아이앤씨마이크로시스템
최근 아이앤씨가 ARM Cortex-M3 MCU 제품군으로 새롭게 주목 받고있는 루미너리 마이크로와 국내공급계약을 맺었다. 필자는 담당 FAE로서 여러 가지 기능에 대해 고객과 상담하고 직접 만나게 되면서 모터를 연구하는 엔지니어들이 의외로 반드시 알고 넘어가야 할 데드 밴드 제너레이터(Dead Band Generator) 기능의 중요성을 인식하고 있지 않다는 것을 알게 되었다. 그래서 기고를 요청하게 되었고 이번 기회가 그 중요성을 인식하는데 아주 좋은 계기가 되기를 바라면서 이야기를 시작해본다.
글: 손동운 FAE 매니저 / ㈜아이앤씨마이크로시스템
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보다 안정되고 효율적인 PWM 출력
루미너리 마이크로의 대부분 제품에 들어있는 데드 밴드 제너레이터 기능은 고속 펄스 회로에서 불안정한 과도현상을 제거하기 위한 목적으로 펄스의 기립과 상승순간에 출력 드라이버를 플로팅 시켜야 할 타이밍을 삽입해주는 회로다. 주로 좀더 안정되고 효율적인 PWM(Pulse Width Modulator) 출력을 드라이브하기 위한 신호원으로서 유용하며, 모터를 제어하기도 하고, 펄스 트랜스로 통신을 할 때도 쓰이는 등 여러 용도로 사용된다.
데드밴드가 없다는 것은 신호가 단지 H 혹은 L만 존재 한다는 뜻이다. 단 한순간도 H나 L중 한쪽의 논리로 확정되지 않는 경우가 없다는 뜻이다. 그런데 이러한 신호는 경우에 따라 논리 레벨의 기립과 상승의 순간 시간이 0이 될 수 없고 지연이 생기기 때문에 이런 신호로 H브릿지 회로 같은 한쪽이 'ON'되면 다른 쪽은 반드시 'OFF'가 되어야 하는 드라이버를 구동시키는 경우 상하의 TR (Transistor)이 모두 ON되어 전원이 쇼트 되는 상황이 생겨 큰 전류가 순간적으로 생기는 상황을 만든다.
심한 고속의 스위칭을 요구하는 부하, 또는 부하가 단순히 저항 부하가 아닌 인덕터 부하인 경우에는 이 현상은 더욱 더 두드러지게 나타난다.
이런 짧은 펄스의 큰 전류는 디지털 회로에서 아주 치명적인 상황을 초래한다. 너무 짧고 전류 진폭이 큰 펄스이기 때문에 어지간한 오실로스코프에서는 잘 나타나지도 않지만 이러한 급격한 전류 변화는 큰 임펄스성 노이즈를 만들어 회로를 엉망으로 만들어 버릴 뿐 아니라 출력 소자에 과대한 부하를 주게 된다.
이 문제를 없애기 위해서는 펄스의 상승과 하강 시점에서 출력이 논리가 결정되지 않은 플로팅상태로 되어야 한다. 즉 부하의 응답 속도에 맞게 펄스의 상승과 기립 순간의 어떤 시간 동안은 플로팅 상태로 만들어 주면 드라이버 회로가 안정되게 동작될 수 있다.
이러한 요구를 충족시키기 위한 신호를 만드는 회로가 바로 데드 밴드 제너레이터이다.
한마디로 회로의 과도상태를 버리기(abandon) 위한 회로라고 하면 더 이해가 쉬울 것이다.
발전된 PWM신호발생기의 역할
마이크로 프로세서에서 데드벤드 제네레이터는 원래의 PWM회로에 추가되어 진보된 PWM 신호 발생기로서의 역할을 한다.
만약 MPU(Micro Processor Unit)에 전용 데드 밴드 제너레이터가 없어도 원리만 이해하면 쉽게 구현할 수 있다. 이해를 쉽게 하기 위해 그림 1을 통해 출력의 듀티가 1:1인 PWM신호의 데드밴드 발생기를 사용하지 않은 일반적인 PWM 드라이버 출력 상태와 데드밴드 발생기를 사용한 PWM을 출력하는 드라이버의 출력 파형을 나타내도록 하겠다.
__는 L레벨이고 ■는 H레벨이며 X는 출력이 동작하지 않는 플로팅 상태라고 정한다.
즉 데드 밴드 제네레이터는 이렇게 출력 드라이버에 논리가 바뀌는 순간 X상태를 만들어 그 기간(band) 동안은 회로가 OFF 되어(dead) 있는 것처럼 만들 수 있도록 하기 위한 180도의 위상차를 가진 두 채널의 PWM 신호원이다. X의 길이는 출력 회로의 과도 기간과 같도록 PWM 시정수를 정하면 된다. 데드 밴드 제너레이터가 없는 PWM 기능의 MPU를 사용할 경우엔 두개의 PWM 채널을 사용하면 간단히 데드밴드가 발생할 수 있다. 당연하겠지만 PWM 기능이 없는 CPU일 경우엔 이 방법과 똑같이 두개의 포트를 사용하여 프로그램해주면 된다.
데드 밴드 제너레이터기능의 주의할 점
하지만, 데드밴드 발생기가 있다고 해서 그대로 트랜포머나 모터같은 부하를 연결, PWM으로 구동시킬 수 있는 것이 아니라 이 발생기의 신호를 입력으로 하여 부하에 맞는 출력신호를 내는 드라이버를 설계해 주어야 한다. 예를 들어 단상 펄스 트랜스포머라면 트랜스포머의 두 입력 단자가 180도 위상차를 가진 H, L, X의 3상태로 변하는 AC형태가 되어야 할 것이며, DC 모터의 경우엔 정 방향만 회전하는지 정역전 모두 가능한지를 역전압을 이용한 브레이크가 필요한지에 따라 출력 회로가 달라질 것이다.
정 방향으로만 회전하는 모터라면 PWM제어를 해도 ON상태와 플로팅 상태만 있으면 되기 때문에 구태여 데드 밴드 제너레이터가 필요 없을 것이다. 부하에 따라서만 데드밴드의 사용여부가 결정되는 것이 아니라 회로자체의 과도현상의 존재 여부에 따라서도 결정되게 된다. 리니어하게 변해야 할 출력 전압을 얻기 위해서는 무용할 것이고 H와 L의 스위칭이 필요한데 그 중간에 과도 현상이 있어서 회로에 문제를 초래할 우려가 있는 경우 매우 유용할 것이다. 그러나 MPU의 데드 밴드 발생기에만 의존하여 회로의 과도 현상을 제거 하려는 것은 위험하다고 할 수 있는데, 최악의 경우 CPU가 완전히 파괴가 되는 경우가 있더라도 출력회로의 소자동작으로 인해 전원이 쇼트되거나 출력 소자가 파괴되는 회로가 되도록 해서는 안된다.
PWM으로 BLDC(Brushless DC)를 제어하기에는 모터의 회전량 때문에 약간의 문제가 있을 수 있다. 몇 회전을 하였으며, 처음 위치와 얼마나 다른 위치에서 정지를 하였는지 확인이 불가능하다. 따라서 이럴 경우에는 엔코더를 사용한다.
여기까지 모터 제어부분에 꼭 필요한 데드 밴드 제너레이터의 기능의 장점과 특징 그리고 주의할 점 등을 설명했다. ARM Cortex-M3 MCU 제품에 관한 보다 자세한 사항은 아이앤씨 세미콘 사업부의 홈페이지(http://www.inc.co.kr/ semicon)를 통해 디바이스 선택 가이드 등을 참고하기 바란다.
PWM에 대한 개념 설명
어떠한 모터를 구동하는데 속도를 가변하는 회로를 구성하는데 이 속도 제어회로를 PWM 방식으로 하는 경우에는 모터에 가해지는 전압 +V 를 t 시간동안 W의 폭으로 ON/OFF 제어를 하는 것을 말한다.
즉, 출력을 내보내는 시간의 폭W를 넓게 하면 출력되는 값이 많아지므로 평균전압이 상승하는 것이고 W의 폭을 좁게 하면 출력되는 값이 적어지므로 평균전압을 낮아지는 현상이 생기는 것이다. 이처럼 출력되는 값의 폭 W를 제어하는 방식을 PWM 이라고 한다.
Non dead band PWM out put
Dead band generator PWM out put A
Dead band generator PWM out put B
그림 1. PWM 파형
표1. 엔코더 코드방식 비교(INCREMENTAL 방식과 ABSOLUTE 방식의 비교)
그림 2. Pulse Width Modulator
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