글: 조셉 줄리처(Joseph Julicher)
엔지니어링 매니저, MCU08 애플리케이션 개발부
마이크로칩 테크놀로지(Microchip Technology Inc.)


지능형 전력 제어

세상에는 다양한 전원장치 애플리케이션들이 있으며 이들 대부분은 단순히 시스템 구동하기 위해 전류 또는 전압 소스가 필요하다. 이러한 애플리케이션들의 증가 추세와 함께, 시장에서의 제품 경쟁력 강화를 위한 성능 향상과 소비전력 절감, 새로운 기능 추가를 위하여 일종의 지능형 알고리즘을 통해 전압과 전류를 조절할 필요가 있다. 이러한 애플리케이션들에는 다음과 같은 것들이 포함된다.

1) 태양광 발전 시스템 또는 에너지 하베스팅을 위한 최대 전력점 추적(MPPT, Maximum Power Point Tracking)
2) 배터리 충전, 특히 보다 이국적인 화학 성질
3) 디밍 또는 주광(daylight) 하베스팅 기능이 있는 LED조명
4) 백업 전력 시스템을 통한 결함 감내성(Fault Tolerance)

각각의 경우에는 보다 효율적으로 전력을 관리하기 위해서 일정 수준의 지능형 알고리즘을 수행하는 마이크로컨트롤러(MCU)가 추가된다. 다른 전력 시스템들은 단순히 사람 또는 다른 시스템들과 연결하기 위해 지능형 기능을 필요로 한다. 이들 시스템의 예로는 PC마더보드의 SMbus 전력 부품, 차량 내의 LIN통신 연결 조명, 대형 건물에서 이더넷으로 관리되는 전력 패널 등을 들 수 있다. 단순히 기존 제품에 통신 기능을 추가할 경우에는 어느 정도 그 활용도와 가치가 증가한다.

기존의 스마트 파워

많은 스마트 전력 시스템의 ‘무차별(brute force)’ 접근방식은 단순히 기존의 전력 시스템에 MCU를 추가하는 것이다. 이는 기존 시스템에 의해 작업이 수행되며 이해도가 높으므로 위험도가 매우 낮다. 새로운 부분은 단순히 지능형 기능이 추가되었다는 것이다. 이 프로세스에는 일반적으로 전압, 전류, 온도 감지를 위한 회로와, 기존 전원장치의 듀티 사이클이나 주파수 같은 다른 파라미터가 포함된다. 활성화 및 전압 설정 포인트 같은 기존 전원장치의 기능들을 제어하기 위해 회로를 추가로 연결할 수 있다. 많은 SMPS ASIC들은 이미 I/O 핀이나 I2C™ 연결을 통해 필수 컨트롤 입력들을 제공한다.

PIC16F1939와 같은 다양한 범용 MCU들의 경우 이들 ASIC과 연결할 수 있으며, 전원장치 기능 개선을 위해 인터페이스, 명령 및 컨트롤을 제공한다.
일단 전원장치에 연결되고 확인이 완료되면 MPLAB® X IDE와PICkit™ 3 등의 표준 개발 도구를 통해 추가 기능을 신속하게 개발할 수 있다. 일반적으로 이 방법의 경우, 소프트웨어 개발 팀이 SMPS 설계의 복잡성을 완벽히 이해할 필요가 없다. SMPS 팀이 독립적으로 시스템의 해당 부분을 검증하기 때문이다.

디지털 전원장치

비용 절감을 위한 노력의 일환으로 SMPS와 MCU를 완전 통합하고자 하는 경향이 있다. 실제로 효과가 있는 방법 중 하나는 고속 샘플링 ADC가 내장된 고성능 MCU를 사용하는 것이다. 이 타입의 디바이스를 사용해 소프트웨어로 컨트롤되는 완전 디지털 피드백 시스템을 구현할 수 있다. 성능이 충분히 높은 경우에는 소프트웨어 상에서 매우 복잡한 피드백 알고리즘을 구현할 수 있으며, 하드웨어를 매우 단순하게 유지할 수 있다. 이 방법은 매우 매력적이지만 다음 몇 가지를 고려하여야 한다.

1) 문제해결에 ADC와 알고리즘이 포함되어야 하는 경우, 전통적인 컷/점프 디버깅 방법은 효과적이지 않다.
2) 소프트웨어 팀은 SMPS보상의 성능 및 수학적 요건을 파악해야만 한다. 때로는 아주 미묘한 코드 변경이 안정성에 큰 영향을 미친다.
3) 컨트롤러의 전력 요건은 MIPS에 따라 증가하므로 계산 집약적인 알고리즘은 시스템 효율성에 영향을 미친다.

시스템이 이러한 제한에 의해 구애 받지 않는 경우, 소프트웨어로 뛰어난 성능을 구현할 수 있다.

하이브리드형 스마트 파워

‘무차별’ 방식의 단순함과 완전한 디지털 방식 사이에는 하이브리드 방식이 위치한다. 이 방법에서는 필수 아날로그 피드백 주변장치들이 내장된 혼합신호 컨트롤러와 필수 MCU기능이 하나의 집적회로(IC)로 결합된다. 이러한 디바이스 중 하나가 PIC16F753이다. PIC16F753은 단일 14핀 마이크로컨트롤러에 연산 증폭기, 슬로프 보상기, DAC, 비교기, 펄스 폭 변조(PWM) 컨트롤러를 통합했다. 이 각각의 주변장치들은 프로그램 가능하며 다양한 전류 모드 전원장치를 구현하기 위해 여러 방식으로 결합될 수 있다.

또한 소프트웨어 상에서 설정이 가능하므로 전원장치의 조건에 따라 환경 설정을 동적으로 변경할 수 있다. 예를 들어 어떤 장난감이 대기 상태에 있다고 가정할 때, 간단한 펌웨어 피드-포워드(feed-forward) 레귤레이터를 갖춘 히스테리시스 컨트롤러를 통해 장난감의 전원장치를 구동하는 것이 적절할 수 있다. 장난감이 활성화되면 전원은 또 다른 동작 주파수에서 연속 전류 모드로 신속하게 재구성되어 동작 준비를 완료한다.

전체 전원장치는 MCU의 주변장치 내부에서 제어되므로, 모든 필요한 센싱 회로는 SMPS의 일부이며 설계 수명 후반에 추가되지 않는다. 따라서 설계를 단순화하고 부품 수를 줄일 수 있다. 펌웨어는 또한 새로운 컴포넌트들을 추가하지 않고도 전원장치의 동작에 여러 장점을 추가로 부여한다. 전원장치의 설계 과정은 기존 방식과 거의 동일하다. 각 단계는 다음과 같다:

1) 전원장치 토폴로지 결정
2) 전원을 생성하고 컴포넌트 값을 계산
3) 내부 주변장치들의 설정(코드 20 라인)
4) 성능 확인과 보상 네트워크 조정
5) 통신 및 지능형 인터페이스 코드 작성

주변장치 설정 및 확인은 전원 엔지니어링 팀에 의해 이루어지므로, 5단계는 전원장치에 대한 상세한 지식 없이도 수행할 수 있다.

설계 과정
-전원장치 토폴로지의 결정
-모델을 작성하고 컴포넌트 값을 계산
-전원장치를 위한 마이크로컨트롤러 주변장치의 구성
-아날로그 피드백 루프 조정
-통신 및 지능형 코드 작성

일반적인 구성

PIC16F753으로 설계한 대부분의 전원장치는 일반적인 SMPS 구성 상에서 편차가 작다. 이 구성은 다음과 같다.




이 구성에서 주변장치들은 대부분 고정주파수 전류 모드 전원장치를 구성하도록 설정된다. COG는 상보형 출력 발생기(complementary output generator)를 의미하는 것으로, 상승/하강 입력에서 프로그램 가능한 데드밴드(deadband)를 갖는 상보형 출력을 생성한다. CCP는 프로그램 가능한 주파수 상승 에지를 발생시키도록 설정된다. 비교기 C1은 전류가 슬로프 보상기 출력을 초과할 때 하강 에지를 발생시킨다. CCP는 최대 듀티 사이클을 생성하기 위해 C1과 결합할 수 있다. 부스트, 플라이백, SEPIC과 같은 일부 토폴로지들은 최대 듀티 사이클을 필요로 한다. OPA(연산 증폭기, op amp)는 피드백과 보상을 제공한다.

이 구성에서는 DAC가 연산 증폭기에 기준 전압을 제공하지만, 프로그래밍 레벨이 필요 없는 경우 고정 기준 전압(FVR)도 연산 증폭기 기준 전압을 제공하는 데 사용할 수 있다. 슬로프 보상기는 비교기 또는 COG에 의해 재설정될 수 있다. 이는 그 입력(이 경우 OPA)에 의해 설정된 수준으로 사전 충전된 캐패시터를 감쇠시키기 위한 것으로, 프로그램 가능한 전류 싱크를 사용해서 동작한다. 이러한 전원장치 구성은 사용하기 매우 쉽다. 다음은 LED스트링에서 부스트 전원이 전류를 조절하는 예이다.

부스트 LED 전원장치의 예



HW가 일단 설계되고 테스트가 완료되었다. 아래의 예와 같이 기본적인 기능들을 구현하여 간단히 지능을 추가할 수 있다.

LED 드라이버 플로우차트


최대 전력점 상태 머신


배터리 충전 상태 머신


결론

전원장치에 MCU를 추가하면 디바이스를 단독으로 사용할 때보다 훨씬 더 강력한 최종 결과를 얻을 수 있다. 이는 기존 SMPS 설계에 단순히 MCU를 삽입하거나, 또는 고성능 dsPIC으로 완전한 디지털 SMPS를 구축하거나, MCU및 아날로그 SMPS 기능을 하나의 칩으로 통합한 혼합신호 MCU를 사용하는 방식으로 구현 가능하다. 이와 관련하여 Microchip 웹 사이트(http://www.microchip.com/pagehandler/en-us/technology/intelligentpower/home.html) 에서 더 많은 정보를 얻을 수 있다.

Microchip의 이름과 로고, MPLAB, PIC, dsPIC, PIC은 미국 및 기타 국가에서 Microchip Technology Inc.의 등록 상표이다. PICkit은 Microchip Technology Inc.의 등록 상표이다. 본문에 언급된 다른 모든 상표는 해당 소유주의 자산이다.