PMU 측정 방식을 이용한 이론 및 설계(2)

4.설계 및 계측

아래의 블록은 설계를 위한 구성으로 RSENSE 선택부와 VMSR 혹은 VOUT 선택부를 포함시켰으며, 각 포트에 대한 설명은 아래와 같다.

-VCC,VSS핀: PMU블록의 시스템 전원으로 VCC는 +15V, VSS는 -15V를 인가한다.

 

-DAC핀:  PMU블록에 인가하기 위한 전압으로 DAC으로 출력 전압을 생성하여 이 핀에 인가한다. 이 인가된 전압은

              FORCE_OUT으로 통해 LOAD에 인가된다.

 

-FORCE_OUT핀: DAC로 생성된 전압은 이 핀을 통해 출력되고, LOAD 저항이 연결된다.

 

-ADC_IN핀: VMSR 혹은 VOUT 값을 이 핀으로 통해 전압을 읽을 수 있다.

 

-VI_SEL핀: VMSR 혹은 VOUT을 선택하기 핀으로 '0'이면 VMSR이 선택되어 ADC_IN값으로 출력되고,

                   '1'이면 VOUT이 선택되어 ADC_IN값으로 출력된다.

 

-A0~A3핀: 내부적으로 각각 RSENSE 저항인 49.9Ω(A0), 499Ω(A1) , 4.99KΩ(A2) , 49.9KΩ(A3) 이 할당되어 있다.

 

-A4핀: N.C

 

-A5~A7핀: VMSR출력 전압의 Gain 설정을 위한 핀으로 "000"이면 1KΩ으로 x0.1배, :001"이면 5KΩ으로 x0.2배,

                  "010"이면 10KΩ으로 x1배, "011"이면 20KΩ으로 x2배, "100"이면 100KΩ으로 x10배가 각각 선택된다.

 

-RATE_EN핀: 내부 GAIN 설정을 활성화 하기 위한 핀으로 사용된다.                       

 

-VOFFSET핀: AMP의 OFFSET값을 맞추기 위한 용도로 사용되며 사용하지 않을 경우 GND로 연결한다.

 

● 다음 데이타는 실제 PMU Module을 제작하여 FPGA를 이용하여 측정한 결과 Raw 데이터들이다.

▶ DAC=1V, RSENSE=49.9Ω, GAIN=0.1, VI_SEL='0'(VMSR), RLOAD=OPEN

ADC로 읽을 값을 전압값으로 계산하기 위한 식으로 VOUT=(VREF x Code)/65536이다.

VREF=0V~5V입력 범위까지이므로 VREF=5, CODE는 ADC로 읽은 DECIMAL값, 65536는 ADC가 16BIT이므로 2^16값이다. 내부적으로 고속의 낮은 OFFSET AMP를 사용하였고, 최대 속도는 1uS 샘플링 속도까지 읽어 낼수 있지만, 테스트 속도는 8uS의 샘플링 속도로 읽었다.

 

각각 ADC_DATA CODE를 VMSR 전압값으로 환산하면 아래와 같고, 이 전압을 평균하면 0.000348052의 값이다.

CODE	3	5	5	2	4	8	4	4	1	5	5
VMSR	0.000228882	0.000381	0.000381	0.000153	0.000305	0.00061	0.000305	0.000305	7.63E-05	0.000381	0.000381	0.000319

 

▶ DAC=1V, RSENSE=49.9Ω, GAIN=0.1, VI_SEL='0'(VMSR), RLOAD=4.99Ω

RLOAD를 4.99Ω을 연결한 데이타로 각각 ADC_DATA는 

CODE	13023	13068	13075	13077	13082	13034	13074	13072	13080	13073	13083
VMSR	0.99357605	0.997009	0.997543	0.997696	0.998077	0.994415	0.997467	0.997314	0.997925	0.997391	0.998154

 

VMSR_CAL=부하 저항이 있는 VMSR- OPEN상태의 VMSR값을 아래와 같이 뺀 결과를 나타낸다.

VMSR-CAL

0.993394458

0.996828

0.997362

0.997514

0.997896

0.994234

0.997285

0.997133

0.997743

0.997209

0.997972

 

▶  DAC=1V, RSENSE=49.9Ω, GAIN=0.1, VI_SEL='1'(VOUT), RLOAD=4.99Ω

VI_SEL='1'로 선택한 후 VOUT을 읽은 ADC_DATA는

CODE	13083	13067	13091	13074	13093	13085	13025	13078	13086	13086	13089
VOUT	0.998153687	0.996933	0.998764	0.997467	0.998917	0.998306	0.993729	0.997772	0.998383	0.998383	0.998611

이다.

 

아래와 같이 ILOAD=(VMSR_CAL/RSENSE)/GAIN과 RLOAD=VOUT/ILOAD로 계산된다.

ILOAD	0.199077046	0.199765	0.199872	0.199903	0.199979	0.199245	0.199857	0.199826	0.199949	0.199842	0.199994
RLOAD	5.013906467	4.990527	4.997016	4.989763	4.995105	5.01044	4.972203	4.9932	4.993198	4.995872	4.993197

 

● 다음 데이타는 RLOAD를 4.99KΩ을 측정한 결과 Raw 데이터들이다.

▶  DAC=1V, RSENSE=49.9Ω, GAIN=2, VI_SEL='0'(VMSR), RLOAD=OEPN

각각 ADC_DATA CODE를 VMSR 전압값으로 환산하면 아래와 같고, 이 전압을 평균하면 0.000181592의 값이다.

CODE	2	3	2	2	2	2	1	3	3	1	3
VMSR	0.000152588	0.000229	0.000153	0.000153	0.000153	0.000153	7.63E-05	0.000229	0.000229	7.63E-05	0.000229	0.000166

 

▶  DAC=1V, RSENSE=49.9Ω, GAIN=2, VI_SEL='0'(VMSR), RLOAD=4.99KΩ

RLOAD를 4.99KΩ을 연결한 데이타로 각각 ADC_DATA는

CODE	268	268	269	268	267	267	267	269	268	268	268
VMSR	0.020446777	0.020447	0.020523	0.020447	0.02037	0.02037	0.02037	0.020523	0.020447	0.020447	0.020447

상기 계산식과 같이 VMSR_CAL=부하 저항이 있는 VMSR- OPEN상태의 VMSR값을 아래와 같이 뺀 결과를 나타낸다.

VMSR-CAL

0.020098726

0.020099

0.020175

0.020099

0.020022

0.020022

0.020022

0.020175

0.020099

0.020099

0.020099

 

▶  DAC=1V, RSENSE=49.9Ω, GAIN=2, VI_SEL='1'(VMSR), RLOAD=4.99KΩ

VI_SEL='1'로 선택한 후 VOUT을 읽은 ADC_DATA는

CODE	13112	13102	13042	13100	13100	13106	13106	13095	13106	13102	13106
VOUT	1.000366211	0.999603	0.995026	0.999451	0.999451	0.999908	0.999908	0.999069	0.999908	0.999603	0.999908

이다.

아래와 같이 ILOAD=(VMSR_CAL/RSENSE)/GAIN과 RLOAD=VOUT/ILOAD로 계산된다.

ILOAD	0.00020139	0.000201	0.000202	0.000201	0.000201	0.000201	0.000201	0.000202	0.000201	0.000201	0.000201
RLOAD	4967.307366	4963.519	4922.105	4962.761	4981.672	4983.953	4983.953	4942.107	4965.034	4963.519	4965.034