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디지털 전력: 전력 설계를 위한 기회


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글/Dr. Michael Hallworth, XP Power


디지털 파워는 지난 5년 동안 빠른 성장을 경험했고, 산업계는 디지털 제어가 전통적인 아날로그 영역에 가져다 주는 많은 이점을 이용했다. 이는 디지털 전력 시장을 타깃으로 하는 다양한 마이크로컨트롤러 공급업체의 많은 신제품에 의해 지원되었다.
전통적인 아날로그 전원 공급기에서 제어는 보상 네트워크를 구성하는 일련의 엄선된 외부 캐패시터와 저항기와 결합된 차동 증폭기와 비교기로 구성된 제어 IC를 사용하여 구현된다. 이는 전원 공급기에 원하는 과도 부하 성능과 주파수 영역인 s-domain의 안정성을 제공한다. 보상 네트워크는 고정되며 피드백 경로에 광커플러를 제한하는 대역폭의 존재에 의해 종종 조절된다. 이것은 그림 1과 같다.

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[그림 1] 아날로그 제어 전원 공급 장치

우리가 디지털 전력을 언급할 때, 우리가 실제로 의미하는 것은 전력 공급을 조절하고 안정화시키는 디지털 제어 루프라는 것인데, 이것은 1980년대부터 스위치 모드 전력 공급에 사용되어 온 아날로그 제어 IC를 대체한다. 그림 2에 나타낸 디지털 전원 공급장치에서 아날로그 제어 IC와 그 관련 아날로그 보상 네트워크는 마이크로컨트롤러로 대체되었다.

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[그림 2] 디지털 제어 전원 공급 장치

마이크로컨트롤러는 전원공급기의 피드백 루프를 닫는데 사용된다. 일반적인 디지털 제어 전원 공급 장치에서 마이크로컨트롤러는 출력 전압 또는 전류를 샘플링한다. 이것은 오류 항이 되는 결과로서 요구 참조 값과 비교된다. 오차항은 이산 시간 영역인 z 영역에 극과 0을 갖는 이산 시간 통제관(일반적으로 2극 2 제로 또는 3극 3 제로 컨트롤러)에 대한 입력으로 사용된다. 이산 시간 컨트롤러는 정확하고 사전 정의된 간격으로 실행되며, 매번 새로운 ADC 샘플을 사용할 수 있다.
이 이산 시간 제어기의 예는 그림 3과 같다. 컨트롤러는 5개의 곱셈 및 모의 실험 작업으로 구성되며, 이를 DSP(Digital Sign Processor)에 탑재된 MAC(Multiplier-accumulator) 지침이라고 한다. 이 표본 추출 기간 x[n]의 컨트롤러에 대한 입력에 제어기 계수 B0을 곱하고, z-1의 항은 단위 지연이며, 이전 입력인 x[n-1]에 계수 B1을 곱하게 된다.
이어서 또 다른 단위 지연이 있으므로, 이전 두 표본 추출 기간의 오차항 x[n-2]에 B2를 곱한다. 그림 3의 오른쪽에는 컨트롤러 출력에 동일한 프로세스가 적용된다. 컨트롤러의 이전 출력인 y[n-1]에 A1을 곱하고 이전 두 샘플링 기간의 출력인 y[n-2]에 A2를 곱한다. 이러한 승수는 함께 누적되며 그 결과는 이 샘플링 기간 동안 컨트롤러의 새 출력이 된다. 컨트롤러 y[n]의 출력은 공명/펄스 주파수 변조(PWM) 상상에 대한 펄스 폭 변조(PWM) 변환기의 새로운 듀티 사이클 값 또는 스위칭 주파수 값이다.
s-domain의 아날로그 보정기와 마찬가지로, 그림 3에서 표시한 이산 시간 제어기는 z-domain의 주파수 응답을 가질 것이다. 제어기 계수는 주파수 응답과 그에 따른 전원 공급기의 안정성을 결정하는 것이다. 따라서 엔지니어는 전력 공급을 안정화시키기 위해 제어기 계수를 분석적으로 계산해야 한다.

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[그림 3] 별도의 시간 2극 2제로 컨트롤러

마이크로컨트롤러는 상대적으로 간단하고 저렴한 마이크로컨트롤러를 사용하여 PMbus와 팬 속도 제어와 같은 기본적인 기능을 구현하기 위해 수년간 전력 공급장치에 사용되어 왔다. 그러나, 완전한 디지털 제어는 산업 및 의료 시장에서의 흡수가 늦어 서버 및 통신 시장에서 이전에 가장 보편적이었다.
디지털 제어로의 전환을 방해하는 요인은 주로 디지털 전원과 관련된 비용과 복잡성이었다. 좋은 소식은 완전한 디지털 제어를 구현하는 데 필요한 DSP 기능을 갖춘 현대식 마이크로컨트롤러의 비용이 최근 몇 년 동안 급격히 감소하여 더 많은 설계에 사용할 수 있게 되었다는 것이다. 그러나, 복잡성은 여전히 문제로 남아있다. 이러한 복잡성은 전력 공급기 설계에 대한 혼합 도메인 접근법의 필요성에서 비롯된다. 엔지니어는 전력 공급기 설계 지식을 효율적인 코드를 작성하고 이산 시간 제어 루프를 안정화시킬 수 있는 능력과 결합해야 한다.
그렇다면 디지털 컨트롤로 전환하는 이유는 무엇인가? 디지털 제어 루프는 아날로그 제어 루프보다 많은 장점을 가지고 있다. 디지털 전원공급기는 제어 루프 구성요소의 환경, 온도, 노화 및 공차에 민감하지 않다. 그것은 시스템이 전력 공급기의 성능을 실시간으로 감시하고 필요에 따라 성능을 조정하도록 매개변수를 조정할 수 있도록 한다. 더욱이, 진보된 이산 시간 제어 기술은 우리가 아날로그 보상기에 비해 더 높은 성능을 달성할 수 있게 해주며, 몇 번의 전환 기간 동안 과도현상에서 복구한다. 이는 디지털 전력의 큰 채택자였던 부하 포인트(POL) 변환기 시장에 특히 관심이 있었다. 고성능 마이크로컨트롤러는 여러 전원 단계를 안정화하고 조절하는 데 사용할 수 있으며, 각 전원단마다 개별 아날로그 제어 IC의 필요성이 없다.
고효율 변환기에 대한 수요가 지속적으로 증가하는 영역은 디지털 전력의 유연성이 일반적인 아날로그 제어 체계의 기능을 넘어서는 솔루션을 제공하는 영역이다. 여기에는 최적의 영전압 또는 영전류 스위칭을 달성하기 위해 PSU의 작동을 조정하여 스위칭 손실을 줄이고 전체 효율을 높이는 작업이 포함된다. 또는 여러 개의 전원 공급 장치가 사용되는 전체 데이터 센터 또는 시스템의 효율성을 개선함으로써 발생하는 영향을 고려할 수도 있다. 시스템 내 마스터 컨트롤러의 정보를 기반으로 종료 또는 저전력 모드로의 전환 요청에 응답하여 이 작업을 수행할 수 있다.
디지털 전원 애플리케이션용 최신 마이크로컨트롤러에는 DSP 기능이 포함되어 있어 모든 스위칭 기간마다 단일 PWM 스위칭 기간보다 훨씬 짧은 시간 내에 디지털 제어 루프를 실행할 수 있다. 그림 4는 일반적인 디지털 전원 공급기의 PWM 스위칭 시간을 보여준다. 이 간단한 예에서 출력 전압은 스위칭 사이클당 한 번씩 샘플링된다. 몇 백 나노초의 ADC 변환 시간은 디지털 전력 애플리케이션용으로 설계된 마이크로컨트롤러에 일반적으로 해당한다. ADC 변환 후 인터럽트 서비스 루틴을 호출하여 이산 시간 컨트롤러를 실행한다. 이 절차는 시간이 매우 중요한 루틴이므로 컨트롤러를 어셈블리 코드로 작성하여 MAC 명령을 사용하고 모든 명령 사이클의 사용을 최적화할 수 있다.

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[그림 4] 일반적인 컨트롤 루프 지속 시간 대 PWM 스위칭 시간

이 예제의 경우 그림 4에서와 같이 MCU가 컨트롤러 실행에 소비하지 않는 시간은 예비 대역폭이다. 이 예비 대역폭을 사용하여 고객 응용 프로그램과 관련된 다른 작업 또는 기능을 수행할 수 있다. 우선 순위가 낮은 작업은 느린 루프에서 실행되며 ADC 인터럽트와 같이 우선 순위가 높은 작업이 발생할 때마다 중단된다.
전원 공급기를 위한 강력하고 효율적인 펌웨어의 개발은 설계의 복잡성에 따라 상당한 시간이 걸릴 수 있다. 여기에는 다양한 안전 승인에 필요한 검증 및 테스트 프로세스와 문서도 포함된다. 따라서 디지털 전원 공급 장치 개발에 상당한 리소스가 투자되어야 한다. 하지만, 일단 초기 투자를 하게 되면, 디지털 전력의 추가적인 이점 중 하나는 여러 제품에 걸쳐 펌웨어를 재사용할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 한 시리즈 내에서 출력 전압이 서로 다른 제품의 펌웨어 변경은 컨트롤러 계수를 변경하는 간단한 경우일 수 있다.
마이크로컨트롤러가 설계에 추가하는 유연성을 고려할 때, 디지털 전력은 표준 제품이 고객의 모든 요구사항을 충족하지 못하는 맞춤형 전력 애플리케이션에 적합하다. USB, I2C 또는 EtherCAT를 통한 전원 공급 제어와 같은 특정 통신 요구 사항이 있을 수 있으며, 나중에 라이브 펌웨어 업데이트를 사용하여 통신 프로토콜을 업데이트할 수 있다. 고객이 출력 전압 또는 전류 한계를 즉시 조정하거나 실시간 모니터링, 전원 레일 시퀀싱 또는 출력 모듈 간의 정확한 전류 공유를 요구할 수 있다.
물론 디지털 전력에 사용되는 고성능 마이크로컨트롤러는 대체되는 아날로그 IC보다 비용이 더 많이 들 것이다. 그러나 디지털 컨트롤러는 개별 구성 요소를 사용하는 대신 MCU 내에서 다른 기능을 구현할 수 있는 기회를 열어 준다. 이것은 특히 하나의 마이크로컨트롤러를 사용하여 제어될 수 있는 복잡한 신호 요구 조건 또는 여러 개의 파워 레일을 가진 설계에 대하여 감소된 부품의 수와 더 작은 해결책으로 이어질 수 있다. 그 결과, 아날로그 솔루션 위에 마이크로컨트롤러를 사용하여 구현할 때 보다 비용 효율적인 전체적인 솔루션이 될 수 있다. 물론 일부 복잡한 요구사항의 경우, 디지털 방식이 유일한 해결책일 수 있다.
XP Power는 당사의 표준 제품군의 다양성을 활용하여 복잡한 맞춤형 전력 솔루션을 구현할 수 있는 지식과 기능을 갖추고 있다. MCU가 전력 공급의 중심에 있기 때문에 맞춤형 전력 애플리케이션의 가능성이 크게 부각되고 있다. 디지털 파워가 제공하는 많은 이점을 고려할 때, 향후 몇 년 동안 디지털 파워가 계속해서 증가할 것으로 예상된다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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