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전원 공급 장치의 디지털 제어로 산업 4.0, IoT 애플리케이션 관련 요구 사항 지원

글/Gary Bocock, XP Power 제공

전원 공급 장치 및 전력 시스템에 DSP(디지털 신호 처리)제어를 구현하면 많은 이점을 얻을 수 있다. 통신 및 제어에서 네트워크화된 공장 및 효율적인 스마트 제조를 지원하기까지, 산업 4.0, 4차 산업 혁명 또는 사물 인터넷(IoT)과 같이 다양하게 알려져 있으며, 최종 장비 내의 통신 및 제어를 통한 독립형 애플리케이션의 유연성과 효율성 및/또는 맞춤화를 통해, 효율적인 통합과 최적화된 성능 특성을 보장하기 위한 최종 장비 개발 단계 중의 전원 공급을 한다.

여기서는 전원 공급 장치와 전원 시스템을 연결된 애플리케이션과 독립형 애플리케이션 및 장비에 통합할 때 진정한 디지털 제어가 제공하는 배경, 가능성 및 이점을 살펴본다.

배경
전원 공급 장치 및 전원 시스템의 디지털 제어는 크게 두가지 구현에 적합하다. 좀 더 일반적인 접근법은 통신 버스를 통해 신호와 경보 그리고 다양한 수준의 제어를 제공하는 전통적인 아날로그 제어 시스템과 외부 장치 사이의 디지털 인터페이스이다.

<그림 1. 디지털 인터페이스가 있는 아날로그 전원 공급 장치>

단순하고 저렴한 마이크로 컨트롤러도 수년 간 전력 애플리케이션에서 팬 속도 제어, 보호 기능 및 경보 감지와 같은 기능을 위해 구현되어 왔다. 점점 더 많은 제조 업체들이 미세한 제어 장치를 통해 DSP(디지털 신호 처리)를 사용하여 더욱 정교한 기능을 제공하고 유연성을 크게 향상시켜 사용자가 프로그래밍할 수 있는 기능과 특성을 제공하고 있다.

<그림 2. DSP제어 디지털 전원 공급 장치>

의심할 여지없이 DSP는 출시된 아날로그 컨트롤러에 비해 비용이 더 많이 들지만 전체 DSP제어를 구현할 수 있는 마이크로 컨트롤러의 비용은 시간이 지나면서 감소했고, 특히 전력 정격이 증가함에 따라 이 솔루션은 더욱 매력적이고 바람직한 솔루션이 되었다. 필요한 혼합 도메인 아키텍처는 주파수 또는 s도메인이 아닌 별개의 시간 또는 z도메인에서 제어 루프의 효율적인 코드와 제어 루프의 안정화와 결합하여 주요 전력 제조 업체의 제품 설계 및 개발 팀에 의해 잘 입증되고 이해된다.

효율적이고 신뢰할 수 있는 전원 공급 장치를 개발, 문서화, 검증 및 승인하는 데는 상당한 시간과 리소스가 소요되지만, 디지털 전력의 상당한 이점과 함께 다양한 제품 및 플랫폼에서 펌웨어를 재사용할 수 있는 능력이 확보된 후에는 상대적으로 작은 변화들이 실현될 수 있다.

디지털 제어 루프는 구성 요소의 환경, 온도, 노화 및 공차 변화에 민감하다는 장점이 있다. 제조 시점에서 보정하여 정확도를 더욱 높이고, 실시간으로 전력 시스템의 성능을 모니터링할 수 있으며, 파라미터를 조정하여 운영 시점에서 최적의 성능에 맞게 조정함으로써 효율성을 높이고 전력 손실을 줄일 수 있다.

디지털 신호 처리(DSP)의 특징 및 이점
완전한 디지털 전원 공급 장치는 기존 아날로그 제어 시스템이 요구해 온 하드웨어 변경 및 적응 없이도 광범위한 애플리케이션에 적합한 탁월한 유연성과 조정성을 제공할 수 있다.

DSP컨트롤 루프는 컨버터 작동 모드를 수요에 맞게 조정하여 최대 0~105-110%범위에서 출력 전압 및 전류 조정 기능을 제공한다. 이러한 특성은 효율성을 저하시키지 않고 현대적인 공진형 토폴로지에서 복잡하고 비용이 많이 들 수 있는 정전류 특성의 구현을 용이하게 되면 효율성을 저하시킬 필요가 없다. 여기에는 동일한 전원 변환 단계에서 복수의 스위칭 체계와 제어 알고리즘을 사용하여 필요한 작동 지점에서 최적의 성능을 달성해야 하며, 이는 하드웨어 드라이브 및 보상 체계가 고정된 기존 아날로그 제어 방식에서 불가능하지는 않더라도 매우 복잡한 작업이다. 이러한 광범위한 제어는 시스템 유연성과 효율성을 극대화하기 위해 연속적으로 가변적인 전원 공급 장치로 구현되거나, 시스템 개발 단계에서 하드웨어 업데이트 없이 애플리케이션에 대한 공급 특성을 최적화하기 위해 활용될 수 있다.

또한 DSP를 사용하면 기존의 제어 시스템에서 하드웨어를 변경할 수 있는 또 다른 기능인 소프트웨어의 시작 램프 시간, 소프트 스타트 특성 및 슬루 레이트를 결정할 수 있다.

경고 레벨 및 고장 조건(예: 과전압 입력, 과전압 초과 출력, 저 출력 전류, 온도 경고 및 고장 조건)은 소프트웨어에 의해 애플리케이션에 설정할 수 있다. DSP를 사용하면 개별 경고 또는 오류 조건에 적용되는 응답 유형과 지연을 사용자 지정할 수 있다. 경고 또는 장애 조건에 따른 옵션은 모든 사용자가 선택한 경우 짧은 지연의 연속적인 작동 및 비활성화, 무기한 연속 작동, 비활성화 및 재시도(중지하기 전에 재시도 및 재시도 간격 포함), 확인 또는 해제 /리셋을 위해 비활성화할 수 있다.

또한 사용자는 디지털 제어 시스템을 사용하여 시스템 요구에 맞게 신호, 경보 및 제어의 극성을 설정할 수 있다. 좋은 예는 디지털 스위치를 조작하여 원격 켜기/끄기 컨트롤이 금지 기능으로 작동하거나 간단히 활성화되도록 설정하는 기능이다. 전원 시스템의 정보는 모델, 개정판, 일련 번호, 실행 시간, 작동 온도 및 고장/이벤트 로그와 같은 보고 및 상태를 가능하게 하는 통신 인터페이스를 통해 즉시 이용할 수 있다.

디지털 전력 애플리케이션을 위한 최신 마이크로 컨트롤러에는 DSP기능이 포함되어 있어 모든 전환 기간 동안 단 몇 번의 동작만에 디지털 제어 루프를 실행할 수 있기 때문에 이러한 유연성과 사용자 제어가 가능한다. 아래의 단순화된 예에서는 출력 전압이 스위칭 사이클당 한번씩 샘플링됩니다. ADC변환 시간은 일반적으로 수백 나노초이다.  

<그림 3. 제어 루프와 예비대역의 간략한 예>

MCU가 컨트롤러를 실행하는 데 소비하지 않는 시간은 예비 대역이며, 이 예비 대역은 다른 작업이나 기능을 수행하는 데 사용할 수 있다. 낮은 우선 순위 작업은 느린 루프에서 실행되며 ADC인터럽트와 같은 높은 우선 순위 작업이 발생할 때마다 제어 루프 코드를 실행한다. 기존 0-5V또는 0-10V제어 신호를 사용하여 전원 공급기 내에서 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 구현하는 시스템에 대해서도 디지털 전원의 아날로그 제어 규칙이 제공되며, 일반적으로 모든 경보 및 제어는 공통 연결을 통해 액세스 할 수 있다.

연결된 시스템
통신과 제어는 전력 시스템의 실시간 상태 정보와 조정 및 제어 입력의 혜택을 받는 연결된 스마트 공장 및 IoT애플리케이션의 증가와 함께 점점 더 중요해지고 있으며, 이를 통해 실시간 조정을 통해 정확한 전압 및/또는 전류가 공급되는 경우 환경과 용도에 맞게 조정할 수 있는 능력은 프로세스 효율을 극대화할 수 있다.
디지털 전원 제품은 민감한 프로세스 또는 테스트 애플리케이션에서 시스템 효율을 극대화하기 위해 출력 전압, 전류 및 전력 공급을 실시간으로 조정할 수 있을 뿐만 아니라 경고, 고장 조건, 전원 공급 정보, 실행 시간, 열 데이터 및 이벤트 로그도 보고할 수 있다.

일반적으로 사용되는 I2C/C2PMBus및 RS232/RS485 직렬 버스에서 DeviceNet및 EtherCAT지원 인터페이스 솔루션에 이르기까지 다양한 디지털 인터페이스 및 프로토콜을 사용하여 다양한 환경, 애플리케이션 및 요구 사항을 충족할 수 있다.

모든 최종 애플리케이션이 외부 세계와의 통신을 필요로 하는 것은 아니지만, 최종 장비 내에서 전원 시스템의 매개 변수와 통신하고 조정할 수 있는 능력은 특징과 작동 특성을 향상시킬 수 있으며, 기존의 고정된 출력에 필요한 외부 하드웨어 제어 장치를 교체함으로써 비용을 절감할 수 있다. DSP지원 전원 공급기는 일반적으로 공차가 허용되는 훨씬 더 높은 비용의 실험실 공급 장치와 관련된 출력 전압, 전류 및 전력 공급에 대한 동적 요구 사항을 지원하고 비용 효율적인 전원에서 직접 복잡한 테스트, 내장 및 프로세스 루틴을 실행할 수 있다.

독립 실행형 적용
외부 또는 내부에서 통신할 필요가 없는 최종 장비에서는 애플리케이션에 맞게 전원 공급 장치를 조정함으로써 통합을 용이하게 하고 수정된 표준 또는 맞춤형 전력 솔루션이 필요한 애플리케이션 특정 솔루션의 필요성을 제거할 수 있다.

출력 전압, 출력 전류, 전력 공급, 경고, 경보, 보호 및 제어는 개발 단계에서 조정, 평가, 수정 및 완료될 수 있으며, 최종 장비 생산 단계에서 전원 공급 업체에 의해 구현되는 일련의 고유한 펌웨어 특성을 생성한다. 이러한 특성 반복은 동일한 표준 제품에서 구현할 수 있으므로 기존 전력 제품에 필요한 하드웨어 변경에 비해 상당한 시간과 비용이 절약된다.

최종 응용 프로그램 전압이나 전류 조정에 아날로그 컨트롤을 적용하여 현재 그 감시력이 경보 및 고장 상태 설정&응답과 극성을 설정할 수 있다. 경보 및 제어 신호, 응용 프로그램 또는 완전히 주문제작된 파워 솔루션과 상세한 시간의 지연, 위험과 이벤트 없시 개발, EMC와 안전 기관 승인에 관여하는 움직임에 따라 비용을 절감한다.

디지털 전원 공급 장치 제조 업체는 일반적으로 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제공하여 사용자가 이러한 목적만을 위한 요구 사항을 정의하고 연결된 애플리케이션의 기능을 신속하게 평가할 수 있도록 한다. 일반적인 예는 다음과 같다.

<그림 4. XP의 HPT시리즈 디지털 전원 공급 장치를 위한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)>

요약하면, 전력 공급 장치와 전력 시스템에 DSP제어를 구현하면 대개 더 높은 전력(1kW+)을 사용해 유연성과 시간 및 비용 절감 효과를 얻을 수 있는 확실하고 실현 가능한 이점이 있다. 단순하고 낮은 전력 애플리케이션의 경우 일반적으로 사용되는 토폴로지에 대한 낮은 구입 비용과 함께 표준 출시 기간을 단축할 수 있으므로 지나치게 복잡하고 비용이 많이 들 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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