광혈류 측정(PPG) 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용 전원장치 서브시스템 – 1부

글: 펠리페 네이라(Felipe Neira) 애플리케이션 트레이닝 및 기술 서비스 담당 선임 테크니컬 스태프(MTS), 마크 스미스(Marc Smith) 애플리케이션 담당 수석 테크니컬 스태프(MTS) / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

개요

총 2부로 구성되는 이 글에서는, 뛰어난 시스템 신호대 잡음비 성능이 요구되는 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용으로 설계 및 검증된 스위치 모드 전원 회로 설계를 소개한다. 1부에서는 최상의 성능을 달성하도록 설계된 디스크리트 솔루션에 관해서 설명하고, 2부에서는 공간 제약적 애플리케이션용으로 적합하게 설계된 집적화된 솔루션에 관해서 설명한다.

이 글에서는 다음과 같은 주제들을 다룬다:

➤광혈류 측정(photoplethysmogram, PPG) 시스템에 적합한 전원장치 구성 및 선택 방법

➤스위치 모드 전원장치(SMPS) 레퍼런스 회로 구현 방법으로서 디스크리트 설계(1부)와 통합 설계(2부) 방식 비교

➤ 서로 다른 활용 사례와 부하 조건에서 시스템을 검증하기 위한 전원장치 성능 테스트 방법론

➤회로 구현을 검증하기 위한 체크리스트

➤회로 구현과 관련하여 발생하는 문제들에 대한 해결 방안

총 2부로 구성되는 이 연재물에서는 뛰어난 시스템 신호대 잡음비(SNR) 성능을 요구하는 광혈류 측정(photoplethysmogram, PPG) 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용으로 개발 및 검증된 전원장치 회로 설계를 소개한다. PPG 장비는 혈류량 변화를 측정함으로써 이로부터 혈중 산소포화도나 심박수 같은 생체지표 정보를 도출할 수 있다.

1부에서는 아나로그디바이스(Analog Devices, ADI)의MAX86171광학식 맥박 산소포화도 측정 및 심박수 센서 아날로그 프론트 엔드(AFE)를 기반으로 한 PPG 장비에서 최상의 성능을 달성하도록 설계된 디스크리트 전원장치 회로 설계 솔루션에 대해서 설명한다. 2부에서는 공간 제약적 애플리케이션용으로 적합한 통합 솔루션에 대해서 설명한다.

웨어러블 의료 및 헬스케어 애플리케이션에서는 크기 제약과 전력 효율 등의 이유로 스위치 모드 전원장치(SMPS, 일명 DC-DC 컨버터)가 주로 사용된다. 이러한 전원장치를 사용해서 배터리 구동 제품을 설계하면 배터리 시간을 연장할 수 있다. 하지만 설계 엔지니어에게는 자신이 설계하는 시스템에서 바이오센싱 디바이스의 성능을 방해하지 않도록 적합한 SMPS 디바이스를 선택하고 회로 보드 레이아웃을 적절하게 설계하는 것이 여전히 과제이다.

이러한 과정을 돕기 위해, ADI는 바이오센싱 AFE 디바이스의 신호대 잡음비 성능을 방해하지 않도록 사전에 충분히 검증된 전원장치 서브시스템 회로 설계를 제공한다. 이 글에서는 이러한 전원장치 설계를 각각의 구현 사례와 함께 설명하고, 이와 더불어 회로 설계 엔지니어를 돕기 위한 점검 리스트와 필요할 경우 문제 해결을 위한 안내 지침들을 소개한다. 그림 1은 많은 원격 환자 모니터링 애플리케이션의 표준 전원 블록 다이어그램을 보여준다.

Figure 1. A block diagram of a typical PPG remote patient vital sign monitor. — 그림 1: PPG 원격 환자 생체지표 모니터링 시스템의 블록 다이어그램

설계 요건:
입력		출력 (V_DIG, V_ANA, V_LED)		잡음, RTO
V_IMIN	V_IMAX	V_OMIN	V_OMAX	V p-p_(max)
3.0 V¹	4.2 V¹	1.6 V	2.0 V	30 mV p-p
2.0 V²	3.4 V²	1.6 V	2.0 V	30 mV p-p
		4.7 V	5.3 V	20 mV p-p

¹이차 전지 (LiPo)
²일차 전지 (리튬 코인셀)

설계 구성
설계 구성	배터리 구현	보드 레이아웃 고려사항
디스크리트 설계	일차 전지 (코인셀) 이차 전지 (Li 및 LiPo)	디스크리트 디바이스들을 사용한 회로 구현
집적화 설계	이차 전지 (Li 및 LiPo)	단일 IC를 사용하여 보드 면적 최소화 이차 전지만 지원

디스크리트 설계

이 DC-DC 컨버터 설계는 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션을 위해 3개의 출력 전원 레일을 레귤레이트한다. 이 회로는 적절한 라인 및 부하 레귤레이션을 하는 동시에, 바이오센싱 SNR 성능을 방해하지 않도록 낮은 출력 잡음을 유지하는데, 이러한 동작을 위한 전원은 리튬 폴리머 이차 전지 또는 리튬 셀 일차 전지로부터 공급받는다. 그림 2는 디스크리트 전원공급 장치를 사용하는 PPG 서브시스템을 보여준다.

Figure 2. A block diagram of a PPG subsystem using discrete power supply devices. — 그림 2: 디스크리트 전원공급 장치를 사용한 PPG 서브시스템 블록 다이어그램

주요 부품
표기	부품	설명
U1	DC-DC 컨버터	전력 변환기 (MAX38640A와 MAX20343H)
L1	2.2 μH 인덕터	낮은 등가직렬저항(low ESR) 인덕터 (에너지) 저장 소자¹
C1	22 μF 커패시터	낮은 ESR 커패시터 (에너지) 저장 소자¹

¹L1과 C1은 DC-DC 컨버터(SMPS) 성능에 결정적인, 특별히 선택된 수동 소자들이다.

nanoPower 벅 컨버터를 사용하는 1.8V SMPS 회로

아래 회로는MAX38640AnanoPower 벅 컨버터(그림 3)를 사용한 것으로서, 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에서 SMPS 디바이스를 적절히 작동하기 위한 통상적인 입력 및 출력 레벨을 보여준다. 그림 3에서 보듯이, 디지털 멀티미터(DMM)를 사용하여 입력 포트와 출력 포트를 탐침해서 공급 전압 레벨을 확인할 수 있다. 전원장치 출력 레벨은 배터리 방전이나 변동적인 부하(디바이스 모드 전환, 슬립 모드로부터 기동 등) 같은 여러 요인들에 의해 달라질 수 있다.

Figure 3. A 1.8 VDC MAX38640A SMPS circuit for remote patient vital sign monitoring applications — 그림 3: 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용 1.8V_DC MAX38640A SMPS 회로

1.8V SMPS 회로 검증을 위한 체크리스트

아래의 회로 검증 체크리스트(그림 4)는 설계 엔지니어가 1.8V SMPS 회로 보드를 작성한 후에 전기적 테스트를 실시할 때 확인해야 할 항목들을 보여준다. 이 체크리스트를 제품 테스트용 기본 틀로 활용할 수도 있다.

Figure 4. Tools for troubleshooting the MAX38640A SMPS circuit. — 그림 4: 1.8VDC MAX38640A SMPS 회로 검증을 위한 체크리스트

다음 표는 바이오센싱 회로 부하가 연결된 상태에서 MAX38640A 디바이스를 사용하여 아날로그 또는 디지털 1.8V SMPS 회로가 잘 작동하는지 검증하기 위한 체크리스트로 사용될 수 있다.


단계	검사 항목	검사 방법	측정	도움이 필요할 때?
1	입력 DC 전원공급 장치 검사	배터리 전압 측정	판독 범위:	문제 해결 지침에 따라 문제 해결
	LP401230 LiPo 배터리		3.0V – 4.2V
	CR2032 리튬 코인 배터리		2.0V – 3.4V
2	입력 DC 전원공급 장치 검사	C_IN상의 전압 측정	판독 범위:
	LP401230 LiPo 배터리		3.0V – 4.2V
	CR2032 리튬 코인 배터리		2.0V – 3.4V
3	V_OUT DC 레벨 검사	C_OUT상의 전압 측정	판독 범위: 1.71V – 1.89V
4		부하 상의 전압 측정	판독 범위: 1.71V – 1.89V
5	출력 잡음 레벨 검사	피그 테일 10x 싱글 엔디드 프로브나 차동 능동 프로브 사용	리플 잡음 레벨이 20mVPP 미만이어야 함

MAX38640A(1.8V 출력) SMPS 회로의 문제 해결

다음의 회로 문제해결 가이드(그림 5)는 1.8V SMPS 회로를 작동했을 때 문제가 발생할 경우, 설계 엔지니어에게 도움을 주기 위한 것으로서, 이들 SMPS를 구현할 때 발생할 수 있는 가장 일반적인 문제들을 다루고 있다.

MAX38640A SMPS 회로의 문제 해결:

1단계 – 입력 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 디지털 멀티미터(DMM)를 사용해서 MAX38640A 디바이스의 입력 전압을 측정한다. ‘검정색’ 마이너스 리드는 접지에 연결하고, ‘빨간색’ 플러스 리드는 이 디바이스의 입력 “IN” 핀에 연결한다. 이 입력 핀에 접근하는 것이 쉽지 않으면, 리드들을 입력 커패시터 C_IN에 연결한다.

Figure 5. Tools for troubleshooting the MAX38640A SMPS circuit. — 그림 5: MAX38640A SMPS 회로의 문제 해결

아래 표를 사용해 관련 문제들을 진단 및 해결할 수 있다:


입력 전압 판독	가능한 원인	조치	비고
0V/판독 불가	배터리가 충전되지 않았다. 배터리에 문제가 있다.	배터리 연결을 해제하고, 전압을 측정한다. 0V로 측정되면 배터리를 충전한다.	배터리가 충전되지 않으면 배터리를 교체한다.
	배터리가 연결되지 않았다(IN 또는 GND 라인).	배터리 연결을 해제하고, 배터리 커넥터에서 디바이스 입력으로 전도가 되는지 테스트한다.	PCB에 개방이 발생했을 수 있다.
	입력 커패시터가 접지로 단락되었다.	배터리 연결을 해제하고, 커패시터가 도통되는지 확인한다.	커패시터가 불량이다. PCB에 단락이 발생했을 수 있다.
	EN 핀이 접지에 연결되었다.	배터리 연결을 해제하고, EN 핀에서 접지로 전도가 되는지 테스트한다.	정상적인 작동을 위해서는 EN 핀을 하이(high)로 연결해야 한다.
3.0V 미만 (LiPo 배터리) 2.0V 미만 (리튬이온 배터리)	배터리 충전 수준이 낮다. 배터리에 문제가 있다.	배터리 연결을 해제하고, 전압을 측정한다. 2.8V 미만으로 확인되면 배터리를 충전한다.	배터리가 충전되지 않으면 배터리를 교체한다.
3.0V~4.2V (LiPo 배터리) 2.0V~3.4V (리튬이온 배터리)		필요 없음	입력 전압이 정상이다. 2단계로 넘어간다.
4.2V 이상 (LiPo 배터리) 3.4V 이상 (리튬이온 배터리)	배터리에 문제가 있다.	배터리를 교체한다.

2단계 – 인덕터 신호 파형 확인: 오실로스코프 또는 디지털 저장 스코프(DSO)를 사용해서 MAX38640A 디바이스의 LX 핀을 탐침한다. 이 입력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 프로브를 인덕터 끝에 있는 커패시터에 연결한다.

* 주의: 오실로스코프와 프로브는 대역폭이 최소한 200MHz 이상이어야 한다.

이 회로가 경부하(50mA 미만)로 동작할 때 파형은 그림 6처럼 나타날 것이다.

Figure 6. Oscilloscope screen capture of a typical MAX38640A VLX waveform with light load. — 그림 6: 경부하일 때 통상적인 MAX38640A VLX 파형을 포착한 오실로스코프 화면

이 회로가 중부하로 동작할 때 파형은 그림 7에서 보이는 것처럼 상승 및 하강 에지 상에 최소한의 링잉을 갖는 사각파일 것이다.

Figure 7. Oscilloscope screen capture of a switching waveform for the MAX38640A. — 그림 7: MAX38640A의 스위칭 파형을 포착한 오실로스코프 화면

이 사각파의 진폭은 입력 배터리 전압과 거의 비슷할 것이다. 이 사각파의 플로어 전압은 접지보다 약 200mV~300mV 낮을 것이다(예: -250mV). 듀티 사이클은 출력 전압에 비례하므로, 3.6V 입력 배터리 전압으로 1.8V 출력 전압을 발생할 경우 듀티 사이클은 약 50%일 것이다. 그림 8은 듀티 사이클과 출력 전압의 관계를 보여준다.

Figure 8. An illustration of the MAX38640A duty cycle vs. output voltage. — 그림 8: MAX38640A의 출력 전압 대비 듀티 사이클

이상적인 사각 파형과 비교했을 때 나타나는 차이점을 이용해 많은 문제들을 효과적으로 진단하고 해결할 수 있다:

아래 표를 사용해 관련 문제들을 진단 및 해결할 수 있다:


입력 파형	가능한 원인	조치	비고
진폭이 적정하지 않다.	인덕터가 개방되었다. IN 핀이 개방되었다. EN이 개방되었거나 접지로 연결되었다.	배터리 연결을 해제하고, DMM을 사용해서 모든 연결 지점들을 확인한다.	필요하다면 PCB를 수리한다.
듀티 사이클이 적정하지 않다. (출력 전압과 상관적이지 않다.)	R_SEL이 적정 값(768KΩ)이 아니다. 외부 저항에 문제가 있다.	배터리 연결을 해제하고, DMM(R-측정)을 사용해서 R_SEL 을 확인한다.	적정 값의 저항으로 교체한다. value resistor
	R_SEL 핀이 개방되었다. (V_O = 2.5 V)	출력이 2.5V인지 확인한다. 배터리 연결을 해제하고, 저항에서 RSEL 핀으로 전도가 되는지 테스트한다. R_SEL	PCB에 개방이 발생했을 수 있다.
	R_SEL핀이 접지로 단락되었다. (V_O = 0.8 V)	출력이 0.8V인지 확인한다. 배터리 연결을 해제하고, 커패시터 상의 저항을 측정한다.	PCB에 단락이 발생했을 수 있다.
파형 왜곡이 발생한다. 상승 에지가 둥글게 된다.	인덕터 연결이 불량하다.	인덕터 연결을 다시 한다. 인덕터를 교체한다.	연결 불량은 보다 높은 라인 저항을 유발할 수 있다.

3A 단계 – 출력 DC 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 DMM을 사용해서 MAX38640A 디바이스 출력에서 전압을 측정한다. ‘검정색’ 마이너스 리드는 접지에 연결하고, ‘빨간색’ 플러스 리드는 이 디바이스의 출력 “OUT” 핀에 연결한다. 이 출력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 리드들을 출력 커패시터 C_OUT에 연결한다.

아래 표를 사용해 관련 문제들을 진단 및 해결할 수 있다:


출력 전압 판독	가능한 원인	조치	비고
0V/판독 불가	SMPS에서 C_OUT으로 연결이 되지 않았다.	배터리 연결을 해제하고, 출력에서 C_OUT으로 전도가 되는지 테스트한다.	PCB에 개방이 발생했을 수 있다.
	출력 커패시터가 접지로 단락되었다.	배터리 연결을 해제하고, 커패시터가 도통되는지 확인한다.	PCB에 단락이 발생했을 수 있다.
판독이 너무 낮다. (1.71V_DC 미만)	인덕터가 부적정한 값이다. 인덕터가 포화되었다. R_SEL이 부적정한 값이다.	배터리 연결을 해제하고, 인덕터와 저항 값을 확인한다.
1.71V~1.89V		불필요	정상 작동
판독이 너무 높다 (1.89V_DC 이상)	R_SEL이 부적정한 값이다.	배터리 연결을 해제하고, R_SEL 값을 확인한다.

3B 단계 – 출력 AC 전압 확인: 오실로스코프 또는 DSO를 사용해서 MAX38640A 디바이스의 OUT 핀을 탐침하여 이번에는 출력 리플(AC)을 측정한다. 출력을 정확하게 측정하고 RF 픽업을 최소화하기 위해 10x 피그 테일 프로브 사용을 권장한다. 차동 능동 프로브를 사용하면 주변 잡음을 더욱 더 낮출 수 있다.

* 주의: 오실로스코프와 프로브는 대역폭이 최소한 200MHz 이상이어야 한다.

이 회로가 정상적으로 작동한다면 파형은 1.8 V_DC 출력에 약간의 리플 파형이 얹혀진 모습일 것이다. 그림 9는 이 리플 파형을 보여준다.

Figure 9. Oscilloscope screen capture of the MAX38640A output ripple waveform. — 그림 9: MAX38640A 출력 리플 파형을 포착한 오실로스코프 화면

아래 표를 사용해 관련 문제들을 진단 및 해결할 수 있다:


입력 파형	가능한 원인	조치	비고
리플 진폭이 너무 크다. (20mVpp 이상)	커패시터 값이 적정하지 않다. 커패시터에 문제가 있다.	배터리 연결을 해제하고, DMM을 사용해서 모든 연결 지점들을 확인한다. 커패시터 값을 측정한다.
리플 주파수가 V_LX사각파 주파수와 일치하지 않는다.	경부하이다.	부하를 확인한다.
광대역 잡음이 너무 높다.	부하가 너무 크다. 환경적 잡음이 존재한다.	부하와 환경적 잡음을 점검한다.	환경적 잡음을 낮추기 위해서는 피그 테일 10x 프로브 또는 능동 차동 프로브를 사용한다.
전이 스파이크가 너무 높다. (30mVp 이상)	부하 인덕턴스 때문이다. 입력 전류가 적정하지 않다.	라인 인덕턴스를 확인한다. 스코프를 사용해서 입력 전류를 확인한다.

저잡음 벅-부스트 컨버터를 사용한 5.0V SMPS 회로

아래 회로는 MAX20343H 저잡음 벅-부스트 컨버터를 사용한 것으로서, 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에서 SMPS 가 정상적으로 동작할 때의 통상적인 입력 및 출력 레벨을 보여준다. 그림 10에서 보듯이, DMM을 사용하여 입력 포트와 출력 포트를 탐침해서 공급 전압 레벨을 확인할 수 있다. 전원장치 출력 레벨은 배터리 방전이나 변동적인 부하(디바이스 모드 전환, 슬립 모드로부터 기동 등) 같은 여러 요인들에 의해 달라질 수 있다.

Figure 10. A block diagram of the 5.0 VDC MAX20343H SMPS circuit for remote patient vital sign monitoring applications. — 그림 10: 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션용 5.0V_DC MAX20343H SMPS 회로 블록 다이어그램

5.0V SMPS 회로 검증을 위한 체크리스트

아래의 회로 검증 체크리스트는 설계 엔지니어가 5.0V SMPS 회로 보드를 작성한 후에 전기적 테스트를 실시할 때 확인해야 할 항목들을 보여준다. 이 체크리스트를 제품 테스트용 기본 틀로 활용할 수도 있다.

다음 표는 바이오센싱 회로 부하에 연결된 상태에서 MAX20343H 디바이스를 사용하여 아날로그 5.0V SMPS 회로가 잘 작동하는지 검증하기 위한 체크리스트로 사용될 수 있다.


단계	검사 항목	검사 방법	측정	도움이 필요할 때?
1	입력 DC 전원공급 장치 검사	판독 범위:	판독 범위:	문제 해결 지침에 따라 문제 해결
	LP401230 LiPo 배터리	3.0V – 4.2V
	CR2032 리튬 코인 배터리	2.0V – 3.4V
2	입력 DC 전원공급 장치 검사	상의 전압 측정 C_IN	판독 범위:
	LP401230 LiPo 배터리	3.0V – 4.2V
	CR2032 리튬 코인 배터리	2.0V – 3.4V
3	V_OUT DC 레벨 검사	C_OUT상의 전압 측정	판독 범위: 4.75V – 5.25V
4	V_OUT DC 레벨 검사	부하 상의 전압 측정	판독 범위: 4.75V – 5.25V
5	출력 잡음 레벨 검사	피그 테일 10x 싱글 엔디드 프로브 또는 차동 능동 프로브 사용	리플 잡음 레벨이 20mVpp 미만이어야 함.

5.0V SMPS 회로의 문제 해결 가이드

다음의 회로 문제 해결 가이드(그림 11)는 5.0V SMPS 회로를 작동했을 때 문제가 발생할 경우, 설계 엔지니어에게 도움을 주기 위한 것으로서, 이들 SMPS를 구현할 때 발생할 수 있는 가장 일반적인 문제들을 다루고 있다.

MAX20343H SMPS 회로의 문제 해결

1단계 – 입력 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 DMM을 사용해서 MAX20343H 디바이스의 입력 전압을 측정한다. ‘검정색’ 마이너스 리드는 접지에 연결하고, ‘빨간색’ 플러스 리드는 이 디바이스의 입력 “IN” 핀에 연결한다. 이 입력 핀에 접근하는 것이 쉽지 않으면, 리드들을 입력 커패시터 C_IN에 연결한다.

아래 표를 사용해 관련 문제들을 진단 및 해결할 수 있다:


입력 전압 판독	가능한 원인	조치	비고
0V/판독 불가	배터리가 충전되지 않았다. 배터리에 문제가 있다.	배터리 연결을 해제하고, 전압을 측정한다. 0V로 측정되면 배터리를 충전한다.	배터리가 충전되지 않으면 배터리를 교체한다.
	배터리가 연결되지 않았다. (IN 또는 GND 라인)	배터리 연결을 해제하고, 배터리 커넥터에서 디바이스 입력으로 전도가 되는지 테스트한다.	PCB에 개방이 발생했을 수 있다.
	입력 커패시터가 접지로 단락되었다.	배터리 연결을 해제하고, 커패시터가 도통되는지 확인한다.	PCB에 단락이 발생했을 수 있다.
	EN 핀(SDA/EN)이 접지에 연결되었다.	배터리 연결을 해제하고, 배터리 커넥터에서 디바이스 입력으로 전도가 되는지 테스트한다.	정상적인 작동을 위해서는 EN 핀을 하이(high)로 연결해야 한다.
2.8V 미만	배터리 충전 수준이 낮다. 배터리에 문제가 있다.	배터리 연결을 해제하고, 전압을 측정한다. 2.8V 미만으로 확인되면 배터리를 충전한다.	배터리가 충전되지 않으면 배터리를 교체한다.
2.8V~4.2V		필요 없음	입력 전압이 정상이다. 2단계로 넘어간다.
4.2V 이상	배터리에 문제가 있다.	배터리를 교체한다.

Figure 11. Tools for troubleshooting the MAX20343H circuit. — 그림 11: MAX20343H 회로의 문제 해결을 위한 도구

2단계 – 인덕터 신호 파형 확인: 오실로스코프 또는 DSO를 사용해서 MAX20343H 디바이스의 HVLX 핀을 탐침한다. 이 입력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 프로브를 인덕터 끝에 있는 커패시터에 연결한다.

* 주의: 오실로스코프와 프로브는 대역폭이 최소한 200MHz 이상이어야 한다.

이 회로가 정상적으로 작동한다면 파형은 그림 12에서 보이는 것처럼 상승 및 하강 에지 상에 최소한의 링잉을 갖는 펄스파일 것이다.

Figure 12. Oscilloscope screen capture of a typical MAX20343H HVLX waveform with 10 mA light load. — 그림 12: 10mA 경부하일 때 MAX20343H HVLX 파형을 포착한 오실로스코프 화면

500ns 펄스파 진폭은 입력 배터리 전압과 거의 비슷할 것이다. 이 펄스파 플로어 전압은 접지의 100mV 이내일 것이다. 출력 주파수와 펄스파의 듀티 사이클은 부하 전류에 비례한다. 그림 13과 그림 14는 서로 다른 부하 조건에서 출력파와 신호 주파수를 보여준다.

Figure 13. Oscilloscope screen capture of a typical MAX20343H HVLX waveform with 125 mA load. — 그림 13: 125mA 부하일 때 MAX20343H HVLX 파형을 포착한 오실로스코프 화면

이상적인 사각 파형과 비교했을 때 나타나는 차이점을 이용해 많은 문제들을 효과적으로 진단하고 해결할 수 있다:

아래 표를 사용해 관련 문제들을 진단 및 해결할 수 있다:


입력 파형	가능한 원인	조치	비고
진폭이 적정하지 않다.	인덕터가 개방되었다. IN 핀이 개방되었다. EN이 개방되었거나 접지에 연결되었다.	배터리 연결을 해제하고, DMM을 사용해서 모든 지점들을 확인한다.	필요하다면 PCB를 수리한다.
듀티 사이클이 적정하지 않다(출력 전압과 상관적이지 않다).	R_SEL 이 적정 값(6.65KΩ)이 아니다. 외부 저항에 문제가 있다.	배터리 연결을 해제하고, DMM(R-측정)을 사용해서 R_SEL을 확인한다	적정 값의 저항으로 교체한다.
	R_SEL 핀이 개방되었다. (V_O = 3.3 V)	출력이 3.3V인지 확인한다. 배터리 연결을 해제하고, 저항에서R_SEL 핀으로 전도가 되는지 테스트한다.	PCB에 개방이 발생했을 수 있다.
	R_SEL핀이 접지로 단락되었다. (V_O = 5.5 V)	출력이 5.5V인지 확인한다. 배터리 연결을 해제하고, 커패시터 상의 저항을 측정한다.	PCB에 단락이 발생했을 수 있다.
파형 왜곡이 발생한다. 상승 에지가 둥글게 된다.	인덕터 연결이 불량하다.	인덕터 연결을 다시 한다. 인덕터를 교체한다.	연결 불량은 보다 높은 라인 저항을 유발할 수 있다.

Figure 14. Oscilloscope screen capture of a typical MAX20343H HVLX waveform with 246 mA load. — 그림 14: 246mA 부하일 때 MAX20343H HVLX 파형을 포착한 오실로스코프 화면

3A 단계 – 출력 DC 전압 확인: Fluke 87과 같이 내부 임피던스가 1MΩ 이상인 DMM을 사용해서 MAX20343H 디바이스 출력에서 전압을 측정한다. ‘검정색’ 마이너스 리드는 접지에 연결하고, ‘빨간색’ 플러스 리드는 이 디바이스의 출력 “OUT” 핀에 연결한다. 이 출력 핀에 접근하기가 쉽지 않으면 리드들을 출력 커패시터 C_OUT에 연결한다.

아래 표를 사용해 관련 문제들을 진단 및 해결할 수 있다:


출력 전압 판독	가능한 원인	조치	비고
0V/판독 불가	SMPS에서 C_OUT으로 연결이 되지 않았다.	배터리 연결을 해제하고, 출력에서 C_OUT으로 전도가 되는지 테스트한다.	PCB에 개방이 발생했을 수 있다.
0V/판독 불가	출력 커패시터가 접지로 단락되었다.	배터리 연결을 해제하고, 커패시터가 도통되는지 확인한다.	PCB에 단락이 발생했을 수 있다.
판독이 너무 낮다. (4.75VDC 미만)	인덕터가 부적정한 값이다. 인덕터가 포화되었다. R_SEL이 부적정한 값이다.	배터리 연결을 해제하고, 인덕터와 저항 값을 확인한다.
4.75V~5.25V		불필요	정상 작동
판독이 너무 높다. (5.25V_DC 이상)	R_SEL이 부적정한 값이다.	배터리 연결을 해제하고, R_SEL값을 확인한다.

3B 단계 – 출력 AC 전압 확인: 오실로스코프 또는 DSO를 사용해서 MAX20343H 디바이스의 OUT 핀을 탐침하여 이번에는 출력 리플(AC)을 측정한다. 출력을 정확하게 측정하고 RF 픽업을 최소화하기 위해 10x 피그 테일 프로브 사용을 권장한다. 차동 능동 프로브를 사용하면 주변 잡음을 더욱 더 낮출 수 있다.

* 주의: 오실로스코프와 프로브는 대역폭이 최소한 200MHz 이상이어야 한다.

이 회로가 정상적으로 작동한다면 파형은 1.8 V_DC 출력에 약간의 리플 파형이 얹혀진 모습일 것이다. 그림 15는 이 리플 파형을 보여준다.

Figure 15. Oscilloscope screen capture of the MAX20343H (5 V) output ripple waveform. — 그림 15: MAX20343H (5V) 출력 리플 파형을 포착한 오실로스코프 화면 (그림 13)

아래 표를 사용해 관련 문제들을 진단 및 해결할 수 있다:


입력 파형	가능한 원인	조치	비고
리플 진폭이 너무 크다.	커패시터 값이 적정하지 않다. 커패시터에 문제가 있다.	배터리 연결을 해제하고, DMM을 사용해서 모든 연결 지점들을 확인한다. 커패시터 값을 측정한다.
리플 주파수가 V_HVLX펄스파 주파수와 일치하지 않는다.	경부하이다.	부하를 확인한다.
광대역 잡음이 너무 높다.	부하가 너무 크다. 환경적 잡음이 존재한다.	부하와 환경적 잡음을 점검한다.	환경적 잡음을 낮추기 위해서는 피그 테일 10x 프로브 또는 능동 차동 프로브를 사용한다.
전이 스파이크가 너무 높다.	부하 인덕턴스 때문이다. 입력 전류가 적정하지 않다.	라인 인덕턴스를 확인한다. 스코프를 사용해서 입력 전류를 확인한다.

맺음말

이 글은 총 2부로 구성된 연재물의 1부로서, MAX86171을 기반으로 한 PPG 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에 사용하도록 사전에 설계 및 검증된 디스크리트 전원장치 회로 설계를 소개했다. 이 전원공급 장치 회로 설계는 MAX86141 기반의 PPG 디바이스에도 사용할 수 있다.

2부에서는 MAX86171 기반 및 MAX86141 기반 PPG 원격 환자 생체지표 모니터링 애플리케이션에 사용하도록 사전에 설계 및 검증된 통합 전원장치 회로 설계에 대해서 설명한다.

아나로그디바이스 웹사이트 “원격 환자 생체지표 모니터링 시스템용 전원장치 서브시스템”에서는 이들 디스크리트 및 통합 전원장치 구현에 관한 검증 테스트 데이터를 볼 수 있다.

추가 정보:

“생체지표 모니터링 애플리케이션용 전원장치 서브시스템

“정밀한 웨어러블 광학식 심박수 모니터링 시스템 설계

저자 소개

펠리페 네이라(Felipe Neira)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 애플리케이션 엔지니어이며, 휴대용 및 웨어러블 솔루션, 특히 의료용 센서의 배터리 전원 관리 분야에서 전문성을 쌓아왔다. 다양한 시장용 ADI 제품에 대한 기술 지원을 맡고 있다. UC 산타크루즈에서 BSEE를 취득했으며, 졸업 직후 ADI에 입사했다.

마크 스미스(Marc Smith)는 아나로그디바이스의 의료용 바이오센싱 애플리케이션 MTS(member of technical staff)이다. MEMS 및 센서 기술 전문가로서, 다양한 시장을 위한 센서 제품 및 전자장치 개발과 관련해서 30년 넘는 경험을 쌓고 있다. 12개의 특허를 보유했으며, 10여 건 이상의 문헌을 저작했다. UC 버클리에서 BSEE를, 캘리포니아 세인트 메리즈 칼리지에서 MBA를 취득했다.