염문준 ST마이크로일렉트로닉스 마케팅 부장
[테크월드=양대규 기자] 모터는 전세계 전력 소비량의 약 50%를 차지하는 실생활에서 가장 많이 사용되는 전자부품이다. 최근에 많이 보는 손선풍기와 무선 청소기, 드론은 물론, 고전적인 냉장고, 자동차, 커피머신, 그리고 4차산업혁명 시대의 주력 기술인 3D프린터, 로봇, 공장자동화까지 모터의 사용범위는 광범위하다.
모터는 다양한 용도만큼 종류도 다양하다. 구동 전원에 따라 DC모터와 AC 모터가 있으며, 이밖에 구동 방식이나 구성에 따라 여러 분류가 있다. 애플레이션에 따라 모터의 종류와 크기, 전원의 종류, 전력량 등이 천차만별로 달라지기 때문에 모터를 구동함에 있어서도 상황에 맞는 솔루션을 준비해야 한다.
기본적인 MCU부터 전력 제어까지 모터 구동을 위해서는 그에 맞는 다양한 전자부품을 구비해야되는 데, 개발자 입장에서는 최적화된 일련의 모든 블럭을 준비하기가 어려운 상황이다. 이에 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, ST)는 개발자 편의의 제품군인 ‘STSPIN’ 모터 드라이버를 개발했다.
“개발자가 원하는 모터에 최적화된 SoC나 SiP 제공해”
염문준 ST마이크로일렉트로닉스 마케팅 부장은 ST의 STSPIN은 약 125개의 제품군으로 거의 모든 종류의 제품군에 적용할 수 있다고 말했다. STSPIN은 모터를 구동하기 위한 필수 소자인 ▲모터를 구동하는 프로세서인 MCU ▲컨트롤 로직(Control Logic) ▲모터의 전압과 전류 레벨에 맞춰 증폭하는 드라이버(Driver) ▲모터에 전류를 넣고 빼는 파워스테이지(PowerStage)에 MOSFET을 고객들의 니즈에 맞게 조합해 SoC(System on Chip)나 SiP(System in Package)의 형태로 제공한다.
염문준 마케팅 부장은 “개발자들이 제품을 개발할 때, 모터에 맞춰 부품을 구해야 한다. 모터의 권선수·모터의 종류·회전력에 대한 한계성 등에 따라 알맞은 부품을 찾아야 한다”며, “개발자가 원하는 전력스위치를 찾더라도 그에 적합한 드라이버가 없는 경우가 있다. 결국은 요구하는 사양보다 높은 사양의 제품을 구매할 수밖에 없다. 높은 사양이기 때문에 부품도 커지고 가격도 비싸진다는 단점이 있다. 이에 ST는 집적력의 장점을 살려 여러 요소를 하나로 묶은 STSPIN 제품군을 개발했다. 개발자들이 부품을 찾거나 고사양 제품을 구매할 필요 없이 애플리케이션에 최적화된 SoC나 Sip를 사용하면 된다”고 STSPIN의 개발 의도를 설명했다.
SoC 솔루션, STSPIN200과 800 시리즈
STSPIN 제품군 중 STSPIN200 시리즈와 STSPIN800 시리즈는 컨트롤 로직, 드라이버, MOSFET를 한 개의 다이(Die)에 묶어 제공하는 SoC 제품군으로 가장 실용적인 모터 제어 솔루션이다. 소비자들은 자신이 원하는 모터와 MCU에 맞는 STSPIN SoC 제품을 결합하면 된다. STSPIN의 SoC 제품들은 스테퍼 모터에서 256μ스텝의 정밀한 제어 능력을 자랑한다. 만약 스테퍼 모터로 90° 회전을 구동할 경우 256단계로 나눠서 회전이 가능한 수준인 것이다.
▲ STSPIN200 시리즈는 1.8~10V 사이의 저전압용 제품으로 80nA 이하의 아주 낮은 대기 전류와 3x3mm의 작은 크기가 특징이다. 제품은 대기전력모드에서 월등히 낮은 소모대기전력으로 무인항공 카메라의 수평 유지 장치나 교육용 로봇, 칫솔, 면도기, 의료용 실린지 펌프, IoT(Internet of Things, 사물인터넷) 기기의 소형 드라이브 등의 장비에서 배터리 동작 수명을 늘려준다.
▲ STSPIN800 시리즈는 7~45V의 넓은 범위의 전압을 제공하며, 강력한 1.5Arms 출력단을 초소형 4 x 4mm QFN 패키지에 통합했다. 800시리즈는 DC모터, BLDC모터, 스테퍼 모터 등 다양한 모터에 적용할 수 있다. 특히, BLDC모터의 구동을 위한 알고리즘인 FOC 벡터 제어와 6스텝 FW를 둘 다 지원하고, 펌웨어 변경을 통해 쉽게 알고리즘을 전환하여 사용할 수 있다. 감시카메라, 현금지급기, 의료기기, 자판기, 휴대용 진공청소기 등 실생활과 산업용의 다양한 모터 애플리케이션에 사용된다.
염문준 부장은 “DC모터, BLDC모터, 스테핑 모터 등의 종류에 각 파워별로 최적화된 집적된 회로를 한 칩에 묶어서 제공하니 고객사들이 매우 만족한 모습을 보였다”며, “최근 이 칩을 가지고 고객사를 방문했더니 ‘왜 이제야 나왔느냐’고 물어보기까지 한다. 최적화됐다는 것은 기능적인 스펙을 맞춘 것도 있지만, 집적화된 (ST의) 노하우를 가지고 칩도 콤팩트하게 만들었다는 것은 엄청난 장점”이라고 밝혔다.
ST의 노하우가 들어간 SiP 솔루션 STSPIN30F0와 POWERSTEP
STSPIN30F0는 컨트롤 로직과 게이트 드라이버에 MCU까지 함께 결합한 제품이다. MCU를 결합했음에도 제품은 7x7mm QFN 패키지로 제공된다. 모터 구동을 위한 소자를 하나의 패키지에 결합해, 집약성을 높여 크기를 줄였으며 비용 효율성을 높인 제품이다. 개발자들은 이 제품만으로도 손쉽게 다양한 모터와 결합할 수 있다. 제품에는 OP 앰프 4개와 과전류 제어를 위한 컴퍼레이터 등 5개의 능동소자가 포함돼 3상의 BLDC 모터를 구동하는데 있어서, 최적화된 부품구성을 통해 보드비용도 최소화 할 수 있다.
STSPIN32F0는 인더스트리 4.0과 하이엔드 가전 시스템에 적합하다. 이런 제품 개발에는 자율 구동을 지원하는 높은 수준의 처리 성능과 모터 제어 전략을 최적화할 수 있는 여유가 필요한데, STSPIN32F0는 이런 니즈를 충족시킬 수 있다.
염문준 부장은 “MCU와 드라이버를 합치는 것은 굉장히 힘든 기술”이라며, “보통 MCU는 안에 메모리가 있다. 메모리를 만들 때는 CMOS 공정 중에서도 따로 진행된다. MCU 공정에 비해 드라이버 공정은 하이볼티지(High Voltage, 고압)이다. 공정이 맞지 않아 두 공정을 함께 단일 다이(Die)로 만들 수는 없다. 그래서 선택한 것이 SiP”라고 STSPIN30F0/A를 만들게 된 이유를 설명했다. 염 부장은 ST의 50년 SiP 노하우로 MCU 다이와 그 밖의 다이를 묶어 패키징을 해서 SiP로 제조할 수 있다고 밝혔다.
또 다른 SiP 제품인 ‘POWERSTEP’은 공장자동화 등 큰 전압이 필요한 곳에 사용되는 솔루션이다. POWERSTEP은 2개의 600V 게이트 드라이버와 4개의 고전압 FET, 콘트롤 로직이 결합한 제품이다. 11x14mm의 작은 크기에 85V에 10A로 구동된다. 염 부장은 이렇게 작은 제품이 고전압에도 견딜수 있는 까닭은 RDS On(전원을 켰을 때의 저항값)이 16mΩ밖에 되지 않기 때문이라고 설명했다.
ST의 BCD 공정, 높아진 집적으로 효율성 높여
염문준 부장은 “ST가 작은 크기의 성능이 좋은 STSPIN 제품군을 만들 수 있는 이유는 다이 기술이 좋기 때문”이라며, “제품은 BCD(Bipolar-CMOS-DMOS) 공정으로 만들어진다. ST는 전 세계적으로 선도적인 BCD 기술을 갖췄으며, 여기에 아이솔레이션 공정까지 가능하다. 이런 진보된 프로세스를 통해 집적화, 결국 인티그레이션 기술을 확보했다. 이 공정으로 파워 소모를 줄일 수 있다”고 강조했다.
특히, 최근에는 무선 진공청소기처럼 배터리를 이용한 오토 구동 애플리케이션이 많아지고 있다. 이런 제품들은 모터의 전류 세기와 회전력을 높이는 것과 배터리를 얼마나 오래 사용할 수 있느냐가 주요 이슈다. ST는 향상된 BCD 기술로 파워 소모를 줄일 수 있다는 것이다.
염 부장은 “모든 칩은 트랜지스터로 설계가 된다. 같은 RDS(on)값으로 보다 작은 트랜지스터를 설계 할 수 있는 프로세서를 구비하고 있기 때문에 보다 작고, 낮은 소모 전류를 제공 할 수 있다. 향상된 BCD 기술로 트랜지스터의 크기와 수를 줄일 수 있다”며, “패키지도 중요하다. 2개 이상의 다이를 결합할 때 연결된 와이어에서 생기는 저항값이 크다. 이를 줄여야 하는데, ST의 집적 기술과 50년의 패키징 기술로 이를 실현시켰다”고 설명했다.
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