이 글에서는 무선 유도 충전 기술의 기본 개요를 설명하고, 텍사스 인스트루먼트(TI)의 저렴한 단일 C2000™ Piccolo™ 마이크로컨트롤러를 이용한 멀티 패드 충전 디바이스 개발 방법을 설명한다.

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

유도식 무선 충전은 무선 충전 공구, 넷북, 노트북, 기타 전원 충전식 디바이스와 같은 소비자 재충전 애플리케이션에서 인기를 얻고 있다. 유도 충전 시스템을 이용하면 접촉 없이(가까이 가져가기만 하면 됨) 엘리먼트로부터 밀봉된 차량용 충전 IC로 편리하고 안전하게 충전할 수 있을 뿐더러 하나의 콘센트로 여러 대의 디바이스를 충전할 수 있다.
유도식 무선 충전의 기본 원리는 여러 애플리케이션에서 여러 해 동안 사용돼온 기술이다. 지속적으로 증가하는 충전 기기의 수요와 아날로그 및 디지털 반도체 디바이스 기술의 진보에 따라 단일 코일(싱글 패드) 서브 5와트 등급 디바이스에서 멀티 킬로와트 애플리케이션에 이르기까지 무선 유도 충전의 활용이 급증하고 있다. 이 글은 C2000™ Piccolo™ 마이크로컨트롤러를 이용한 멀티 패드 충전 디바이스 개발 방법을 설명한다. 마이크로컨트롤러 기반 솔루션의 장점은 단일 디바이스로 제어 가능한 충전 패드의 수가 많다는 것뿐만 아니라, 전원단 설계와 사용 가능한 통신 프로토콜의 유연성을 들 수 있다.
유도 충전 시스템에는 유도 충전 IC 자체와 전송된 전력을 수신하는 디바이스가 있다. 여러 절연 전원 공급장치 설계에 사용된 아키텍처와 마찬가지로 회로의 일차(충전) 부와 이차(수신) 부를 연결하는 트랜스포머가 있다. 그러나 유도 충전 시스템에서 이러한 트랜스포머는 에어 갭(air gap)으로 분리된 2개의 독립적인 코일과 플라스틱 케이스와 같은 엘리멘털 실링(elemental sealing)으로 구성된다. 기본적인 동작 원리는 일차 충전 코일을 통과하여 전원이 유도될 때 자기장이 생성되고, 이후 이차 코일이 수신한 후 전압으로 다시 변환하는 것이다. 전계 효과를 제거하기 위해 트랜스포머 시스템의 코일에 차폐를 추가할 수 있다. 이 방법은 전력 교차 간섭을 제거하여 멀티 패드 충전 애플리케이션에서 유용하게 사용될 수 있다. 이 시스템에 여러 충전 레벨을 결정하고 통신과 충전 IC 출력을 감소시키는 이물질을 충전 패드에서 감지하는 기능과 같은 지능형 기능을 추가할 수도 있다.

Piccolo 마이크로컨트롤러의 장점
TI의 고성능 TMS320C28x™ 코어를 활용한 C2000 Piccolo 마이크로컨트롤러는 독립식 단일 컨트롤러와 함께 유도 충전 시스템을 제어하기 위해 필요한 모든 필수 성능과 주변 장치를 제공한다. 다양한 기능과 확장 가능한 코드 호환 플랫폼을 제공함으로써 설계자는 일반적인 소프트웨어 코드 기반과 개발 환경을 유지하는 동시에 가격, 성능 및 주변 장치 요구조건에 따라 다양한 유도 충전 애플리케이션을 실행할 수 있도록 마이크로컨트롤러의 C2000 플랫폼을 마이그레이션할 수 있다.

주요 고해상도 마이크로컨트롤러의 특징

- 1.50달러의 저렴한 가격
- 40 MIPS ~ 90 MIPS까지 코드 호환 확장 가능
- 고정형 및 부동소수점 연산 능력
- 고급 제어 루프 유연성을 위한 이차 CLA(Control Law Accelerator) 코어
- 통합 플래시 및 SRAM 메모리
- 단일 3.3 V 전원 공급
- 최대 19 펄스폭 변조(PWM) 채널, 150 pS 해상도와 함께 최대 8 PWM 채널 포함
- 최대 3 온칩 아날로그 콤퍼레이터
- 12비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 16채널 및 최대 샘플링 주파수 4.6초당 메가 샘플
- CAN, LIN, I2C, SPI, UART 및 USB 커넥티비티 옵션
- 최대 125 ℃ 동작온도, AEC-Q100 오토모티브 규격 인증

성능, 무결성 및 유연성
Piccolo 시리즈 디바이스는 통합된 고성능 아날로그 주변장치 프로세서뿐만 아니라 프로세싱 성능의 확장을 통해 유도 충전 애플리케이션에 탁월한 유연성을 제공한다. 32비트 프로세서 아키텍처는 12비트 멀티채널 ADC와 함께 제어 애플리케이션에서 고도의 정밀성을 제공하며 고해상도 PWM을 통해 하드웨어 설계자는 단일 디바이스를 가진 멀티채널 유도 충전 IC뿐만 아니라 더 우수한 전원 시스템 개발이나 통신 프로토콜 실행을 위한 유연성을 개발할 수 있다. 그림 1은 무선 전원 컨소시엄(WPC) “Qi” 통신 표준에 사용된 전류 측정 채널을 포함한 단일 유도 충전 회로의 기본 아키텍처를 보여준다.



이 아키텍처에서 Piccolo 디바이스의 단일 PWM 채널은 코일 어셈블리에 전원을 공급하기 위해 하프브리지 구성으로 MOSFET 드라이버 제어에 사용된다. Piccolo 마이크로컨트롤러의 고해상도 PWM 기능을 활용해 더 높은 스위칭 주파수를 사용할 수 있으며 동시에 매우 정확한 듀티 사이클 모듈화를 처리하여 충전 IC부 통신을 가능하게 할 수 있다.
고해상도 PWM은 DC/DC 기반 컨버터 시스템의 설계 및 실행에서 중요한 역할을 한다. 더 높은 PWM 속도를 이용하여 더 높은 스위칭 주파수를 얻을 수 있으며, 전원단에서 보다 소형화된 구성부품을 사용할 수 있어 효율성을 높이고 보드 공간은 줄일 수 있다. 고해상도 PWM과 함께 PWM 듀티 스텝이 더 작아질 때 전압 피드백 루프를 더 정밀하게 제어할 수 있다는 이점이 있다. 이를 통해 전원 공급장치에서 올바른 전압 출력 레벨을 찾아 출력 리플이나 “헌팅(hunting)”을 줄일 수 있다. Qi 통신이나 이와 유사한 듀티 사이클 패킷 기반 통신 프로토콜을 요구하지 않는 애플리케이션의 경우에도 Piccolo의 고해상도 PWM 채널은 이러한 기능을 사용할 수 있도록 듀티 사이클을 매우 정교하게 제어할 수 있는 이점(150 ps 해상도까지)을 제공한다. 그림 2는 기존 PWM과 고해상도 PWM 간 차이로 인한 해상도 기반 제한 사이클링을 그래프로 재현한 것이다.



시스템 실행 도면으로 돌아가면, 코일 어셈블리에서 2개의 피드백 루프가 있는 것을 확인할 수 있다. 하나는 전압을 위한 피드백 루프이며 다른 하나는 전류를 위한 피드백 루프이다. 전압 피드백 루프는 전원단 자체를 제어하는 데 사용되며 이 경우가 공진형 하프브리지이다. 반면, 전류 루프는 WPC “Qi” 표준과 관련한 통신 프로토콜 표준을 복조하는 데 사용된다. WPC Qi 호환 시스템에서 신호 데이터를 결정하기 위해 일차 코일의 부하 전류가 감지된 후 복조된다. 충전 시스템의 수신부는 충전 표면에 배치될 때 통신 프로토콜과 관련한 이차부 코일에 일련의 부하 펄스를 적용한다. 애플리케이션이나 비표준화가 선호되는 애플리케이션과 같이 설계에서 WPC Qi 호환성이 요구되지 않는 경우 고전력량 전류 피드백 루프를 생략하여 ADC 채널을 줄일 수 있다.
알고 있듯이, 이러한 단일 채널 실행을 기준으로 할 경우 2개의 ADC 채널과 오직 하나의 PWM 채널이 사용된다. Piccolo 시리즈 디바이스에 사용 가능한 프로세싱 전력량으로 누구나 쉽게 여러 전원 충전 회로를 제어하는 단일 마이크로컨트롤러를 갖도록 확장할 수 있다. 최신식 고전력 시스템의 경우 여러 설계자는 C2000 플랫폼에서 보다 저렴한 디바이스를 사용해 4 스위치 풀 브리지 토폴로지를 구현할 수 있다.
전원단 제어 외에도 시스템 보호를 강화하기 위해 C2000 디바이스의 온칩 주변 장치를 사용할 수도 있다. 최대 3개의 아날로그 비교기를 칩에 통합하여 설계자는 프로세서 오버헤드를 연결하지 않고도 일차 전원단에서 하드웨어 제어 과전압 또는 과전류 보호 회로를 사용할 수 있다. 이는 회로에서 외부 스위치를 제어하는 GPIO 채널을 통한 비교기 기능, 또는 내부에서 전원단을 제어하는 PWM 채널의 셧다운을 통한 비교기 기능으로 구현이 가능하다. 두 경우 모두 50 ns 미만의 속도를 얻을 수 있다.

시작하기
TI는 마이크로컨트롤러의 C2000 플랫폼을 위한 포괄적인 평가 및 개발 툴을 제공한다. 최저 17달러의 가격으로, C2000 LaunchPad 소개가 함께 제공된다. 평가 키트에는 모든 주변 장치에 액세스할 수 있는 브레이크아웃 핀과 함께 Piccolo F28027 마이크로컨트롤러가 포함되어 있다. 또한 디지털로 제어된 전원단에서 작업할 때 사용자의 PC를 보호해 주는 내장형 절연 USB-JTAG 인터페이스를 포함한다.
TI는 C2000 controlsuite™ 소프트웨어를 통해 고해상도 PWM 및 ADC 채널 초기화와 같은 하드웨어 설정뿐만 아니라 공명식 LLC 전원단과 같은 제어 루프 프로세싱 블록을 포함하는 디지털 전원 설계를 위한 종합적인 소프트웨어 라이브러리 세트를 제공한다. C2000 하드웨어 전체 라인업, 애플리케이션 노트 및 프로그래밍 리소스와 소프트웨어 리소스에 대한 자세한 정보는 www.ti.com/controlsuite, C2000 LaunchPad에 대한 자세한 정보는 www.ti.com/c2000launchpad에서 확인할 수 있다.  ES