PSoC
기계적 소음을 줄이고 작동 라이프타임을 늘리기 위해 이러한 설계 사례는 싱글 페이즈, 4극 브러시리스 DC 모터를 조절할 것이다. 팬 모터는 외부의 4극 영구 자석 회전자와 고정된 4극 고정자를 가진 하나의 고유한 설계이다. 극들은 연속으로 싱글 코일이 되면서 교대로 감겨진다. 한 방향에서 코일에 전류를 가하면 0° 혹은 180° 어느 쪽에서도 모터를 잠글 것이며, 반대 방향에서 전류를 가하면 90° 혹은 270°에서 모터를 잠글 것이다. 회전자의 위치를 측정하기 위한 아날로그 홀 이펙트 센서로 개발자들은 모터의 회전을 컨트롤하기 위한 규모와 전류 방향을 맞출 수 있다.
글 : 데이브 반 에스 / 애플리케이션 엔지니어
싸이프레스 반도체 / www.cypress.com
보다 많은 산업 및 컨수머 제품들이 점점 작아짐에 따라, 보다 효율적이고 조용한 방식으로 열을 제거할 필요성이 점차 중요해 지고 있다. PSoC(Programmable System on a Chip)는 이러한 문제를 해결하기 위한 효과적이고 비용 효율적인 방식을 제공해 준다.
일반적인 인텔리전트 DC 팬(그림 1 참조)는 4개의 선을 가지고 있다: 파워 (빨간색), 그라운드 (검은색), 팬 속도 설정을 위한 PWM 입력 (파란색), 그리고 타코미터 출력 (녹색). 호스트 시스템은 PWM의 듀티 사이클을 설정함으로써 특정한 속도를 요구하며, 타코미터 피드백과 함께 올바른 작동을 확인한다. 주변 온도를 측정하면서 팬이 가능한 느리고 이따금씩 구동하는 것을 허용하며, 이는 서미스터(thermistor)의 비용을 의미한다.
기계적 소음을 줄이고 작동 라이프타임을 늘리기 위해 이러한 설계 사례는 싱글 페이즈, 4극 브러시리스 DC 모터를 조절할 것이다. 팬 모터는 외부의 4극 영구 자석 회전자와 고정된 4극 고정자를 가진 하나의 고유한 설계이다. 극들은 연속으로 싱글 코일이 되면서 교대로 감겨진다. 한 방향에서 코일에 전류를 가하면 0° 혹은 180° 어느 쪽에서도 모터를 잠글 것이며, 반대 방향에서 전류를 가하면 90° 혹은 270°에서 모터를 잠글 것이다. 회전자의 위치를 측정하기 위한 아날로그 홀 이펙트 센서로 개발자들은 모터의 회전을 컨트롤하기 위한 규모와 전류 방향을 맞출 수 있다.
코일은 전류의 방향을 조절하기 위한 4트랜지스터 H 브리지로 구동되며, 적절한 레그는 전류의 양을 설정하기 위한 PWM으로 구동된다. 전류 전환은 코일 전류를 모니터하기 위해 추가된다.
이 팬의 작동을 위해서는 아날로그 및 디지털 주변기기를 컨트롤하기 위해 돕는 마이크로 컨트롤러의 용량을 넘지 않고 마이크로컨트롤러 기반의 PSoC를 위한 하나의 이상적인 애플리케이션인 600rpm에서 30,000rpm까지 요구된다. 다음의 주변기기들이 필요하다:
● 디지털 시그널로 홀 센서의 차별적인 아날로그 출력을 전환하기 위한 비교기
● 코일 전류의 양을 조절하기 위한 8비트 PWM. 전류의 방향을 컨트롤하기 위해 마이크로컨트롤러는 FET 브리지의 적정한 더 낮은 레그로 PWM을 바꾼다. PWM 출력 주파수는 인간의 청력 범주 바로 위인 23.4kHz(6MHz/256)에 설정된다.
● 홀 센서 비교기로 부터의 에지를 측정할 16비트 타이머. 이 타이머는 4개의 극이 완벽하게 일정한 간격을 두지 않기 때문에 모든 4단계의 모터를 위한 시간을 측정할 것이다. 각 사이클의 아주 최종 비트를 위해 코일을 구동하는 것은 상당량의 전류를 소모하는 반면 어떠한 전력도 생산되지 않기 때문에 각각의 폴을 위한 타이밍은 필요하다. 전력을 보전하기 위해 PWM은 사이클 종료 전에 일부 경험적으로 결정된 분량의 시간을 멈춘다. PWM은 조기에 그 자체를 끄기 위해 페이즈 타임을 이용한다.
● 인커밍 스피드 조절 시그널을 위해 듀티 사이클을 측정할 16비트 타이머. 이 타이머는 24MHz에서 시간을 잰다. 이 타이머는 폴링 에지, 다음 라이징 에지, 그리고 그 다음 폴링 에지를 위한 시간을 측정하기 위해 설정된다. 듀티 사이클은 다음 방정식에서 볼 수 있다:
● 클록 정확도(Clock accuracy)가 방정식을 벗어난다는 점을 참조. 예를 들어, 25kHz 입력을 측정하는 24MHz 타이머는 0.2% 보다 훨씬 더 적은 정확성으로 960의 기간을 가진다.
● 전환 전류와 서미스터 전압을 측정하기 위한 ADC.
싸이프레스의 CY8C21323-24LFXI PSoC는 이러한 설계를 컨트롤하기 위해 선택되었다. 이 제품은 24핀 MLF 패키지에서 작동하고 마이크로컨트롤러를 포함하고 있으며, 다음의 주변기기들을 가지고 있다:
● 타이머, 카운터, PWMs로 구성될 수 있는 4개의 8비트 디지털 블록들. 이들은 더 폭넓은 주변기기들을 만들기 위해 종속 접속될 수 있다.
● 싱글 엔디드, 프로그래머블 비교기로서 사용될 수 있는 2개의 아날로그 블록들. 적절하게 구성된 디지털 블록과 함께 하나로 결합하면 10비트 ADC를 가진다. 이들 양 블록은 차별적인 입력과 함께 비교기로 결합될 수 있다.
처음을 대략 보면 필요한 시스템 요소들을 구축하기 위한 충분한 주변기기들이 없다는 것을 볼 수 있다. 아래 그림 2처럼, 컨트롤이 8가지 서로 다른 단계로 나눠지면 필요한 많은 요소들을 가용한 시스템 리소스로 공유할 수 있다.
DutyCycle = fclk/nf1-nf2/fclk/nr-nf2 = nr-nf2/nr-nf2
타이밍은 각 회전이 4단계를 가지면서 2개의 회전으로 분류된다. PWM은 모두 8단계를 필요로 함에 따라 공유될 수 없으며, 싱글 디지털 블록을 필요로 한다. 각 단계는 2개의 아날로그 블록으로 구성된 홀 센서에서 변화를 시작한다. 이 시점에서 모든 FET는 꺼지고 적정한 하이 사이드 FET는 켜진다. PWM은 적당한 로우 사이드 FET와 연결되고 켜진다. 아울러 PWM은 언제 꺼야 할지를 결정하기 위해 이전에 계산된 속도를 이용한다.
Odd3 종료 바로 직전으로부터 Odd0 시작 바로 이후까지 2개의 디지털 블록은 16비트 타이머를 만들기 위해 구성되며 4가지 짝수 단계의 폭을 측정한다. 이러한 정보는 팬 속도를 계산하기 위해 사용되었다. 여기서 속도는 odd rotations을 위해 측정되지 않았다는 점을 참조한다.
Odd3 중간에 하나의 아날로그 블록과 하나의 디지털 블록은 ADC 구축을 위해 재구성되며 전환 전류를 측정한다. 이 과정 완료 후, 아날로그 블록은 홀 비교기를 재구축하기 위해 재구성 된다. 동일한 과정이 서미스터 전압을 측정하기 위해 Odd1 에서 수행된다. Odd3에서는 2개의 디지털 블록이 인커밍 PWM의 듀티 사이클을 측정하기 위해 재구성된다. 이 작업이 끝나면, 이 블록들은 팬 속도를 측정하기 위해 재구성되며 이 사이클을 반복한다.
이러한 구성으로 3개의 디지털 블록만이 사용된다. 4번째 디지털 블록은 자유로운 추가 특징들을 위해 사용할 수 있다.
프로그래머블 시스템온칩은 부품의 수는 줄여주고 성능은 향상시켜 준다. 또한, 다이내믹 리컨피규레이션은 시스템 비용 절감은 물론 시스템 리소스 공유를 가능하게 해준다.
그림 1. 4 와이어 팬 모형도
그림 2. 다이내믹하게 재구성가능한 4와이어 팬용 타이밍 다이어그램
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