로이엔텍 - Source Measure Unit(소스 측정 장치)의 소개 / 로데슈바르즈

Source Measure Unit (이하, SMU)는 소스 측정 장치라고도 불리며, 이는 DC 파워 서플라이 대비하여 고정밀로 전압 및 전류를 동시에 소싱 및 측정할 수 있는 장비입니다.

일반적으로 SMU는 + 전압과 양극(+/-) 전류를 지원하는 2-쿼드런트 방식을 지원하며, 일부 SMU는 양극(+/-) 전압과 전류를 모두 지원하는 4-쿼드런트 방식을 제공하기도 합니다.

SMU는 높은 정확도와 빠른 복구 시간을 지원하기에 다양한 애플리케이션에 많이 사용되는 장비입니다.

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그럼 이번 포스팅에서는 SMU가 가지고 있는 장점에 대해 설명을 드리도록 하겠습니다.

포스팅에서 언급 드릴 내용은 로데 슈바르즈의 SMU 시리즈인 NGU201, NGU401, NGU411 등 3가지 모델에 대한 설명이며 각 장비 제조사에 따라 스펙은 상이할 수 있습니다.

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SMU의 장점

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<정밀한 분해능>

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SMU 시리즈는 DC 파워 서플라이 대비하여 정밀한 분해능을 가지고 있으며, 각각의 전압 및 전류의 측정 범위가 단계별로 구성되어 있습니다.

로데 슈바르즈의 NGU시리즈는 2 단계의 전압 범위와 6 단계의 전류 범위를 지원하여 각각의 단계에 따라 지원되는 최소 단위가 달라지게 됩니다.

전압 기준으로는 최소 1uV까지의 단위를 지원하며, 전류 기준으로는 최소 100pA의 단위까지 지원을 하게 됩니다. 이러한 정밀한 분해능은 전류 소모가 작은 기기를 측정하는데 탁월합니다.

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<빠른 부하 조절>

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스마트폰, IoT 디바이스와 같은 기기들은 절전 모드에서 매우 적은 전력을 필요로 합니다. 그러나 기기가 전송 모드로 전환되는 즉시, 전류가 갑자기 증가하게 됩니다. 이러한 기기에 전원을 공급하는 데 사용되는 전원 공급 장치는 전압 강하 또는 오버슈트 없이 nA에서 A의 범위까지 부하 변화를 처리할 수 있어야 합니다.

로데 슈바르즈의 NGU시리즈는 자체적으로 로드 변화를 조절할 수 있도록 설계되어 속도에 최적화되어 있으며, 30us미만의 복구 시간을 달성하게 됩니다.

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그림 1. 빠른 부하 조절

 

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<낮은 리플 앤 노이즈>

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기기에 간섭 없는 전원을 공급하려면 전원 공급 장치는 매우 안정적인 출력 전압 및 전류를 제공해야 합니다. 이는 다시 말해, 리플 앤 노이즈가 적은 전원 공급 장치를 의미하며 일반적으로 SMU시리즈는 DC 파워 서플라이 대비하여 낮은 리플 앤 노이즈를 지원하여 보다 안정적인 전원을 공급할 수 있습니다.

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<전압 우선 모드 및 전류 우선 모드 지원>

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대부분의 전원 공급 장치는 전류 제한을 통해 지정된 전류만 흐르게 하는 정전류 방식을 사용합니다. 이를 우리는 전압 우선 모드라고도 표현을 하며, 이러한 전원 공급 장치는 빠른 전류 제한에는 최적화되어 있지 않습니다.

전류 조절에서 오버슈트에 따른 과도한 전류로 인해 반도체 소자가 손상될 수 있으며, 이러한 위험을 방지하기 위해 로데 슈바르즈의 NGU시리즈는 전압 및 전류 조절을 위한 별도의 동작 모드를 지원합니다.

전압 우선 모드에서는 빠른 전압 조절을 이용하여 30us 미만의 짧은 복구 시간을 지원합니다.

정밀하고 빠른 전류 조절이 필요한 경우, 전류 우선 모드를 사용할 수 있으며 50us 미만의 복구 시간을 가지게 됩니다. 이러한 기능은 짧은 전류 스파이크에 민감한 LED 테스트에 최적화 된 기능입니다.

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그림 2. 전압 우선 모드 및 전류 우선 모드

 

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<고속 데이터 수집>

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NGU시리즈는 최대 500ksample/s의 속도로 전압 및 전류의 변화를 감지할 수 있습니다. 이는 2us마다 변화를 감지할 수 있음을 의미합니다.

이러한 고속 데이터 수집을 통해 us단위의 스파이크성으로 튀는 전압/전류의 변화를 감지할 수 있으며, 장시간 동안 PC 또는 장비에 기록도 가능합니다.

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그림 3. 고속 데이터 수집

 

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<2-쿼드런트 및 4-쿼드런트 방식>

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그림 4. 다양한 쿼드런트 방식

 

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2-쿼드런트 방식은 + 전압과 양극(+/-) 전류를 지원합니다. 활용되는 대표적인 예로는 배터리 테스트가 될 수 있습니다. 배터리의 방전은 전류가 전원 공급장치로 유입되는 싱크 방식 또는 - 전류가 될 수 있으며, 배터리의 충전은 전류가 배터리로 유입되는 소스 방식 또는 + 전류가 될 수 있습니다. 이렇듯, 양극(+/-) 전류를 지원하는 2-쿼드런트 방식은 배터리를 테스트하는데 적합합니다.

또한, 실제 배터리는 배터리의 유형과 충전 조건에 따라 각각 다른 특성을 보이게 됩니다. 용량, 개방 회로 전압 (VoC) 및 등가 직렬 저항 (ESR)은 충전 상태인 SoC에 따라 달라지는 중요한 배터리의 특성입니다. 해당 특성 분석을 위해 아래 그림과 같이 로데 슈바르즈 NGU201(2-쿼드런트 방식)은 다양한 충전 조건의 배터리 동작을 시뮬레이션도 가능합니다.

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그림 5. 배터리 시뮬레이션

 

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4-쿼드런트 방식은 양극(+/-) 전압과 전류를 모두 지원합니다. 이는 다이오드, LED, Solar cell과 같은 소자의 전기적인 특성을 측정할 때 필수적으로 필요하게 됩니다. 우리는 소자를 측정할 때, 3가지의 포인트를 측정합니다. 이 중 가장 중요한 것은 순방향 전압 (Forware voltage) 즉, 다이오드와 같은 소자가 순방향으로 전도하기 시작하는 전압입니다.

또한, 이상적이지 않은 다이오드는 역방향 바이어스 시 소량의 전류가 흐르거나 역방향으로 누출 (Reverse leakage current) 되도록 합니다.

마지막으로 다이오드에 충분한 역방향 전압이 인가되면 다이오는 역방향으로 훨씬 더 많은 전류를 전도하기 시작합니다. 이를 흔히 파괴 전압 (Reverse breakdown voltage)이라고도 합니다.

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이렇게 I-V curve를 측정하기 위해서는 양극(+/-) 전압과 전류를 모두 지원하는 4-쿼드런트 방식의 SMU를 사용해야 합니다.

로데 슈바르즈의 NGU401과 NGU411은 양극(+/-) 전압과 전류를 모두 지원하는 4-쿼드런트 방식의 SMU입니다.

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그림 6. 4-쿼드런트 I-V Curve

 

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지금까지 로데 슈바르즈의 NGU시리즈를 통해 SMU (Source Measure Unit)가 가진 장점에 대해 설명하였습니다. 이 외에도 SMU는 다양한 장점을 가지고 있으나, 사용자 측면에서 중요한 부분을 중점적으로 설명 드렸으며 이 포스팅을 통해 SMU 구매를 고려하고 계신 분들에게 많은 도움이 되었으며 합니다.

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작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀

이메일 : sales.korea@rohde-schwarz.com

출처 - https://blog.naver.com/rohdeschwarzkorea/223153161566

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