Ⅰ. 서론

소형 밀리미터파 추적 레이다용 전원공급기는 밀리미터파 추적레이다의 각 구성품에 안정적인 아날로그 전원과 디지털 전원을 공급하여야 한다. 또한 각 구성품에서 발생되는 잡음들이 전원을 통하여 영향을 받지 않도록 분리 설계가 요구되어 진다.

생성되는 전원에 대해서는 리플노이즈로 인하여 레이다의 최대 탐지거리를 만족하기 위한 최소검출신호의 레벨에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 레이다로 수신되는 미약한 신호에 영향을 주지 않도록 리플노이즈를 최소화 설계가 요구된다.

DC-DC 변환기를 동작시키기 위한 스위칭 주파수의 선정에 있어서도 시스템과 동기된 주파수를 사용함으로써 스위칭 노이즈로 인한 False Alarm 과 Ghost 신호를 유발하지 않는 설계가 요구되어 진다.^[2]

외부로부터 소형 밀리미터파 추적 레이다로 입력되는 전원에 대하여 전력 밀도를 효과적으로 최적화 하고,EMC 규격이 만족될 수 있도록 입력단 EMI 필터설계가 요구되어 진다.^[1][3][6]

전원 출력 효율은 내부 온도와 관련이 크기 때문에 전원공급기 내부 온도를 실시간으로 측정기능 및 동작중 생성된 전원에 대한 실시간 모니터링을 통하여 자체 보호 기능이 요구되어 진다.

또한 제한된 좁은 공간에서 여러 가지 요구사항을 만족시키기 위한 형상 최적 설계가 요구되어 진다.

본 연구에서는 소형 밀리미터파 추적 레이다에 적용하기 위하여 +28VDC 입력을 받아서 최대 출력 300 W, 효율 80% 이상(@100%부하, 28VTX, 28VM 제외), 출력 전원 10개의 다중 출력 스위칭 전원공급기의 설계와 제작 및 전용 시험 치구를 통한 요구사항 충족여부를 확인한다.^[4][5]

Ⅱ. 전원공급기 설계

표 1은 전원공급기의 주요 사양을 나타내고 있다. +28VDC 입력을 받아 10개의 출력을 ±5% 범위 안에서 유지하여야 하고 실시간으로 모니터링할 수 있어야 하며 전원 제어 및 실시간 점검 기능이 있어야 한다.

표 1. 전원공급기 주요 사양

Table 1. Major Specification of Power Supply

그림 1은 전원공급기의 블록도를 나타낸다. 레이다의 외부로부터 전원 +28VDC를 입력받아 레이다에서 필요로 하는 전압을 생성한다. 전원 케이블을 통한 외부의 잡음 유입을 최소화하고 레이다 운용시 발생되는 잡음 유출을 최소화하기 위하여 EMI 필터를 내장하고 있다. EMI 필터를 통과한 전원은 효율을 고려하여 고효율의 DC-DC 변환기를 적용하여 소모 전류를 최소화하였고 리플감쇄회로 적용 및 LC 필터 설계를 통하여 리플노이즈가 50mVp-p 이하가 되도록 설계하였다. 그림 2는 정적부하를 이용하여 부하가 없을 때와 출력 31A 출력시 리플노이즈를 측정한 값으로 규격을 만족하고 있음을 알 수 있다.

그림 1. 전원공급기 블록도

Fig. 1. Power Supply Block Diagram

그림 2. 출력 전류에 따른 +5VD 출력 잡음레벨

Fig. 2. +5VD output noise level depending on output current

모든 전원은 레이다의 동작 절차에 따라 순차적으로 전원을 인가하기 위하여 전원 ON/OFF 제어 기능을 보유하고 있으며 출력 보호를 위한 퓨즈를 적용하였다. 제어회로(MCU)는 신호 처리부로부터 422 통신을 통하여 명령을 받아 개별 전원을 ON/OFF 하게 된다.[1] 특히 송신부용 28VTX와 김발제어용 28VM은 그림 3과 같이 MOSFET을 이용한 출력전원 제어회로를 설계하였으며 과전류, 과전압 보호를 위한 입력 보호회로를 설계하였다. 최초 전원 인가 시에는 전원이 차단된 상태에서 제어회로로부터 명령을 받으면 동작된다. 또한 전압의 line drop을 최소화하기 위하여 버스바를 이용한 설계를 하였다.

그림 3. 입력 보호회로와 전원 제어회로

Fig. 3. Input protection circuit and power control circuit

MIL-STD-461F CE102를 만족하기 위하여 입력전원에 대한 별도의 차폐된 EMI 필터를 설계하였으며 출력은 EMI 필터용 피드스루를 적용 설계하였다. 그림 4는 EMI 필터 회로로 Source impedance로 인한 DC-DC 변환기 동작 안정성 확보를 위한 커패시터를 적용하였으며 통신라인과의 차폐를 고려하여 경로 분리 설계를 하였다.

그림 4. EMI 필터 회로

Fig. 4. EMI Filter Circuits

EMI 필터는 부하단의 특성을 고려하여 +28VS와 +28VM, +28VTX의 필터 설계를 달리 하였다. 그림 5는 Common Mode와 Normal Mode일때의 감쇄 특성을 나타내고 있다. DC-DC 변환기의 동기주파수는 레이다 시스템과의 동기를 고려하여 시스템의 PRF(Pulse Repetition Frequency)와 동기된 신호를 전원 분리 설계를 통하여 신호를 받아 적용하도록 설계하였다.

그림 5. EMI 필터 특성 그래프

Fig. 5. EMI Filter characteristic graph

그림 6과 같이 포토커플러를 적용하여 전원 분리 설계를 통하여 신호처리부의 여러 디지털 스위칭 노이즈가전원공급부로 유입되지 않도록 차폐 설계하였다.

그림 6. 동기신호 전원 분리 설계

Fig. 6. Design of synchronous signal power separation

출력되는 모든 전원들을 실시간으로 모니터링을 하기 위해서 MCU의 디지털 변환 포트를 이용하여 디지털값으로 변환하여 422통신을 통하여 신호처리부로 전달하여 모니터링을 수행한다. 규격 미달의 전원이 모니터링되면 신호처리부를 통하여 해당 전원은 차단하며 레이다 동작을 자동 차단할 수 있다. 모니터링을 위하여 이득이 1인 Isolation 앰프를 적용하여 해당 전원과 MCU회로 전원을 분리 하였으며 MCU 입력으로 넣기 위하여 마이너스 전원은 반전증폭회로와 전압 분압 회로를 거쳐서 입력되고 플러스 전원은 전압 분압회로만 거쳐 입력된다. 그림 7의 전원 모니터링 블록도에 잘 나타나있다. 저항의 허용치에 따른 분압회로 출력 전압값의 변동을 고려하여 허용치는 1%를 적용한다. 또한 실제 출력값과의 오차가 있기 때문에 오차를 보정하기 위하여 실측값과의 오차를 테이블에 두고 모니터링시 보정한다.

그림 7. 전원 모니터링 블록도

Fig. 7. Power monitoring Block Diagram

그림 8은 설계된 전원공급기 모델링 형상이다. DC-DC 변환기는 케이스를 통하여 방열을 하는 구조이고 외부로부터 입력전원과 통신신호를 받는 원형컨넥터가 있다. 뒤쪽 보드는 전원 필터와 전원 모니터링 회로가 설계되었다.

그림 8. 전원공급기 모델링 형상

Fig. 8. Power supply Modeling shape

Ⅲ. 전원공급기 설계 제작 및 측정 결과

상기의 설계 내용을 바탕으로 그림 9과 같이 전원공급기를 제작하였다. 전원공급기가 레이다의 입력단에 있어서 외부로부터 전원과 통신신호를 받게 되고 외피의 Thermal mess를 이용하는 방열 구조로 제작 되었다. 외부 입력쪽에 EMI 필터를 전력밀도를 고려하여 최적화 설계로 제작되었고 차폐를 위하여 출력 EMI 피드스루 필터만 보여 진다.

그림 9. 전원공급기 형상

Fig. 9. Power supply shape

그림 10은 전원공급기를 시험 측정하기 위한 구성도이며 +28VD를 공급하는 DC 전원공급기와 100%부하를 위한 전자부하, 전원공급기와 외부장비를 연동하여 시험을 수행한다. 전원공급기와 연동하여 전원 제어, 동기신호 제공, 전원모니터링을 수행할 모의프로그램을 구현하였다. 그림 11은 전원제어에 따른 변경되는 부하에 소모되는 +28VDC의 전류와 출력 +28V 3종에 대한 출력이다. 규격인 ±5%를 만족하고 있다.

그림 10. 전원공급기 시험 측정 구성도

Fig. 10. Power supply test & measure configuration diagram

그림 11. 부하에 따른 입력 전원 소모와 출력 전압

Fig. 11. Power supply test & measure configuration diagram

그림 12는 출력되는 12V, 15V, 3.3V, 55V에 대한 결과로 규격 만족 범위에서 정상적으로 출력되고 있음을 알 수 있다. 모니터링 편의상 마이너스 전원은 설계 시 반전 증폭회로를 통하여 플러스로 변환하여 디지털화하였다. 측정결과를 통해서 분석된 효율은 표 2의 결과를 토대로 85%를 얻을 수 있었다.

그림 12. 출력 전원 결과

Fig. 12. Output Power Results

표 2. 전원공급기 효율 특성

Table 2. Power Supply Efficiency Char.

MIL-STD-461F CE102를 만족을 확인하기 위하여 EMC 챔버실에 장비를 설치하고 측정을 수행 하였다. 그림 13은 CE102 시험 set up 및 시험 결과 이다.

그림 13. CE102 시험 및 결과

Fig. 13. CE102 TEST and Result

MIL-STD-461F CE102 규격을 만족하고 있으며 RS-422 통신의 일부 신호가 전원 케이블로 유기되었지만 규격에 충분한 여유가 있음을 확인 하였다.

Ⅳ. 결론

DC-DC 변환기는 Synqor사의 제품으로 선정을 하였고 2차 출력 필터를 적용하여 잡음을 최소화하였으며 출력 용량이 적은 전원은 절연형 SMPS (Flyback) 회로를 적용하였다. 대전류의 Line drop을 최소화하기 위하여 버스바를 적용하였으며 퓨즈와 출력 차단 기능을 적용하여 안정적으로 동작하는 전원공급기를 설계하였으며 제작 후 측정을 통하여 결과를 확인하였다.