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아날로그와 디지털 영역을 잇는 하이브리드 전원 컨트롤러

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글/알리드 로드랜드(Arild Rodland), 마이크로칩 테크놀로지 제품 마케터

여러분은 얼마나 더 많은 전자제품들이 여러분의 삶을 가득 채워가고 있는지 모른다. 과거에는 단순하고 평범했던 전자 제품들이 갈수록 더욱 스마트하고 복잡한 기술로 진화하고 있다. 단순한 생활용품인 칫솔마저 인터넷과 연결된 전동 칫솔로 발전했고, 심지어 완벽한 미소를 위해 양치질을 제대로 할 수 있도록 압력 감지와 양치 시간 안내 등의 기능을 제공하고 있다.
이러한 전자 제품들은 배터리를 사용하거나 전원 콘센트에 바로 연결해서 사용하게 되는데, 어떤 것이든 전원이 필요하다는 공통점이 있다. 시야를 세계로 넓혀 전체 전동 디바이스 수를 살펴 보면 그 규모는 수십 억 대에 이른다. 이렇게 많은 전자 기기들이 소비하고 낭비하는 전력을 가능한 최대 수준으로 절감한다면 큰 이득이 될 수 있을 것이다.
스마트 기기의 전원 장치에 대한 수요는 과거 그 어느 때보다도 더 높다. 이는 최신 애플리케이션의 경우 대기모드에서 밀리와트 수준의 전력을 소모하며 가동 상태로 전환 시 수백 와트까지 소모하기 때문이다.
이와 같이 광범위한 동작 모드를 지원하기 때문에 기존 스위치 모드 전원 장치로는 충분하지 않다. 이제는 즉각적으로 모드 전환이 가능한 전원 장치가 필요한 것이다.
전통적으로 전원 공급 장치는 디스크리트(discrete) 부품을 사용하거나 보조 부품이 장착된 아날로그 전원 장치를 사용한 아날로그 솔루션 형태로 적용되었다. 이 방식을 통해 완전한 컨트롤 시스템이 아날로그 피드백 루프로 구현되었다. 이와 같은 시스템은 비교적 저렴하고 설계가 쉽다는 장점이 있다. 대부분의 일반적인 사용 사례에 맞게 조정된 대규모 ASIC 스위치 모드 솔루션 포트폴리오가 있지만, 이러한 솔루션 중 다수는 최신 스마트 기기의 변화하는 요구에 적응하지 못하고 있다.
반면 디지털 전원 장치는 매우 강력하다. 완전히 디지털화된 전원 장치는 모든 입력 신호를 디지털화하여 디지털 영역에서 신호 처리를 수행한다. 이 같은 장치는 제어를 위해 방대한 연산력이 필요한데 통상적으로 컴퓨팅 성능이 뛰어난 전용 디지털 신호 프로세서(DSP)와 마이크로컨트롤러(MCU)에서 처리해 왔다. 디지털 전원 장치는 아날로그 솔루션 대비 많은 이점을 지니고 있다. 다양한 토폴로지(Topology)에 쉽게 적응하고 최대 효율을 달성하기 위해 수정 및 조정이 용이하다. 완전 디지털 솔루션의 가장 큰 단점은 비용과 개발 난이도이다.
정리하자면 아날로그 전원 장치는 저렴하고 빠르지만 유연성은 높지 않은 반면, 디지털 전원 장치는 유연성이 매우 높고 강력한 대신 훨씬 더 복잡하고 상당히 비싼 편이다. 그렇다면 이 두 가지 말고 다른 옵션, 즉 아날로그와 디지털 전원 솔루션의 장점이 결합된 제 3의 솔루션이 최고의 해답이 아닐까?
바로 이러한 점에서 하이브리드 전원 시스템이 탄생한 것이다. 하이브리드 전원 솔루션에서 피드백 루프는 아날로그이지만 디지털 방식으로 성능을 향상시켰다. 하이브리드 전원 시스템은 디지털 로직과 아날로그 회로를 결합하여 단일 디바이스에서 아날로그와 디지털 두 가지 장점을 모두 활용한다. 아날로그 루프를 디지털 방식으로 향상시켰기 때문에, 최고의 성능을 발휘할 수 있도록 애플리케이션을 조정하기 위해 토폴로지나 컨트롤 모드 런타임을 쉽게 변경할 수 있다.

[그림 1] 아날로그, 디지털, 하이브리드 전원 솔루션 간의 관계

간단한 예시를 통해 장점을 살펴 보자.
배터리 충전 애플리케이션의 경우 해당 배터리 셀에 따른 엄격한 충전 특성을 준수해야 한다. 일부는 충전 초기 단계에서 고정 및 조정 전류로 충전하고, 충전 완료 상태에 가까워지면 전류 컨트롤에서 전압 컨트롤(전압을 조정하고 전류를 낮추는)로 전환된다.
하이브리드 전원 솔루션을 사용할 경우 작업이 매우 간단해진다. 전류 모드 컨트롤로 시작한 뒤 일정 시간이 지나면 전압 모드 컨트롤로 전환한다. 하드웨어와 토폴로지는 그대로이지만 감지(Sensing)가 전환되는 것이다.
앞에서 언급한 대로 하이브리드 전원 솔루션은 디지털 방식으로 향상된 아날로그 루프 시스템을 기반으로 한다. 이와 같은 하이브리드 전원 시스템은 독립형 주변장치(CIP)에서 구동하도록 설정된다. CIP 하이브리드 전원 기능이 내장된 마이크로컨트롤러는 다양한 토폴로지와 컨트롤 모드를 지원할 수 있도록 설정 기능이 뛰어난 첨단 자율 PWM 컨트롤러가 장착되어 있다.
그림 2는 CIP 하이브리드 전원 컨트롤러를 간략하게 나타낸 것이다. 이는 범용 마이크로컨트롤러, 그리고 나머지 마이크로컨트롤러 부분과 완전히 독립적으로 구동 가능한 PWM 컨트롤러로 구성되어 있다. PWM 컨트롤러는 그림 3에서 보듯이 세 가지 핵심 기능으로 나눠져 있다. 변조기 블록은 외부 전원 트랜지스터에 전환 신호를 발생시키는 기능을 하고 있다. 컨트롤 모드에 따라, 듀티 사이클 조정을 위해 전류 또는 전압 피드백 신호를 사용한다. 안정성 확보를 위한 슬로프 보상 기능도 포함되어 있다. 고장(fault) 처리 모듈은 합선이나 과전류 발생 시 전원을 차단하는 역할을 한다.

[그림 2] CIP 하이브리드 전원 컨트롤러

[그림 3] PWM이 내장된 CIP 하이브리드 전원 컨트롤러

전체 시스템을 하나의 독립 모듈로 설정하게 되면 시스템 측면에서 큰 장점이 된다. 전원 장치가 독립적으로 작동할 수 있으며, 마이크로컨트롤러를 자유롭게 활용하여 메인 컨트롤러와의 통신, 보드 컨트롤 기능 수행 및 PWM 컨트롤러의 고성능 컨트롤 기능 제공 등 보다 차원높은 기능을 수행할 수 있다.
LED 조명의 경우 색온도를 맞추기 위해서는 전류를 매우 정밀하게 컨트롤해야 한다. 주변 온도가 영향을 줄 수 있지만, 하이브리드 전원 솔루션이 내장된 마이크로컨트롤러를 사용하면 주변 온도를 쉽게 모니터링하여 알맞게 보상할 수 있다.
RGBW 스트립을 컨트롤하려면 네 개의 독립 채널이 필요한데, 이 때 CIP 하이브리드 전원 컨트롤러 일부에 개별로 컨트롤 가능한 완전 독립형 PWM 컨트롤러 네 개가 내장되어 있다는 점은 매우 반가운 소식이다. 이들은 동일한 전압을 출력할 필요가 없으며, 이들 디바이스 중 하나를 사용하여 시스템에 1.8V, 3.3V, 5V 전압을 제공할 수 있다.

개발 도전과제 - 단순화

마이크로컨트롤러는 대개 C언어와 같은 고차원적 프로그래밍 언어를 사용하여 프로그래밍되어 있지만 전원 장치 개발자들은 개발 및 디버깅 시 일반적으로 아날로그 시뮬레이션 툴을 사용한다. 기존의 마이크로컨트롤러 소프트웨어 개발자들은 전원 장치 설계 경험이 전무하거나 부족하고 파워 시스템 개발자들 또한 마이크로컨트롤러를 대상으로 코딩을 한 경험이 거의 없는 경우가 많다. 이는 극복해야 할 난제이다. 숙련된 파워 시스템 개발자가 하이브리드 전원 컨트롤러를 어떻게 프로그래밍하고 설정하도록 할 수 있을까?
방법은 PWM 컨트롤러의 전체 설정 과정을 몇 가지 단계로 단순화한 그래픽 개발 툴을 제공하는 것이다. 개발 툴은 모든 변조, 보상, 고장 감지 기능을 바탕으로 PWM 컨트롤러의 설정에 필요한 모든 초기화 코드(예: 피크 전류 모드 컨트롤 기능을 갖춘 싱크 벅(Sync Buck) 토폴로지 등)를 내부적으로 생성한다.

[그림 4] MPLAB X IDE

마이크로칩은 이러한 기능을 갖춘 마이크로컨트롤러 제품군을 발표했다. PIC16F176x와 PIC16F177x 제품들은 최대 네 개의 독립형 PWM 컨트롤러를 제공하고 아래 그림에서 볼 수 있듯이 MPLABⓇ X 그래픽 코드 컨피규레이터를 통해 완벽하게 지원된다. 이 툴은 아날로그 파워 개발자들을 대상으로 개발되었으며 개발자가 아날로그 전원 장치를 개발하는 일반적인 방식에 따라 전개된다. C언어 코딩과 레지스터 설정 없이도 전원 장치 토폴로지와 컨트롤 모드를 선택하고 전환 빈도, 최대 PWM 듀티 사이클 등의 값을 적절히 입력하면 된다. 나머지는 컨피규레이터가 자동으로 처리한 후 초기화 코드를 생성한다.
여기서 장점은 정상 작동 중에는 코드가 실행되지 않는다는 점이다. 이 코드는 단순히 PWM 컨트롤러 내 모든 인터커넥트를 설정하는 용도로만 쓰인다. 일단 구동이 시작되면 PWM 컨트롤러는 마이크로컨트롤러와의 상호작용 없이도 온전히 동작할 수 있다.
CIP 하이브리드 전원 컨트롤러에 대한 상세 정보는 다음 웹사이트에서 확인할 수 있다: www.Microchip.com.