계장기술(PROCON)

기획특집 전류 센서가 전 세계의 무선 인프라를 모니터링하고 보호하는 방법

페이지 정보

작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 167회 작성일 20-05-13 11:51

본문

무선 인프라 시스템 아키텍처에서 파워 앰프(Power Amplifier, PA)의 역할은 중요하다. 5G의 확산과 함께 액티브 안테나 시스템(Active Antenna System, AAS)과 소형 안테나 기지국(Remote Radio Unit, RRU) 내 채널 수가 4개에서 최대 128개, 또는 그 이상으로 늘어나면서, AAS와 RRU의 다중 입력-다중 출력 아키텍처 지원을 위해 PA의 개수도 같은 속도로 증가하고 있다.
채널 수가 증가하면 시스템의 에너지 소비도 증가한다. 이는 PA 성능에 영향을 미치며, 온도도 높인다. 다시 말해, 안전한 작동 범위 내에서 현재 온도를 유지해 PA를 제어하는 것은 장비 성능 및 수명과 직접적으로 연관된다. 시스템을 안전하고 효율적으로 운영하기 위해 시스템 설계자는 다양한 센서를 이용해 PA 활동을 모니터링 해야 한다.
본고에서는 시스템 바이탈 모니터링을 위한 AAS 및 RRU 시스템의 고전압 질화 갈륨(GaN) 또는 LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) PA와 관련된 무선 인프라 애플리케이션의 발전의 한 축인 전류 감지 앰프(Current-sense amplifier, CSA)를 살펴본다.  

PA 전류 모니터링의 전류 센서
전류 센서는 교정 및 현장 유지관리, 실시간 모니터링 등 PA의 정확한 기능 작동 및 수명 보장을 위한 다양한 용도로 사용된다. PA 또는 노드로 흘러 들어가는 전류를 모니터링하면, 게이트 바이어스 전압을 조정해 최적의 범위에서 작동할 수 있다. TI의 INA293과 같은 CSA는 공통 모드 전반에 걸쳐 고전압으로 매우 낮은 오프셋을 제공하면서도 오류를 감지할 수 있어 높은 수준의 정확도가 요구되는 하이사이드 센싱에 적용하기에 적합하다. INA293을 이용해 48-VDC 이상 전원 공급 장치의 PA를 직접 정확하게 측정할 수 있다.
그림 1에 나타나 있듯이, 공장에서 PA를 교정할 때, PA 한 대당 CSA 한 대, 또는 PA 두 대당 CAS 한 대를 사용해 전류를 모니터링하여 조회표를 작성한다. CSA의 개수는 보드 공간과 필요한 정확도에 따라 달라진다. 전류 데이터가 여러 PA에 걸쳐 평균화되지 않기 때문에, PA당 단일 CSA를 사용하면 가장 정확한 데이터를 측정할 수 있다. 장비 수명과 현장에서의 성능을 위해 공장에서의 정확한 교정은 반드시 필요하다. 
시스템 개발이 완료된 후 AAS와 RRU PA를 유지 및 조정하기 위해서도 새로운 CSA 도입이 필요하다. 시간이 경과하면서 부품의 마모 및 고장으로 인해 시스템 조정이 필요할 수 있기 때문이다. 온도 차이가 큰 환경을 위한 시스템의 경우, 변화하는 기상 조건에 최적의 성능을 발휘하도록 CSA를 통해 PA의 게이트 전압을 조정할 수 있다. 이 경우, 원격 교정 주기 동안 PA로 들어가는 전류를 모니터링해 시스템의 전원을 끄고, 원격으로 재조정해야 한다. PA의 전압 게이트를 조정하면 시스템의 정상적인 작동을 보장하고 효율성을 최대화할 수가 있다.
지속적인 실시간 디바이스 모니터링 역시 PA 성능을 분석할 수 있는 방법이다. 이 경우, CSA가 디지털-아날로그 변환기에 데이터를 제공하면 실시간으로 게이트 전압이 조정돼 LOMOS 또는 GaN 장치를 제어한다. 게이트 전압을 실시간으로 조정하면 어떤 작동 환경과 부하 단계에서도 성능과 전력 소비량을 최적화할 수 있다. 이 기법을 사용하면 게이트 전압 조정을 위해 시스템을 오프라인으로 전환할 필요가 없다. 실시간 커뮤니케이션 채널을 통해 바로 프로세서로 연결돼 필요한 조정을 할 수 있기 때문이다. 그러나 DAC 데이터 처리를 위해 복잡한 알고리즘을 설계하거나 애플리케이션별 집적 회로를 만들어야 하는 어려움 때문에 게이트 전압을 실시간으로 조정하는 데에는 제약이 따른다.

c3ab088745a41b7e96dffe06656bb2e0_1589338236_3712.png 

과전류로부터 시스템 보호
PA는 시스템에서 가장 비싼 구성요소 중 하나이므로, 과전류 상황에서 PA를 보호하는 것이 중요하다. 따라서, 고속으로 작동하는 내부 비교기가 장착된 PA의 높은 쪽에 CSA를 배치하는 것이 좋다. 예를 들면, 대표적인 고속 내부 비교기에는 INA226이 있다. INA226은  일반적으로 1.3µS의 속도로 반응하고, 최대 80V의 공통 모드 전압 범위를 제공한다. 이 솔루션은 과전류를 탐지해 고전류 발생으로 인한 PA 손상을 방지한다. INA226와 같은 디지털 전력 모니터는 PA에 공급되는 전력을 모니터링해 PA 전체 수명 기간 동안 기술적 작동 사양이 지속적으로 유지되고, 다양한 환경에서 정상적으로 작동하게 한다. INA226는 전류 및 전압, 전력을 모니터링하고, 사용자 경보를 제공한다. 이 경보는 프로세서와의 안정적인 커뮤니케이션을 위해 I2C 인터페이스를 통해 전송된다.

c3ab088745a41b7e96dffe06656bb2e0_1589338260_2513.png 

전원 공급 및 전원 공급 장치
전기 그리드에서 공급되는 고전압 AC 전력은 무선 인프라 기지국에 전력을 공급한다. 전원 그리드에서 공급되는 고전압 AC를 모니터링해 전류 급증 또는 정전 사태 발생을 미연에 방지하고, 정원 공급 장치 내 부품이 손상되거나 시스템 작동에 방해가 발생하지 못하도록 하는 것이 중요하다.
600Vpk 이하의 고전압 AC를 모니터링할 수 있는 TI의 TMCS1100과 TMCS1101는 각각 1% 미만, 1.5% 미만의 오류를 발생시키며, 고전압에 대한 절연을 제공한다. 또한, TMCS1100과 TMCS1101은 다양한 기온 환경에도 매우 안정적이어서 실외 시스템에도 적합하다. 시스템에 이 장치를 추가함으로써 시스템에 대한 보호 장치를 한층 더 강화해 AC 전원을 올바르게 공급할 수 있다.
DC/DC 컨버터의 경우, INA240은 개선된 펄스 폭 변조 억압 및 양방향 작동 기능을 제공한다. 즉, 급격한 공통모드 전환으로 인한 전류 측정의 결함을 방지해 정확한 측정이 가능하다. 컨버터의 전력 수준에 따라 열 발생 빠르게 나타날 수 있다. INA240은 낮은 열 드리프트 사양을 가지고 있어, 열 발생 시 전류 측정치가 크게 변하지 않아 결과적으로 전체 작동 범위 내에서 정확한 수치를 측정해 낸다.

결 론
전류 감지 기능은 성능 및 효율의 최적화, 신뢰성의 개선, 시스템 바이탈 보호를 위한 상태 모니터링 등 시스템에 많은 이점을 제공한다. CSA는 매우 정확한 결과를 바탕으로 수치를 직접 측정하기 때문에, 시스템의 다양한 기능을 지원하는 PA의 신뢰성 향상 및 수명 연장에 도움이 된다.