션트 양단의 멀티미터보다 낮게 읽히는 전류

태그: 측정 전류 센싱

증상

센스 증폭기와 ADC의 샘플로 평균한 펄스 전류가, 같은 션트 양단에서 직류 전압 범위로 잰 DMM(디지털 멀티미터)의 값보다 낮게 읽힙니다. 부하가 커질수록, 또는 같은 평균에서 전류 펄스가 좁고 높아질수록 그 차이가 커집니다.

원인

션트의 전압은 매 순간 전류를 따릅니다(센스 전압). DMM의 적분형 변환기(integrating converter)는 적분 시간 동안 입력의 평균에 비례하는 전하를 쌓고 [Kester & Bryant, ADC Architectures VIII], 직류와 저주파 신호를 통과시키면서 특정 주파수의 잡음을 감쇠합니다 [Keithley Instruments 2014]. 따라서 DMM은 션트 양단에서 전압의 직류 성분, 곧 평균을 읽습니다. 단, 느린 측정 속도에서처럼 많은 스위칭 주기에 걸쳐 적분하고, 입력이 펄스의 피크에서 과부하되지 않아야 합니다. 펄스열에서는 그 평균이 펄스의 높이에 듀티비를 곱한 값입니다 (펄스열의 고조파).

센스 체인은 자신의 한계, 곧 증폭기의 최대 출력과 ADC의 풀스케일(full scale)까지만 읽습니다 (센스 체인). 평균 전류에 맞춰 풀스케일을 정한 체인은 펄스의 피크에서 잘릴 수 있고, 잘린 샘플의 평균은 참 평균보다 낮습니다. 체인이 펄스마다 한계 위의 부분을 잃기 때문입니다.

확인 방법

오실로스코프로 증폭기의 출력을 보십시오. 펄스마다 같은 전압에서 평평한 꼭대기가 보이면 잘리고 있는 것입니다. 이어서 체인의 범위 안에 드는 일정한 직류 전류를 흘리고 체인의 측정값을 DMM과 비교하십시오. 직류에서 둘이 일치하면 체인은 교정되어 있고, 펄스 전류에서의 차이는 체인의 한계나 샘플링에서 온 것입니다 (펄스를 놓치는 샘플링). DMM 측정을 한 단계 위의 범위에서 다시 해 보십시오. 값이 같으면 DMM 자체는 잘리지 않고 있다는 뜻입니다.

해결

체인의 풀스케일을 전류의 평균이 아니라 피크에 맞추십시오. 가장 높은 피크가 두 한계 아래에 들어올 때까지 이득을 낮춥니다. 센스 체인 도구가 풀스케일 전류를 계산하고, 잘릴 수 있는 측정값을 표시합니다.

참고 자료

• [Kester & Bryant, ADC Architectures VIII]: 적분형 변환기의 전하는 적분 시간 동안 입력의 평균에 비례합니다.
• [Keithley Instruments 2014]: 적분형 변환기는 직류를 통과시키고 특정 주파수의 잡음을 감쇠합니다.
• 센스 체인: 증폭기와 ADC의 한계.
• 스위칭 파형의 푸리에 급수: 펄스열의 직류 성분.