고 전력(wattage) 전원공급장치의 효율을 높이기 위해서 전원 시스템의 디지털화에 눈을 돌리는 설계자가 늘고 있다. 이 글은 전원공급장치 제어를 주로 외부 아날로그 구현에 맡겼던 피크 전류 모드 제어를 TI C2000™ Piccolo™ 마이크로컨트롤러(MCU)의 통합 아날로그 기능을 활용해 디지털 도메인에서 실행하는 방법을 소개한다. 이러한 통합 기능으로 외부 부품 수는 물론 소프트웨어 구현의 부담도 줄어들게 된다.

글 | 브렛 노박(Brett Novak), 마케팅 매니저 C2000™ 마이크로컨트롤러 텍사스 인스트루먼트

피크 전류 모드 제어(peak current mode control)는 전원공급장치 설계자들에게 생소한 주제는 아니지만, 전통적으로 아날로그 제어 방식을 사용해왔다. 첨단 전원공급장치 시스템의 전류 모드 제어는 부하 라인 변동(load line regulation)의 개선, 사이클별 전류 제한 및 보호, 플럭스 균형 개선 등 많은 장점을 가지고 있다. 그러나 피크 전류 모드 제어의 특성상 기울기 보정(slope compensation) 요건, 즉 추가적인 지원 회로가 필요하다는 점 때문에 디지털 아키텍처에서 구현이 까다로웠다. 완전 디지털로 제어되는 시스템을 전담하여 수행하는 하드웨어가 통합된 DSP(digital signal pro-cessors)가 최근에 등장하기 전까지는 까다롭고 비용 부담이 있었다.
오늘날의 마이크로컨트롤러는 다양한 전원 응용 분야에서 더 높은 정밀성과 전력 효율, 비용 감소를 가능하게 해준다.
TI는 개발자들이 고성능 전원공급 시스템을 설계할 때 겪게 되는 도전과제를 잘 알고 있다. 제조업체들은 고급 제어 알고리즘을 도입해 자사 제품을 차별화하고 있으며, 점점 더 강화되는 정부 규제는 더 효율적인 전력 소비와 EMI(Electromagnetic Interference) 억제를 요구하고 있다.
개발자들이 당면한 다양한 과제를 해결할 수 있도록, TI는 C2000 Piccolo 마이크로컨트롤러를 선보였다. 이 제품은 다음과 같이 특화된 주변장치를 통합한 최적화된 아키텍처가 특징이다.
- 실시간 알고리즘을 이용한 보다 정밀하고 정확한 제어 가능
- 단 하나의 소자로 복수의 전원 단을 제어할 수 있도록 지원
- 주변장치 통합을 통한 설계의 간소화
- 시스템 복잡성 및 비용 절감

이 제품은 디지털 전원 및 비주얼 프로그래밍 리소스를 위한 전용 개발자 네트워크도 포함하고 있다.

Piccolo MCU의 주요 장점
Piccolo 마이크로컨트롤러는 TI의 고성능 TMS320C28x™ 코어를 이용하고 있으며 단 하나의 독립형 컨트롤러로 시스템 제어에 필요한 모든 성능과 주변장치를 제공한다. 넓은 헤드룸과 특화된 주변장치를 탑재한 Piccolo 마이크로컨트롤러는 개발자로 하여금 한층 더 진화된 제어 알고리즘을 구현하여 성능을 개선하고 시스템 비용을 낮출 수 있게 해준다.
Piccolo 마이크로컨트롤러 아키텍처는 디지털 제어 애플리케이션에 최적화된 특성을 보여주며, 고속 신호 처리를 강화하는 진화된 아키텍처 기능을 제공한다. Piccolo의 주 CPU 코어에는 싱글 사이클 32×32-bit MAC(Multiply-Accumulate) 장치 같은 계산 속도를 크게 높여주는 DSP 기능이 내장돼 있다. 또한, ADC(Analog-to-Digital Converter) 및 PWM(Pulse Width Modulators) 같은 제어 주변장치는 용도에 따라 자유롭게 개조가 가능하도록 설계되어 있어 소프트웨어 간접비용이 거의 들지 않는다. 예를 들어 오토 시퀀서(auto seq-uencer)를 가지고 있는 ADC는 애플리케이션이 값을 요구할 때 그 값이 준비되도록 개발자가 이것을 특정 순서로 샘플 순환되게 프로그램을 실행할 수 있다. 더욱 지능적인 제어 주변장치와 강력한 CPU 코어를 사용하면, 제어 루프는 더 촘촘하게 실행되면서 제어 알고리즘의 다이내믹한 특성이 강화되고 교란 동작(disturbance behavior)도 개선된다.

Piccolo 마이크로컨트롤러의 주요 기능
- 40~90 MIPS의 처리 성능
- 전체 동작을 위한 단일 3.3 V 공급 전압
- 듀얼 인터널, 고정밀 오실레이터; 외부 크리스털 필요 없음
- 16채널, 초당 4.6메가샘플의 최대 샘플링 주파수를 가진 12비트 ADC
- 최대 19채널의 PWM 출력과 구성 가능한 자동 데드 밴드(dead band)
- 19개의 PWM 채널 중 최대 8개 채널이 150 피코초의 고해상 모드에서 작동할 수 있다.
- 통합 아날로그 비교기와 sSlope 보정은 PWM 출력에 바로 연결된 DAC(Digital-to-Analog Converter)를 참조하여 피크 전류 모드 제어 기능을 구현한다. 

PWM에서 정밀하고 정확한 제어
Piccolo 마이크로컨트롤러 아키텍처는 초당 40~90 MIPS(Million Instructions Per Second)라는 뛰어난 처리 능력을 보여준다. 이로써 개발자는 복수의 모터를 감시 및 제어할 수 있으며 복잡한 제어 알고리즘을 실행하여 높은 정밀성과 원활한 성능, 전력소비 개선을 도모할 수 있다. 예를 들어 단 하나의 Piccolo 마이크로컨트롤러로 유효 역률 보정(PFC) 정류기 단이 가능하면서도 여전히 2차 DC-DC 변환 단의 PCMC(Peak Current Mode Control, 피크 전류 모드 제어) 구현에 필요한 처리 능력도 충분히 가지고 있다.
PWM은 스위치 모드 전원공급장치(Switch Mode Power Supply, SMPS) 제어에서 중요한 역할을 한다. 제어 알고리즘의 발전으로 인해 개발자들은 시스템 동작의 실시간 변동에 맞춰 동적 제어를 제공하는 고도로 정밀한 알고리즘을 구현할 수 있게 됐다. Piccolo 마이크로컨트롤러 시리즈 소자의 이러한 고해상 PWM 기능들(그림 1의 V0 참고)을 이용해 시스템 설계자들은 이제 약 100 KHz의 스위칭 주파수에서 유효 16비트 해상도의 PWM 신호를 활용할 수 있게 됐다. 듀티사이클 제한 문제가 완화된 것이다.

PCMC-아날로그와 디지털의 비교
이 두 가지 PCMC 구현에는 “플랜트(실제 전원단)”와 제어 기능이 있다. 전원단은 제쳐두고, 아날로그 도메인에서 제어 기능은 일련의 증폭기와 레지스터, 커패시터, 여러 가지 다양한 아날로그 컴포넌트로 구현되어 있다. 파워 “플랜트”에서 최적의 성능과 효율을 얻으려면 이를 반드시 계산해야 한다. 그림 2는 벅 레귤레이터 전원단의 PCMC를 기초적인 아날로그로 구현한 것이다.



디지털 제어 도메인으로 전환할 때, 아날로그 컨트롤러의 모든 제어 리소스가 단 하나의 마이크로컨트롤러에 구현된다. 모든 필수 아날로그 컴포넌트, ADC, 비교기, 기울기 생성 DAC, PWM 출력 등이 전부 다 단 하나의 디바이스에 통합된다. 그러나 실제 전원단은 그대로 유지된다는 점을 주지해야 한다. 그림 3은 이 마이크로컨트롤러의 통합 기능을 디지털로 구현한 것을 분해된 형식으로 보여주고 있다.



PCMC 시스템을 구현할 때, 회로 제어를 위해 외부 전압 모드 제어 루프를 반드시 설정해야 한다. 그림 4의 다이어그램에는 ADC 입력, 2P2Z 제어 루프의 관계가 나와 있으며, 마지막에 컨트롤러의 PWM 출력을 구동하고 있다.



PCMC 구현은 이제 비교기와 기울기 보정 회로를 추가해 전압 모드 제어 루프를 이용할 수 있다. PCMC 구현에서 이 두 개의 컴포넌트가 생성시킨 내부 전류 모드 제어 루프는 이제 피크 전류 레퍼런스 신호를 판단한다. 대부분의 마이크로컨트롤러가 이러한 전압 모드 제어를 처리할 수 있지만, PCMC에서는 비교기와 기울기 보정 DAC가 반드시 추가돼야 하며, 이 두 가지 모두 Piccolo 마이크로컨트롤러 시리즈에 들어 있다. 외부 하드웨어 사용을 줄이고 마이크로컨트롤러의 프로세싱 요건을 줄인 PCMC 억제 설계는 이를 통해 더 낮은 비용 구현이 가능해진다. Piccolo 마이크로컨트롤러 사용 시 이러한 PCMC 제어 루프와 내부 하드웨어 연결을 그림으로 나타낸 것이 그림 5이다.



동일한 100 KHz의 투 폴(two-pole), 투 제로(two-zero) 제어 루프가 사용되지만, 이제는 이것의 출력을 10비트 기울기 보정 램프 DAC에 공급하게 된다는 점에 유의하자. 그러면 내부 아날로그 비교기 중 하나가 PWM 펄스를 기폭시켜 해당 시간대에 꺼지도록 하는데 사용된다. PCMC 시스템에서 기울기 보정의 목적은 시스템 듀티 사이클이 50%보다 클 때 발생하는 서브 사이클 진동을 제한하는데 있다. 기울기 보정이 없다면, 이 진동은 출력을 불안정하게 만들어 정상적인 동작 파라미터들과 큰 편차를 보이게 될 것이다.
PCMC 시스템에서, 인덕터 전류를 측정하는 “리딩 에지 블랭킹(leading-edge blanking)”도 비교기 입력에 추가해야 한다. 이것은 초기 인덕터 충전에서의 전류 스파이크 때문인데, 예상 전류보다 더 높은 전류를 감지해 비교기가 조기에 트립되는 일이 발생할 수 있다. Piccolo 마이크로컨트롤러의 비교기 모듈에는 이러한 기능이 신축적 모듈로 직접 통합되어 있어서 혹여 발생할 수 있는 설계 문제를 덜어주고 있다. 그림 6과 7은 비교기 모듈에서 리딩 에지 블랭킹이 있을 때와 없을 때 PWM 출력과 감지된 인덕터 전류의 관계를 보여주고 있다.




피크 전류 모드 제어 시스템을 완전히 구현하기 위해 Piccolo 마이크로컨트롤러의 RAMP DAC 기능이 이 마이크로컨트롤러 내에 사용, 구현됐다. 정확한 시스템 전환을 통해 RAMP DAC 기능이 설정되면서 증가하는 Vin+ 신호에 상응하여 감소하는 전압 신호(Vref)가 비교기에 공급된다. 그런 다음 이것은 비교기 트립 주파수의 셧다운 트립-포인트를 제어한 후, PWM 생성기의 해당 셧다운을 제어한다. 이것은 VisSim 모델링 및 시뮬레이션 다이어그램에 관한 그림 8에 잘 나와 있다. (소프트웨어 제공: Visual Solutions)



시작하기
TI는 많은 애플리케이션을 위해 다양한 개발 하드웨어를 제공하고 있다. 그 중에는 PCMC 구현을 돕기 위한 것도 포함돼 있다. 풀 브리지 개발 키트인 TMDSHVPSFBKIT은 대표적인 전체 고전압 위상 전환 풀 브리지 시스템으로, 전압 모드 제어 옵션과 피크 전류 모드 제어 옵션을 둘 다 가지고 있어 GUI로 쉽게 여러 가지 파라미터를 설정할 수 있다. 이 키트의 특징은 400 VDC 입력, 12 VDC 출력으로 최대 600와트까지 동작이 가능하다. 이것은 절연된 토폴로지로, 절연 바운더리의 2차(출력) 측에 Piccolo F28027을 사용하고 있다. TI controlSUITE™ 소프트웨어 시스템에서도 위상 변환 풀 브리지 키트의 피크 전류 모드 제어 기능에 관한 하드웨어 도해와 구현 소프트웨어를 구할 수 있다. 그림 9는 그 평가 키트의 블록 다이어그램이다.



기타 전원공급장치 설계에 PCMC를 구현하려는 개발자를 위해 TI는 사용하기 편리한 C2000 개발 키트인 C2000 LaunchPad를 출시했다. 저렴한 평가 키트로, 여기에는 하나의 Piccolo F28027 마이크로컨트롤러와 디바이스 주변장치를 이용할 수 있게 해주는 브레이크아웃 핀 한 쌍이 들어 있다. 또한 이 보드에는 절연 USB-투-JTAG 프로그래밍 인터페이스가 내장돼 있어서 고전압 설계 시 사용자의 PC를 보호한다. 위상 변환 풀 브리지 키트의 PCMC 제어 코드는 이 평가 툴과 호환되지만, 맞춤 전원공급장치에서 작동하게 하려면 수정과 튜닝이 필요하다.
이외에 또 다른 디지털 제어 전원공급장치를 개발하려는 개발자들을 위해, TI의 Piccolo 마이크로컨트롤러 기반 고전압 디지털 파워 개발자 키트는 복잡한 디지털 전원 시스템의 개발 및 문제를 신속하게 해결할 수 있도록 견고한 플랫폼을 제공하고 있다. 이 키트는 다음을 포함하고 있다.

- PCMC에서의 위상 변환 풀 브리지-TMDSHVPSFBKIT (위에서 언급)
- 공명 LLC 개발자 키트-TMDSHVRESLLCKIT
- 브리지리스 PFC 키트-TMDSHVBLPFCKIT
- 인터리브 PFC 키트-TMDSHVPFCKIT

이 디지털 파워 키트는 Piccolo 마이크로컨트롤러 아키텍처의 개선사항 및 기능을 모두 제공한다. 또한 광범위한 소프트웨어 라이브러리와 꼼꼼한 문서화로 실시간 알고리즘을 활용해 완벽한 디지털 전원 시스템을 만드는 과정을 통해 개발자를 돕는다. 이를 통해 개발자는 전력 제어 구현에 필요한 프로세싱 자원을 신속하게 결정할 수 있다. 이것으로 진화된 알고리즘을 적용하고, 나머지 프로세싱 능력을 사용해 더 높은 정밀성, 더 나은 성능, 더 높은 전력효율, 복수의 전원단 제어, 기타 여러 가지 옵션 등을 도모할 수 있다. 이런 식으로 개발자는 각자의 애플리케이션 제약과 요건에 맞춰 시스템을 설계할 수 있다.
C2000 Piccolo 마이크로컨트롤러는 여러 가지 다양한 구성 부하 맵에 사용이 가능하며, 개발자는 자신의 애플리케이션의 성능, 메모리, 주변장치에 최적화된 프로세서를 찾을 수 있다. 또한 TI는 전압 및 전류 감지에 필요한 모든 아날로그 컴포넌트는 물론 다양한 표준 및 고급 MOSFET 드라이버와 GaN 드라이버도 제공한다. TI의 디지털 전력 개발 키트, 기술 애플리케이션 노트, 프로그래밍 리소스 등에 관한 자세한 내용은 www.ti.com/controlsuite에서 확인 할 수 있다.