ATE 시스템용 디바이스 전원공급(DPS) IC 선택 시 고려 사항

글: 마드후라 탑세(Madhura Tapse) 선임 스태프 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

자동화 테스트 장비(automated test equipment, ATE)에서 디바이스 전원 공급(device power supply, DPS) IC를 사용하면 테스트 요구사항에 따라 유연하게 FV(force voltage) 및 FI(force current)를 공급할 수 있다. 부하 전류가 설정된 두 개의 전류 한계 사이에 있다면 DPS IC는 전압 소스로 동작하고, 설정된 전류 한계에 도달하면 매끄럽게 정밀 전류 소스/싱크로 전환한다.

Figure 1. MAX32010 Diagram — 그림 1. MAX32010 다이어그램

그림 1은 아나로그디바이스의 차세대 디바이스 전원 공급 IC인MAX32010의 개략적인 아키텍처를 보여준다. FIMODE, FVMODE, FISLAVE MODE 스위치는 FV, FI, FI Slave 모드를 선택하고, HIZF 및 HIZM 스위치는 각각 MV(measure voltage) 및 MI(measure current) 모드를 선택한다. RANGE MUX는 외부 검출 저항과 함께 작동해서 서로 다른 전류 범위(RA(1.2A), RB(20mA), RC(2mA), RD (200µA))를 가능하게 한다. 공식 R_SENSE = 1V/I_OUT에 따라 검출 저항 값을 변경해서 특정한 전류 범위를 설정할 수 있다. CLEN 스위치와 ICLMP 및 VCLMP DAC를 사용해서 전압 및 전류 클램프를 설정할 수 있다.

이 글에서는 디바이스 전원 공급 IC를 선택할 때 중요하게 고려해야 할 두 가지 사항인 범위 전환 글리치(range change glitch)와 전원 공급 효율에 대해 설명한다. 그 다음에는 특정 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 DPS 시스템을 설계하는 방법에 대해 설명한다.

범위 전환 글리치:

Figure 2B. Range Change Glitch — 그림 2. 아나로그디바이스의 제품과 경쟁사 제품의 범위 전환 글리치 비교

첫 번째 고려사항인 범위 전환 글리치부터 살펴보자. ATE가 DUT 테스트를 하는 동안, 시스템이 다른 테스트로 전환하기 위해 전류 범위를 바꿔야 할 때가 있다. IDDQ, 다시 말해서 대기 전류(quiescent current) 측정은 작은 값의 전류를 측정하기 위해서 통상적으로 매우 낮은 전류 범위를 필요로 한다. 이 때, 극히 낮은 전류 범위로 전환하면 전압 스파이크 혹은 글리치가 발생하여 측정에 영향을 미칠 뿐만 아니라 DUT를 손상시킬 수 있다. 글리치를 일으키지 않는 범위 전환은 DUT를 보호하고 테스트의 신뢰도를 높일 수 있다. 그림 2에서는 270pF(그림2의 10uF이 오타인지 글의 270pF가 오타인지 확인이 필요합니다.)의 부하 커패시터를 사용하여 테스트했을 때 ADI의 DPS IC가 어떠한 글리치도 일으키지 않으면서 아주 매끄럽게 전환한다는 것을 알 수 있다. 부하 커패시터를 사용하지 않을 경우(0pF), 이 전환은 25mV/20s의 램프 레이트로 20s 동안 일어난다. 이는 경쟁사 제품의 글리치보다 훨씬 작은 것이다. 경쟁사 제품은 수 마이크로초 동안 159mV의 글리치를 나타낸다. 따라서 ADI의 DPS IC 성능이 경쟁사 제품의 범위 전환 성능보다 536% 더 우수하고, DUT에 어떠한 손상도 일으키지 않는다는 것을 알 수 있다.

디바이스 전원 공급 효율:

표 1: 디바이스 전원 공급 효율 비교
IC	POWER I/P	POWER O/P	효율
MAX32010	12V, 1.2A	7V, 1.2A	58.33%

DPS IC를 선택할 때 또 다른 중요한 고려사항은 디바이스 전원 공급 효율이다. 이 효율이 비용 절감과 시스템 신뢰성에 직접적으로 영향을 미치기 때문이다. 효율이 높을수록 비용 절감 효과와 신뢰성이 우수하고, 시스템 수명 또한 연장한다. DPS 효율이 떨어질수록 더 많은 열을 발생하고, 더 많은 열 발생은 부품을 더 빨리 마모시키고 더 자주 고장을 일으킨다.

DPS 효율은 ‘효율 = 출력 전력/입력 전력’으로 계산할 수 있다.

표 1에서 보듯이, ADI 제품은 경쟁사 제품보다 높은 효율(58.33%)로 더 높은 전류(1.2A)를 제공한다. ADI의 DPS 효율은 경쟁사 2의 DPS IC보다는 11% 더 우수하고 경쟁사 1보다는 155% 더 우수하다.

이번에는 특정 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는 DPS 시스템을 설계할 때 몇 가지 고려 사항에 대해 알아보자.

특정한 부하 전류 요구를 충족하도록 DPS를 설계하는 방법

Figure 3. Custom Load Current Selection using Sense Resistors — 그림 3. 검출 저항을 사용해서 특정한 부하 전류 선택

각각의 ATE는 테스트하고자 하는 디바이스(DUT)에 따라서 특정한 부하 전류 요구 사항을 갖는다. MAX32010은 단 하나의 검출 저항 값만 변경해서 특정한 범위를 선택할 수 있다. MAX32010의 RANGE MUX는 다음 전류 범위 중의 하나를 선택한다: RA(1.2A),RB(20mA), RC(2mA), RD(200uA). 공식 R_SENSE = 1V/I_OUT에 따라서 검출 저항 값을 선택할 수 있다. 만약 필요한 부하 전류가 5mA라고 한다면, 5mA는 범위 B에 해당된다. 적절한 R_{SENSE를 선택하고자 한다면 R_SENSE = RB = 1V/5mA = 200Ω이다. ADI의 애플리케이션 노트 7068에서는 검출 저항 선택과 관련한 보다 자세한 설명을 제공한다.}

더 높은 출력 전류를 달성하는 방법

Figure 4. Parallel DPS Configuration Achieves Higher Output Current — 그림 4. 병렬 DPS 구성으로 더 높은 출력 전류 달성

많은 경우, DUT는 DPS가 제공할 수 있는 것보다 더 높은 전류를 필요로 할 수 있다. 그림 4에서 보듯이, 여러 DPS 디바이스를 병렬로 연결함으로써 1.2A 이상의 전류를 제공할 수 있다. 전류를 두 배로 높이기 위해서는 두 개의 디바이스를 모두 FI 모드로 설정한다. 예를 들어, 2개의 7V 1.2A 디바이스를 병렬로 연결하면 최대 7V로 2.4A의 출력 전류를 달성할 수 있다.

Figure 5. 50% Duty Cycle Pulsed Testing Output of MAX32010 — 그림 5. MAX32010의 50% 듀티 사이클 펄스형 테스트 출력

DPS의 출력 구동 전류를 높일 수 있는 또 다른 방법은 출력을 펄싱하는 것이다. 짧은 지속시간 동안만 전류를 필요로 할 때 그림 5에서 보는 것과 같이 펄스를 사용한 테스트가 가능하다. 이러한 테스트의 한 예가 DUT의 I-V 특성분석이다. 펄스형 테스트를 위해서는 FI 온 시간(On time)의 듀티 사이클을 조절해야 한다. 이 예의 경우에는 DPS 모드를 50%의 시간에는 FI 모드로 설정하고 나머지 50%의 시간에는 ‘높은 임피던스’ 모드로 설정하고 있다. 듀티 사이클은 DUT의 전류 요구에 따라 조절할 수 있다. MAX32010 IC로 이 시험을 실시했을 때 결과는 다음과 같았다:

최대 출력 전류 = 최대 50% 듀티 사이클로 1.436A

DPS 시스템에 적합한 히트싱크 선택 방법

신뢰할 수 있으며 안정적인 시스템을 달성하기 위해서는 히트싱크를 잘 선택하는 것 역시 중요하다. 다음 보기에서는 MAX32010을 예로 들어서 적합한 히트싱크를 선택하는 방법을 단계별로 설명한다.

1단계:패키지 규격을 확인한다. 적합한 히트싱크 선택에는 패키지 열 분석이 유용하다. 열을 소산하기 위한 노출 패드 면적을 아는 것이 중요하다.

2단계:PCB 열 특성을 확인해서 JA의 경계 조건을 계산한다. 전력 손실을 계산하고 열 소산을 위한 모든 매질(전도, 대류, 복사)을 고려한다.

Figure 6. Temperature Distribution with Heatsink — 그림 6. 히트싱크를 사용했을 때 MAX32010 패키지의 온도 분포

3단계:패키지 온도 분포를 계산할 때 중요한 두 가지 변수는 히트싱크 베이스 면적과 히트싱크 팬의 유량이다. 이 IC의 접합부 온도를 열 셧다운 온도 아래로 유지하도록 해야 한다. 정지 공기를 사용한 분석 결과를 보면, MAX32010으로 접합부 온도를140°C 이하로 유지하기 위해서는 베이스 면적 30.48mm x 30.48, 두께 5mm, 핀 길이 15mm인 히트싱크가 필요한 것으로 확인된다(그림 6).

Figure 7. Thermal Analysis of MAX32010 — 그림 7. MAX32010의 열 분석

4단계:이 IC의 접합부 온도를 140°C 이하로 유지하는 데에는 공기 흐름과 히트싱크 소재 역시 중요한 역할을 한다. 분석 결과를 보면, 구리 히트싱크에 1m/s의 공기 흐름을 추가함으로써 온도 성능을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 나타난다.

맺음말

이 글에서는 자동화 테스트 장비(ATE) 시스템에 디바이스 전원 공급(DPS) IC를 선택하는 것에 대해 알아보았다. 이 글에서 제시한 사항들을 고려해서 특정한 ATE 시스템의 필요에 적합한 DPS IC를 선택할 수 있다. 이 글에서는 또한 ATE 시스템의 출력 전류 및 열 요구를 충족하기 위한 시스템 차원의 아키텍처에 대해서도 살펴봤다.