시험 중인 전압 조정기에 열등한 접지 기준을 제공했으며, 이는 전원 공급 전압이 안정될 때까지 기다리는 동안에도 구성 요소가 항상 활성화되어 있음을 의미했습니다.

접지 문제는 회로의 중요한 지점에서 저항과 전압을 철저히 측정하고 모든 다양한 작동 상태에서 실제 성능을 설계 예측과 대조하여 불일치를 해결함으로써 식별되고 해결되었습니다. 이 과정을 통해 접지 문제를 원인으로 식별하고 프로토타입을 수정하여 회로 설계를 개선하고 변경 사항이 작동할 것임을 증명할 수 있었습니다.

트랙을 절단하고 와이어 링크로 전도 경로를 재배선함으로써 프로토타입 보드를 효과적으로 변경할 수 있습니다. 우리는 이러한 링크를 '보지 와이어'라고 부르지만, 실제로는 제안된 설계 변경 사항을 검증하고 회로 성능을 체계적으로 검증하는 효과적인 방법입니다. 이 예에서, 접지 문제를 해결하기 위해 광절연기와 일부 접지 경로의 재배선이 필요했습니다.

MOSFET 문제

MOSFET 드라이버가 예상대로 작동하지 않는 문제도 프로토타입 설계 검증을 방해했습니다. 조사를 통해, 스위치 성능이 조립된 설계의 토폴로지와 호환되지 않는다는 것을 확인했습니다. 문제가 되는 행동을 일으킬 수 있는 설계상의 문제를 찾을 수 없어, 원인을 파악하기 위해 MOSFET을 보드 밖에서 테스트했습니다. 이 시점에서, MOSFET이 데이터시트대로 기능하지 않는다는 것이 빠르게 명백해졌고, 이는 데이터시트가 정확하다는 것에 의존하는 전체 설계 과정을 근본적으로 약화시켰습니다.

또 다른 MOSFET 문제는 최대 부하를 관리하기 위해 병렬로 연결된 MOSFET 쌍을 사용하여 회로 설계에 충분한 안전 여유를 두었음에도 불구하고 구성 요소가 정기적으로 파손되었다는 것입니다. 설계 문제를 진단하는 것은 전자 설계자에게 개발 과정의 도전적인 단계입니다. 그러나 성능에 영향을 미치는 여러 독립적인 요소들, 예상대로 행동하지 않는 구성 요소들과 명확하지 않은 접지 문제들이 문제를 악화시켜, 가장 경험이 많은 개발자들조차도 고생하게 합니다.

문제를 해결하는 데 있어 도전적인 부분은 MOSFET 구성 요소가 고장 나는 명확한 원인이 없었다는 것입니다. 모든 회로 구성 요소가 예상대로 작동한다면 문제가 발생해서는 안 됩니다. 회로 설계의 특정 부분에 원인을 국한시키려는 시도로, 초기 실험 보드에서 성공적으로 사용된 구성 요소를 사용하여 게이트 드라이버를 교체했습니다. 도전적인 부분은 이 실험적 구성 요소들이 DIP 패키지에 들어 있었지만, 프로토타입 보드에 있는 드라이버는 SOT-23-5 풋프린트를 가지고 있었다는 것입니다. 그러나 이 연습의 결과는 프로토타입 보드에 사용된 드라이버 때문에 MOSFET이 고장 나는 문제가 있음을 증명했습니다. 드라이버 데이터시트에 대한 철저한 조사는 이러한 구성 요소가 회로에서 사용하기에 부적합한 이유를 식별하지 못했습니다.

MOSFET 드라이버 문제를 해결한 후에도 스위칭 문제가 계속해서 보드에 문제를 일으켰습니다. 결국, 신뢰할 수 있는 성능을 얻기 위한 유일한 방법은 프로토타입 보드에 있는 MOSFET 구성 요소를 실험 보드에서 성공적으로 사용했던 동일한 TO-251 스루홀 장착 MOSFET 구성 요소로 교체하는 것이었습니다. 이 변경은 종이상으로는 성능 차이가 없어야 했음에도 불구하고, 정기적인 테스트에 필요한 신뢰성을 마침내 제공했습니다.

아마도 가장 중요한 교훈은 다음과 같습니다; 구성 요소의 데이터시트가 여러분의 설계가 완벽하다고 말해준다 해도, 성능 문제는 회로 설계의 오류가 아니라 구성 요소 문제로 인해 발생할 수 있습니다.

우리가 배울 수 있는 마지막 MOSFET 문제가 하나 있었는데, 이는 실험실 개조 중에 프로토타입 보드를 개발 영역 밖으로 물리적으로 이동해야 했기 때문에 발생했습니다. 보드를 다시 실험실 영역으로 옮겨 테스트를 재개한 후, 부하 스위칭 기능이 예상대로 작동하지 않았습니다. 원인은 MOSFET 중 하나가 우연한 정전기 방전(ESD)에 노출되어 고장났기 때문이었습니다. 손상된 부품을 교체하면 기능이 복원되고 테스트를 재개할 수 있었습니다.

현재 회로 상태

접지 및 스위칭 문제가 해결되고 통합 프로브 사용 아이디어가 폐기되면서, 프로토타입 테스트 장치는 화가 날 정도로 충분히 사용할 수 있었습니다. 저는 거의 100개의 전압 조절기를 테스트했으며, 많은 것들이 파이프라인에 있습니다. 결과는 이론적이거나 때로는 신화적인 데이터시트 정보가 아닌 실제 성능을 사용하여 프로젝트에 대한 조절기를 선택하는 데 매우 귀중했습니다. 이 접근 방식은 조절기를 꽂은 다음 회로가 예상대로 동작하지 않는 이유를 몇 시간 동안 조사하는 모든 고통스러운 점을 없앴으며, 그 이유가 조절기가 예상대로 성능을 내지 못하기 때문임을 발견했습니다.

계획된 개선 사항

광범위한 규제 테스트 프로그램의 추가적인 이점은 테스트 픽스처의 성능에 대한 더 많은 정보를 밝혀내고 향후 개선을 위한 영역을 식별했다는 것입니다.

전원 공급 및 스위치 제어

다음 개선된 테스트 픽스처 버전에 대해 식별된 주요 변경 사항 중 하나는 MOSFET을 스위칭하기 위해 귀중한 전원 공급 채널을 사용할 필요성을 없애는 것입니다. 이 전원 공급 채널이 더 가치 있는 목적으로 사용될 수 있도록 하는 해결책이 필요합니다.

Keysight DAQ970A 데이터 수집 시스템은 내장형 디지털 멀티미터가 있으며 USB 및 LAN 연결이 가능한 디지털 IO 보드를 갖추고 있어 스위치 제어 기능을 맡아 전원 공급을 해방시킬 수 있습니다. 또는, 테스트 픽스처에 마이크로컨트롤러를 추가하여 테스트 기능을 완전히 자급자족하게 내부 제어 기능을 갖추는 옵션도 항상 있습니다.

다른 계획된 전원 공급 개선 사항으로는 최대 220W 출력을 가진 Rigol DP832 시리즈 전원 공급 장치를 1.5 kW로 평가된 새로운 Kikusui PWX1500 전원 공급 장치로 교체하는 것입니다. 이는 훨씬 더 많은 출력 공급 옵션을 제공하여, 테스트 중인 고성능 전압 조정기의 필요한 전압이나 전류 요구 사항을 충족하기 위해 전원 출력을 직렬 또는 병렬로 연결할 필요성을 없앱니다.

부하 카드

두 번째 주요 변경 사항은 수동으로 부하 카드를 교체할 필요성을 없애는 것으로, 조절기의 순간적인 테스트를 위해 충분히 빠른 슬루율을 가진 제어 가능한 DC 부하로 카드를 교체할 계획입니다.

테스트 대상 부품 연결

세 번째 주요 변경 사항은 테스트 중인 전압 조정기가 어댑터 카드에 납땜될 필요가 없도록 하고, 대신 다양한 연결 구성을 처리할 수 있는 신뢰할 수 있는 방식으로 조정기를 연결하는 방법으로 교체하는 것입니다. 해결책을 적절한 시기에 공개할 계획입니다.

통합 프로브

마지막으로 통합 프로브의 문제가 있습니다. 실용적인 해결책이 테스트 픽스처의 사용성을 향상시킬 수 있는 올바른 결과를 제공할 것입니다. 해답은 고임피던스 입력 오실로스코프를 표준 50옴 입력이 있는 모델로 교체하여 일반적인 50옴/미터 동축 케이블을 연결할 수 있는 간단한 전압 분배기를 지원하는 것입니다. 이를 통해 거의 완벽한 신호를 얻을 수 있습니다.

결론

이 글은 최고로 설계된 회로가 예상치 못한 문제를 제시할 수 있음을 보여줍니다. 독립적인 동료 검토를 거친 가장 간단한 회로 설계조차도 이론적인 설계가 실제 장치가 되었을 때 예상대로 작동하지 않을 수 있습니다. 중요하게도, 데이터시트는 오해의 소지가 있거나 심지어 잘못될 수 있습니다. 아이러니하게도, 성능 차이를 해결하기 위해 전압 조정기를 그들의 사양에 따라 검증하기 위해 설계된 테스트 픽스처는 데이터시트 문제로 인해 거의 좌초될 뻔했습니다.

이 실제 사례에서, 추가로 참여한 경험 많은 엔지니어들이 두 번째 의견을 제공했음에도 불구하고 접지 문제를 식별하는 데 도움이 되지 않았으며, 사용 가능한 드라이버 및 구성 요소 데이터시트를 바탕으로 볼 때 스위칭 문제가 발생해서는 안 되었습니다.

그러나 긍정적인 측면에서, 테스트 장치가 작동하기 시작하자, 테스트에서 수집된 방대한 데이터 덕분에 그 가치를 빠르게 보여주었고, 새 프로젝트를 위한 전압 조절기 선택을 대폭 단순화시켰습니다.

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