PMU 측정 방식을 이용한 이론 및 설계(1)

1. 설명

 앞서 언급된 PMU 측정 방식이 종단 저항 측정 방식 즉, RLOAD를 출력과 GND로 연결 측정한 방법이라면 지금 내용은 Point-to Point 방식으로 저항 측정하는 방식으로 RLOAD의 양단에 걸리는 전압을 이용하여 측정하는 방식이다.

 

 

2. 핀 구성

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

 

- RSENSE+, RSENSE-: SENSING 저항으로 최대 250mA를 사용할 수 있으며, 이 범위 내에서 저항 계산 후

                                       사용한다.

 

- RLOAD+, RLOAD-: 측정하고자 하는 부하 저항을 연결한다.

 

- GAIN+, GAIN-:  IOUT의 Gain 설정을 위한 용도로 사용로 사용된다.

 

- IOUT: RLOAD에 흐르는 전류 x GAIN저항의 출력값으로 나온다.

 

- VOUT: RLOAD에 따라 RLOAD+에 걸리는 전압이 달라진다. RLOAD+에 걸리는 전압이 출력된다.

 

 

3. 이론

아래의 그림과 같이 RSENSE 양단과 GAIN 양단에 10Ω을 연결하고, RLOAD를 0.01Ω을 연결하여 IOUT과 VOUT을 측정한다.

측정 결과는 VOUT=0.000998V, IOUT=0.99913V, IL=0.0999A가 측정된다. 각각의 VOUT, IOUT, IL를 이론상 계산을 공식을 이용해보면 아래와 같이 

IL=VIN/(RSENSE+RLOAD)=1/(10+0.01)=0.09999A

IOUT=(VIN/(RSENSE+RLOAD)) x GAIN=(1/(10+0.01)) x 10=0.9999V

VOUT=(RLOAD/(RSENSE+RLOAD)) x VIN=(0.01/(10+0.01)) x 1=0.00099V

 

시뮬레이션 IOUT과 VOUT의 값은 각각 0.99913과 0.000998의 값으로이 데이타를 가지고 RLOAD를 계산하면

RLOAD=(VOUT/IOUT) x GAIN=(0.000998/0.99913) x 10=0.0099Ω으로 계산된다.

실제 프로그램에서는 ADC로 VOUT 값과 IOUT값을 읽고 설정된 Gain값을 통해 저항 계산을 하면 된다.

 

● 아래는 RSENSE 10,1K,100K에 대한 IL, IOUT, VOUT, RLOAD에 대한 계산과 Simulation 상 VOUT, IOUT에 대한 비교 자료이다.

▶  VIN=1V, RSENSE=10Ω, GAIN= 10Ω, RLOAD=0.01Ω~1K Ω

VIN	RSENSE	GAIN	RLOAD	SIM IOUT	SIM VOUT	IL 계산	IOUT 계산	VOUT 계산	RLOAD 계산
1	10	10	0.01	0.99913	0.000998	0.0999001	0.999000999	0.000999001	0.01
			0.02	0.99813	0.002	0.099800399	0.998003992	0.001996008	0.02
			0.03	0.99713	0.00299	0.099700897	0.997008973	0.002991027	0.03
			0.04	0.99614	0.00398	0.099601594	0.996015936	0.003984064	0.04
			0.05	0.99515	0.00497	0.099502488	0.995024876	0.004975124	0.05
			0.06	0.99416	0.00596	0.099403579	0.994035785	0.005964215	0.06
			0.07	0.99317	0.00695	0.099304866	0.993048659	0.006951341	0.07
			0.08	0.99212	0.00794	0.099206349	0.992063492	0.007936508	0.08
			0.09	0.9912	0.00892	0.099108028	0.991080278	0.008919722	0.09
			0.1	0.99022	0.0099	0.099009901	0.99009901	0.00990099	0.1
			0.2	0.98052	0.01961	0.098039216	0.980392157	0.019607843	0.2
			0.3	0.971	0.02913	0.097087379	0.970873786	0.029126214	0.3
			0.4	0.96166	0.03846	0.096153846	0.961538462	0.038461538	0.4
			0.5	0.95251	0.04762	0.095238095	0.952380952	0.047619048	0.5
			0.6	0.94352	0.0566	0.094339623	0.943396226	0.056603774	0.6
			0.7	0.9347	0.06542	0.093457944	0.934579439	0.065420561	0.7
			0.8	0.92605	0.07407	0.092592593	0.925925926	0.074074074	0.8
			0.9	0.91756	0.08257	0.091743119	0.917431193	0.082568807	0.9
			1	0.90922	0.09091	0.090909091	0.909090909	0.090909091	1
			2	0.83346	0.16667	0.083333333	0.833333333	0.166666667	2
			3	0.76936	0.23077	0.076923077	0.769230769	0.230769231	3
			4	0.71441	0.28571	0.071428571	0.714285714	0.285714286	4
			5	0.66679	0.33333	0.066666667	0.666666667	0.333333333	5
			6	0.62512	0.375	0.0625	0.625	0.375	6
			7	0.55836	0.41177	0.058823529	0.588235294	0.411764706	7
			8	0.5568	0.44445	0.055555556	0.555555556	0.444444444	8
			9	0.52644	0.47369	0.052631579	0.526315789	0.473684211	9
			10	0.50012	0.5	0.05	0.5	0.5	10
			20	0.33346	0.66667	0.033333333	0.333333333	0.666666667	20
			30	0.25012	0.75	0.025	0.25	0.75	30
			40	0.20012	0.8	0.02	0.2	0.8	40
			50	0.16679	0.83334	0.016666667	0.166666667	0.833333333	50
			60	0.14298	0.85715	0.014285714	0.142857143	0.857142857	60
			70	0.12512	0.875	0.0125	0.125	0.875	70
			80	0.11124	0.88889	0.011111111	0.111111111	0.888888889	80
			90	0.10012	0.9	0.01	0.1	0.9	90
			100	0.09103	0.9091	0.009090909	0.090909091	0.909090909	100
			200	0.04774	0.95239	0.004761905	0.047619048	0.952380952	200
			300	0.03238	0.96775	0.003225806	0.032258065	0.967741935	300
			400	0.02451	0.97561	0.002439024	0.024390244	0.975609756	400
			500	0.01973	0.9804	0.001960784	0.019607843	0.980392157	500
			600	0.01652	0.98361	0.001639344	0.016393443	0.983606557	600
			700	0.01421	0.98592	0.001408451	0.014084507	0.985915493	700
			800	0.01247	0.98766	0.001234568	0.012345679	0.987654321	800
			900	0.01111	0.98902	0.001098901	0.010989011	0.989010989	900
			1000	0.01003	0.9901	0.000990099	0.00990099	0.99009901	1000

 

▶  VIN=1V, RSENSE=1KΩ, GAIN= 1KΩ, RLOAD=1Ω~100K Ω

VIN	RSENSE	GAIN	RLOAD	SIM IOUT	SIM VOUT	IL 계산	IOUT 계산	VOUT 계산	RLOAD 계산
1	1000	1000	1	0.9991	0.000998	0.000999001	0.999000999	0.000999001	1
			2	0.9981	0.002	0.000998004	0.998003992	0.001996008	2
			3	0.99711	0.00299	0.000997009	0.997008973	0.002991027	3
			4	0.99611	0.00398	0.000996016	0.996015936	0.003984064	4
			5	0.99512	0.00497	0.000995025	0.995024876	0.004975124	5
			6	0.99413	0.00596	0.000994036	0.994035785	0.005964215	6
			7	0.99315	0.00695	0.000993049	0.993048659	0.006951341	7
			8	0.99216	0.00794	0.000992063	0.992063492	0.007936508	8
			9	0.99118	0.00892	0.00099108	0.991080278	0.008919722	9
			10	0.9902	0.0099	0.000990099	0.99009901	0.00990099	10
			20	0.98049	0.01961	0.000980392	0.980392157	0.019607843	20
			30	0.97097	0.02913	0.000970874	0.970873786	0.029126214	30
			40	0.96164	0.03846	0.000961538	0.961538462	0.038461538	40
			50	0.95248	0.04762	0.000952381	0.952380952	0.047619048	50
			60	0.94349	0.0566	0.000943396	0.943396226	0.056603774	60
			70	0.93468	0.06542	0.000934579	0.934579439	0.065420561	70
			80	0.92602	0.07407	0.000925926	0.925925926	0.074074074	80
			90	0.91753	0.08257	0.000917431	0.917431193	0.082568807	90
			100	0.90919	0.09091	0.000909091	0.909090909	0.090909091	100
			200	0.83343	0.16667	0.000833333	0.833333333	0.166666667	200
			300	0.76933	0.23077	0.000769231	0.769230769	0.230769231	300
			400	0.71438	0.28572	0.000714286	0.714285714	0.285714286	400
			500	0.6676	0.33333	0.000666667	0.666666667	0.333333333	500
			600	0.6251	0.375	0.000625	0.625	0.375	600
			700	0.58833	0.41177	0.000588235	0.588235294	0.411764706	700
			800	0.55565	0.44445	0.000555556	0.555555556	0.444444444	800
			900	0.52641	0.47369	0.000526316	0.526315789	0.473684211	900
			1000	0.5001	0.5	0.0005	0.5	0.5	1000
			2000	0.83343	0.16667	0.000333333	0.333333333	0.666666667	2000
			3000	0.76933	0.23077	0.00025	0.25	0.75	3000
			4000	0.71438	0.28572	0.0002	0.2	0.8	4000
			5000	0.66676	0.33333	0.000166667	0.166666667	0.833333333	5000
			6000	0.14296	0.85715	0.000142857	0.142857143	0.857142857	6000
			7000	0.1251	0.875	0.000125	0.125	0.875	7000
			8000	0.11121	0.88889	0.000111111	0.111111111	0.888888889	8000
			9000	0.1001	0.9	0.0001	0.1	0.9	9000
			10000	0.09101	0.9091	9.09091E-05	0.090909091	0.909090909	10000
			20000	0.04772	0.95239	4.7619E-05	0.047619048	0.952380952	20000
			30000	0.03236	0.96775	3.22581E-05	0.032258065	0.967741935	30000
			40000	0.02449	0.97561	2.43902E-05	0.024390244	0.975609756	40000
			50000	0.01971	0.9804	1.96078E-05	0.019607843	0.980392157	50000
			60000	0.01649	0.98361	1.63934E-05	0.016393443	0.983606557	60000
			70000	0.01418	0.98592	1.40845E-05	0.014084507	0.985915493	70000
			80000	0.01244	0.98766	1.23457E-05	0.012345679	0.987654321	80000
			90000	0.01109	0.98902	1.0989E-05	0.010989011	0.989010989	90000
			100000	0.01	0.9901	9.90099E-06	0.00990099	0.99009901	100000

 

▶  VIN=1V, RSENSE=100KΩ, GAIN= 100KΩ, RLOAD=100Ω~10M Ω

VIN	RSENSE	GAIN	RLOAD	SIM IOUT	SIM VOUT	IL 계산	IOUT 계산	VOUT 계산	RLOAD  계산
1	100000	100000	100	0.9991	0.0009982	9.99001E-06	0.999000999	0.000999001	100
			200	0.9981	0.002	9.98004E-06	0.998003992	0.001996008	200
			300	0.99711	0.00299	9.97009E-06	0.997008973	0.002991027	300
			400	0.99611	0.00398	9.96016E-06	0.996015936	0.003984064	400
			500	0.99512	0.00498	9.95025E-06	0.995024876	0.004975124	500
			600	0.99413	0.00596	9.94036E-06	0.994035785	0.005964215	600
			700	0.99315	0.00695	9.93049E-06	0.993048659	0.006951341	700
			800	0.99216	0.00794	9.92063E-06	0.992063492	0.007936508	800
			900	0.99118	0.00892	9.9108E-06	0.991080278	0.008919722	900
			1000	0.99019	0.0099	9.90099E-06	0.99009901	0.00990099	1000
			2000	0.98049	0.01961	9.80392E-06	0.980392157	0.019607843	2000
			3000	0.97097	0.02913	9.70874E-06	0.970873786	0.029126214	3000
			4000	0.96163	0.03847	9.61538E-06	0.961538462	0.038461538	4000
			5000	0.95247	0.04763	9.52381E-06	0.952380952	0.047619048	5000
			6000	0.94348	0.05661	9.43396E-06	0.943396226	0.056603774	6000
			7000	0.93466	0.06543	9.34579E-06	0.934579439	0.065420561	7000
			8000	0.92601	0.07409	9.25926E-06	0.925925926	0.074074074	8000
			9000	0.91751	0.08258	9.17431E-06	0.917431193	0.082568807	9000
			10000	0.90917	0.09092	9.09091E-06	0.909090909	0.090909091	10000
			20000	0.8334	0.16669	8.33333E-06	0.833333333	0.166666667	20000
			30000	0.76929	0.2308	7.69231E-06	0.769230769	0.230769231	30000
			40000	0.71434	0.28575	7.14286E-06	0.714285714	0.285714286	40000
			50000	0.66672	0.33338	6.66667E-06	0.666666667	0.333333333	50000
			60000	0.62505	0.37505	0.00000625	0.625	0.375	60000
			70000	0.58828	0.41181	5.88235E-06	0.588235294	0.411764706	70000
			80000	0.5556	0.44449	5.55556E-06	0.555555556	0.444444444	80000
			90000	0.52636	0.47373	5.26316E-06	0.526315789	0.473684211	90000
			100000	0.50005	0.50005	0.000005	0.5	0.5	100000
			200000	0.33339	0.66671	3.33333E-06	0.333333333	0.666666667	200000
			300000	0.25006	0.75004	0.0000025	0.25	0.75	300000
			400000	0.20006	0.80003	0.000002	0.2	0.8	400000
			500000	0.16674	0.83336	1.66667E-06	0.166666667	0.833333333	500000
			600000	0.14293	0.85716	1.42857E-06	0.142857143	0.857142857	600000
			700000	0.12508	0.87502	0.00000125	0.125	0.875	700000
			800000	0.11119	0.88891	1.11111E-06	0.111111111	0.888888889	800000
			900000	0.10008	0.90002	0.000001	0.1	0.9	900000
			1000000	0.09099	0.9091	9.09091E-07	0.090909091	0.909090909	1000000
			2000000	0.04771	0.95239	4.7619E-07	0.047619048	0.952380952	2000000
			3000000	0.03235	0.96774	3.22581E-07	0.032258065	0.967741935	3000000
			4000000	0.02448	0.97561	2.43902E-07	0.024390244	0.975609756	4000000
			5000000	0.0197	0.98039	1.96078E-07	0.019607843	0.980392157	5000000
			6000000	0.01649	0.98361	1.63934E-07	0.016393443	0.983606557	6000000
			7000000	0.01418	0.98591	1.40845E-07	0.014084507	0.985915493	7000000
			8000000	0.01244	0.98765	1.23457E-07	0.012345679	0.987654321	8000000
			9000000	0.01108	0.98901	1.0989E-07	0.010989011	0.989010989	9000000
			10000000	0.01	0.98901	9.90099E-08	0.00990099	0.99009901	10000000

 

 

ADC로 VOUT과 IOUT을 읽어 들이기 때문에 각 전압의 변동량을 계산하여 분해능을 결정하거나 외부에 별도의 Gain amp를 사용하여 분해능을 확보해야 한다.