3. PWM 회로의 기초 및 실험 전자공학 2005/06/23 18:19

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전압진폭을스위칭회로가다룰수있는펄스신호로변환한다3. PWM 회로의 기초 및 실험

제1장에서는 1비트 신호로도 파워를 제어할 수 있다는 것 을 설명했다. 이 장에서는 PWM 동작의 기초와PWM 회로 작성 시의 포인트를 실험과 함께 상세하게 설명한다. 소프트 웨어로 출력전력, 출력전류 등 파워 회로의 사양을 변경할 수 있는 디지털 PWM 회로의 특징에 관해서도 설명한다.PWM 회로는 파워 회로의 출력정보를 모니터하여 전력부 품 등에 제어신호를 내는 회로이며 인간으로 말하자면 두뇌 에 해당한다. 전력변환율이 높은 스위칭방식 전원이나 모터 인덕터, 오디오용 D급 앰프, 직류-직류 컨버터, 무정전 전원 (UPS) 등 많은 파워 회로에 이용되고 있다.

PWM 회로는 진폭을 펄스의 폭으로 변환하는 회로

PWM은 Pulse Width Modulation의 약자이며 펄스 폭 변 조라 번역할 수 있다.그림 1과 같이, PWM 회로는 입력전압의 진폭을 진폭이 일정한 펄스의 폭으로 변환(변조)하는 것이다.

즉, 진폭정보를 펄스 폭이라는 정보로 변환한다. 제5장에서 설명하고 있는 스위칭 출력회로는 전압진폭이 일정한 신호밖에 출력할 수 없다. 정현파와 같은 전압진폭이 변화하는 신호를 출력하기 위해서는 펄스 신호로 변환(변조)할 필요가 있다. 이 역할을 해내는 것이 PWM 회로이다. 스위칭 출력회로는 고효율 전 력전송을 실현하기 위해 필수적이다. 마찬가지로 PWM 회로 도 고효율 전력변환에 반드시 필요한 것이다.

실제 PWM 회로의 역할과 동작

1. 파워 회로에서 PWM 회로의 역할그림 2와 같이 파워 회로는 PWM 회로, 게이트 드라이브 회로, 스위칭 출력회로로 구성되어 있다.

이 중에서 PWM 회로는 지시신호와 3각파의 진폭을 비교 하여 파워 MOSFET을 구동하는 제어신호를 출력한다. 이 제어신호에 의해 파워 회로의 출력전압이 컨트롤된다. 범용의 스위칭 전원용 PWM 제어 IC 중에는 톱니상파 발 진기, PWM 콤퍼레이터 이외에도 기준전압, 오차 증폭용 OP 앰프, 감전압 정지(저전압 검출), 출력 드라이버 등을 all in one으로 한 것이 있다.

2. 캐리어 생성회로와 콤퍼레이터로 구성된다(1) 변조의 바탕‘캐리어’를 생성하는 회로그림 2와 같이 PWM에는 일정주파수에서 발진하는 3각파 발진기가 필요하다. 이 신호의 출력으로 입력신호를변조한다. 그림 3은 이 변조의 바탕이 되는 신호‘캐리어’를 생성하는 발진회로이다.

전원을 투입하면 자동적으로 발진이 시작되고 톱니파상의 신호가 출력된다. 이 톱니파상 발진기의 출력파 형과 입력신호의 2가지 신호 진폭을 비교하는 콤퍼레이터에 입력하면 그 콤퍼레이터에서 PWM파가 출력된다.그림 3에 나타난 커런트 미러의 출력전류(I1)는 저항 RT에 의해 결정된다. 커런트 미러 회로는 I1＝I2가 되도록동작한 다. 콘덴서 CT는 I2에서 충전된다. 콤퍼레이터 IC1에서 CT 양 단의 전압을 검출, 규정값으로 되었다면Tr1을 ON하여 방전 한다.이 동작이 반복되면 CT의 양단에 톱니상파가 출력된다. 발 진주파수는 RT의 저항값에 의한 전류값과 CT의 정전용량에 의한 충전시상수로 결정된다.사진 1은 그림 3의 회로를 실제로 만들어 관측한 파형이다.

일정한 경사를 가지고 직선적으로 상승한 후, 스톤과 0V로 되는 톱니파가 관측되고 있다.시판되고 있는 제어 IC가 내장하는 PWM 회로용 캐리어 신호에는 그림 4와 같이 4종류가 있다.

톱니파뿐만 아니라 3각파를 사용하고 있는 것도 있다.슬로프 충전이나 슬로프 방전의 발진기에서는 3각파의 산 (＝골짜기)을 기준시간으로 하고 충전시간 또는 방전시간 중 어떤 것을 가변하여 ON 시간을 펄스 폭 제어한다.대칭 3각파에서는 ON/OFF 양쪽의 타이밍을 각각 슬로프 상에서 가변한다. 듀얼 슬로프형 3각파에서는 충전/방전시간 중 하나를 ON/OFF 시간으로 설정하고 ON 타이밍을 슬로프 상에서 가변하여 펄스 폭 제어한다. 슬로프의 한 쪽을 확 실한 OFF 시간(데드 타임)으로 하기 위한 연구에서 현재는 PWM 제어의 주류를 이루고 있다.(2) 콤퍼레이터에서의 톱니파와 입력신호를 비교한다그림 5와 같이 그림 3에서 생성한 톱니상파를 콤퍼레이터의 반전단자에 추가하고 입력신호를 콤퍼레이터의비반전 단자에 입력한다.

그렇게 하면 콤퍼레이터의 출력파형은 펄스 폭이 입력신호에 비례한 구형파로 된다. 펄스 주기는 일정하고 주파수는 톱니상파 발진기의 주파수와 같아진다. 변하는 것은 출력 펄스의 폭뿐이므로 주기는 일정하다.PWM 신호를 만드는 콤퍼레이터는 그 기능에서 PWM 콤 퍼레이터라 불린다. 콤퍼레이터 출력 펄스의 면적을평균화 하면 그 값은 입력신호의 진폭에 비례한다.즉, 발진기에서 기준으로 되는 톱니상파를 만들고 검출한 직류신호의 변화를 펄스 폭으로 변환하면 입력신호에 의해 펄스 폭을 가변하게 되어 전력을 제어할 수 있다.(3) 콤퍼레이터 2개의 동작 모드그림 6과 같이 콤퍼레이터부의 회로방식에는 2종류가 있다.

그림 6(a)는 OFF 타이밍을 3각파의 산이나 골짜기에서 고정하고 ON 타이밍을 슬로프 상에서 가변하는 방식으로, ON 트랜지션 방식이라 부른다. 전연(前緣)제어라 부르는 경 우도 있다.그림 6(b)는 ON 타이밍을 3각파의 산이나 골짜기에서 고 정하고 OFF 타이밍을 슬로프 상에서 가변하여 펄스폭 제어하는 방식이다. OFF 트랜지션 방식이라 부른다. 후연(後緣) 제어라 부르는 경우도 있다.스위칭 전원인 경우, 출력전압이 과도하게 올라가면 PWM 회로는 그 전압을 내리려고 한다. 반대로 출력전압이 과도하 게 내려가면 올리려고 한다.이 때, 오버슈트가 나오거나 언더슈트가 발생한다. ON/ OFF 트랜지션 방식에 따라서는 오버슈트만 나오거나언더슈 트만 나오기도 한다.

3. 실제 동작사진 2는 입력신호를 1~4V까지 가변했을 때 PWM 콤퍼레이터의 출력 펄스 파형이다.

위에서부터 PWM 출력 펄스, 톱니상파, 입력신호이다. 측정회로를 그림 7에 나타낸다.

입력신호가 1V일 때 출력 펄스의“H”기간은 약 13㎲(약 25% 듀티), 2V일 때 약 29㎲(약 60% 듀티), 3V일 때 약45 ㎲(약 95% 듀티)로 되었다. 4V에서는 톱니상파의 전압보다 높기 때문에 펄스 출력은“H”인 상태이다.예를 들어 정전압전원이 필요하다면 출력전압을, 정전류전 원이 필요하다면 출력전류를 검출하여 직류신호로서 PWM 콤퍼레이터에 입력한다. 이것으로 출력전압을 안정화하기 위 한 귀환 루프가 구성되고 출력전압이나출력전류의 고저에 따라 스위칭 소자의 온 듀티를 바꾸어 출력전압이나 전류를 안정화할 수 있다.

캐리어 발생회로와 콤퍼레이터에 요구되는 성능

1. 캐리어 발생회로의 요건PWM 제어 IC의 3각파는 파워 회로의 특성에 큰 영향을 미친다. 중요한 것은 다음 3가지이다..발진파형.진폭전압.파형의 리뉴얼리티여기서는 이들의 파라미터가 파워 회로의 성능에 어떻게 영향을 미치는가에 대해 설명한다.

대표적인 PWM 제어 IC

PWM 제어 IC가 다양하게 시판되고 있어 선택 시 고민하 게 될 것이다. 대표적인 것을 표 A에 나타냈으므로 참고하기 바란다.

최근에는 스위칭 소자가 바이폴러 트랜지스터에서 파워 MOSFET 대신 1석 구동용인 1차 측 제어용 IC가 대부 분이다. 액티브 클램프라 부르는 부분적인 제로 크로스를 실 행하는 회로는 2002년 2월에 기본특허가 끝났다.

(1) 노이즈 내성과 소비전류의 트레이드 오프3각파의 진폭이 클수록 노이즈에 강해지지만 IC의 소비전 력이나 기동 전 전류는 증대한다.실제로는 발진기의 단자 임피던스를 내려 안정적으로 동작 시키기 위해 타이밍 콘덴서 CT를 큰 용량으로 할수 있는 것 이 포인트이다. 발진주파수 100kHz에서 CT를 1,000pF 정 도로 하면 노이즈가 가해져도 안정적으로 동작한다.

캐리어 발생회로(그림 3)의 콘덴서 용량 CT와 저항값 RT의 조합은 많이 있다. 예를 들어 발진주파수 100kHz를 얻는 시 상수의 조합이 1,000pF이라면 10㏀, 100pF이라면 100㏀이 다. 그러나 후자의 충전전류는 10배로적어져 저전력 동작이 가능해진다. 그러나 외부에서 노이즈가 혼입돼도 안정적으로 동작시키기 위해서는 충전전류를 많이 흘리는 쪽이 좋다.(2) 리뉴얼리티가 좋을수록 제어동작이 안정적이다3각파의 리뉴얼리티는 파워 회로의 제어속도에 영향을 준다.그림 8(a)에 나타난 3각파와 같이, 슬로프가 직선적이고 리뉴얼리티가 양호하면 직류신호의 변화에 대하여 3각파 어디에서 제어하더라도 출력의 펄스 폭은 같은 응답 스피드로 변화한다.

그러나 그림 8(b)와 같이 슬로프가 직선적이 아닌 3각파에 서는 직류신호가 3각파의 어디에서 제어하느냐에따라 출력 신호의 펄스 폭을 가변하는 스피드가 변해버려 균일한 제어 특성이 얻어지지 않는다.

2. PWM 콤퍼레이터의 요건(1) 응답 지연이 파워의 제어범위를 좁게 한다그림 9(a)와 같이 PWM 회로에 사용하는 콤퍼레이터의 응답속도가 무한으로 빠르다면 입력신호의 전압 레벨이 0V일 때 콤퍼레이터 출력 펄스의 듀티는 1로, 입력신호의 전압이 톱니파의 최대값일 때 듀티는 0으로 된다.

그러나 실제 콤퍼레이터 IC의 응답속도는 유한이기 때문 에, 그림 9(b)와 같이 반드시 지연이 발생하게 된다.이것은 tD(on)〉tD(off)로 되는 콤퍼레이터 IC를 사용했을 경우를 상정 하고 있다. 이상적인 콤퍼레이터의 출력펄스보다도 펄스 폭 이 짧게 되어 있다. 이러한 콤퍼레이터인 경우, 입력신호가 0V로 되더라도 듀티는 1로 되지 않는다. 또 입력신호가 캐리 어의 최대값으로 되기 전에 듀티가 0으로 돼버린다.결과적으로 제어하는 파워의 범위는 작아진다. 단, 그림 9(b)에서 tD(on)〉tD(off)일 때 귀환이 걸린 회로에서정상 동작 중이라면 문제는 발생하지 않는다.실제 PWM 제어 IC에서 캐리어 주파수가 100kHz 정도라 면 문제되지 않지만 500kHz 이상으로 되면 입력신호와 출력 신호의 지연이 눈에 띄게 된다. 이 경우, PWM 콤퍼레이터만 의 문제가 아니며 3각파 발진기의 출력임피던스와 PWM 콤 퍼레이터의 입력 임피던스, 그 다음 출력 드라이버 등의 지연 등도 영향을 미친다.(2) 응답 지연은 파괴의 요인이 된다콤퍼레이터의 응답속도가 지연되면 단락 검출이 지연되어 과전류 보호회로의 기동이 느려지고 파워 디바이스등이 파 괴되기도 한다. PWM 제어 IC에 따라서는 PWM 회로 외에 과전류보호 전용 콤퍼레이터를 내장시켜단락이 일어난 다음 가급적 단시간에 드라이버의 출력을 OFF하여 이 문제를 피 하는 경우도 있다.

3. PWM 게인과 파워 회로의 특성

그림 10과 같이 PWM 회로에는 게인이 있다.

PWM 게인을 GPWM[배]로 놓으면 다음과 같은 식으로 표현된다.GPWM＝ Vout/Vin여기서, Vout：출력전압, Vin：제어전압입력신호 Vin이 1.5V이고 출력 Vout이 12V일 때 PWM 게 인은 8배이다.

교류출력의 스위칭 전원 전용 PWM 제어 IC는 별로 없다

PWM 제어 IC의 대부분은 AC-DC 스위칭 전원용이나 DC-DC 컨버터용으로 설계되어 있다. 즉, 직류출력의 전원에 특화한 것이 대부분이다. 그러나 이러한 PWM 제어 IC는 합 차식 풀 브리지 회로에 사용하기 힘들다.소프트 스타트 기능을 가진 스위칭 전원용 PWM IC는 전 원이 투입되면 PWM 신호의 온 듀티가 제로에서 서서히 커 진다. 그러나 이 PWM 제어 IC를 사용하여 교류출력의 파워 회로를 만들면 전원을 투입한직후의 출력전압이 정(＋) 또 는 부(－)의 피크값으로 된다. 또 과전류 보호회로가 동작하 면 온 듀티가억제되기 때문에 이상 발생 시라고 해도 출력전 압은 정 또는 부의 피크로 돼버린다. 이것으로는 보호회로로 서 사용할 수 없다.교류출력의 파워 회로용 제어 IC는 기능이 복잡하므로 실 현하기 어려울까? 교류 출력 스위칭 전원의PWM 제어회로 는 지금까지와 같이 디스크리트로 구성하는 수밖에 없을 것 이다.

일반적으로 PWM 게인이 크면 오픈 루프 게인도 커진다.오픈 루프 게인이 크면 출력전압의 정밀도, 변형, 출력 임피 던스 등이 바람직한 방향으로 개선된다.

디지털 입력 PWM 회로의 실험

각 사에서 원칩 마이크로컴퓨터나 DSP에 디지털 PWM 회로를 내장한 것이 공급되고 있다. 예를 들어 르네사스 테크 놀러지사의 H8 시리즈에는 디지털 PWM 회로를 내장한 것 이 많이 준비되어 있다. 디지털 PWM 회로를 내장한 DSP도 많다.그래서 디지털 신호로 제어할 수 있는 PWM 회로의 동작 과 특성에 관하여 살펴본다.

1. 범용 IC를 사용한 디지털 입력 PWM 회로의 시험 제작그림 11은 범용 로직 IC만으로 만든 디지털 입력 PWM 회로이다.

분해능은 8비트, 캐리어 주파수는 20kHz이다. 사진 3에 제작한 간이 디지털 PWM 회로기판을 나타낸다.

클록 주파수는 5.12MHz이다. 신호원은 정현파 발진기의 출력을 파형 정형하거나 수정발진기 등을 사용하여얻는다. 이 클록 신호원을 74HC163에서 1/28로 분주하여 20kHz의 캐리어 신호를 생성한다.그림 12에 카운터 IC 74HC163의 타이밍 차트를, 그림13에 8비트 마그니튜드 콤퍼레이터 74HC684의 내부 블록도를 나타낸다.

출력전압의 주파수가 50Hz/60Hz인 교류출력의 스위칭 전원에서는 파형 변형이나 변환효율 등에서, 캐리어 주파수 는 20kHz 정도가 일반적이다.20kHz의 1주기는 50㎲, 50Hz의 1주기는 20ms이기 때문 에 정현파 1주기 당 펄스 수는,20ms/50㎲＝400펄스로 된다.

2. 기본동작DIP 스위치에서 8비트의 신호를 설정한다. 이것이 전술한 아날로그 PWM의 입력신호에 해당한다. 이 8비트신호를 콤 퍼레이터 IC 74HC684에 입력한다.다음에 4비트 바이너리 카운터 74HC163을 2개 사용한 8 비트 카운터에서 0~255까지 순서대로 카운트하여 출력한 다. 카운터가 캐리어 발생기, 콤퍼레이터가 PWM 콤퍼레이 터에 해당한다.그림 11의 캐리어 발생기, 즉 카운터의 출력(ⓐ부)에 대해 횡축을 클록으로 잡아 플롯하면 그림 14와 같이 된다.

카운터의 출력은 28－1＝255까지 카운트 업하면 리셋되어 0으로 복귀한다. 이것으로 3각파가 얻어진다. 단,이 3각파는 계단 과 같은 형태로 된다.콤퍼레이터 74HC684는 DIP 스위치의 출력신호와 카운터 의 출력신호를 비교한다. 사진 4에 그림 11의 디지털PWM 회로 각 부의 파형을 나타낸다.

위에서부터 PWM 출력 펄스의 상승 에지, IC3의 15핀(카운트 255일 때“H”), 5.12MHz 의 클록 파형이다.

사진 5는 그림 11의 회로에서 아날로그 PWM(사진 2)과 거의 같은 조건으로 동작시켰을 때의 파형이다.

위가 출력 펄스, 아래가 IC3의 15핀(Ripple Carry Output) 펄스이다.

3. 디지털 PWM은 미세하게 제어할 수 없다그림 11의 디지털 PWM 회로는 8비트이므로 1사이클 당 펄스 폭은 256단계밖에 변하지 않는다. 즉, 분해능은1/256 이다. 시간으로 하면 주파수 20kHz의 펄스 폭이 50㎲이기 때문에 약 0.2㎲씩 밖에 제어할 수 없다.50㎲÷256≒0.195㎲48V 출력의 전원에 이 디지털 PWM 회로를 적용했다고 하 자. 그러면 1스텝 당 약 0.4%, 전압으로 환산하여약 188mV 변화된다. 이것으로는 정밀한 제어라 할 수 없다.

비트 수를 증가시키면 분해능이 높아지고 또 미세하게 제어 할 수 있다. 예를 들어 16비트로 하면 0.0015%(약0.73mV) 의 정밀도로 된다.그러나 다음과 같은 식에서 클록 주파수는 1,310MHz로 매우 높은 주파수가 된다는 것을 알 수 있다.20kHz×216＝1,310,000kHz＝1,310MHz현재 CPU의 동작 주파수 등에서 상정한다면 클록은 여전 히 고주파화가 가능하지만 전원회로로서는 실용적이라 할 수 없다. 본래의 전력변환에 따른 노이즈 대책 외에 클록에 의한 불요복사의 노이즈 대책이 필수로 되어 더욱 힘들어진다.아날로그 PWM 회로의 분해능은 무한대이지만 디지털 PWM은 이상과 같이 유한하며 비트 수에 비례한다.

캐리어 주파수의 상한을 결정하는 요인

캐리어 주파수가 높으면 같은 출력전압에서도 인덕터나 콘 덴서를 소형화할 수 있다. 스위칭 전원의 경우, 대체로 1/ f 정도의 비율로 소형화할 수 있다.그러나 스위칭 주파수의 고주파화는 이용자 측에 그다지 큰 메리트가 없다. 왜냐면 고주파화는 스위칭 손실의증가를 초래하기 때문이다.

1. 잡음 단자 전압규제의 대상 외의 주파수로 설정한다스위칭 주파수를 결정하는 하나의 방법으로 노이즈 규격이 있다. 각종 전자기기는 동작 시 발생하는 잡음에 대해 특정 주파수 대역에서 한도값이 결정되고 있다. 노이즈 규격으로 규제되는 잡음에는 2종류가 있다. 벽의 콘센트로 복귀하는 잡 음 단자전압과 전파로서 방사되는 불요복사이다.잡음 단자전압은 규제되는 최저 주파수가 낮고 그림 15와 같이 일본의 정보처리장치등전파장해자주규제협회(VCCI)에 서는 150kHz 이상, 미국의 FCC에서는 450kHz 이상으로 한 도값을 규제하고 있다.

PWM 제어의 스위칭 전원에서는 스위칭 주파수, 즉 3각파 의 주파수를 이 주파수 이하로 설계할 경우 한도값클리어를 위한 잡음대책이 용이해진다.예를 들어 일본 국내용이라면 130kHz 정도, 미국용이라면 100kHz 정도로 스위칭 주파수를 설정한다.안이한 방법일지도 모르겠지만 발생전력이 강한 원 발진 주파수를 잡음규제의 주파수 이하로 하는 방법은 나중에 필 요하게 되는 노이즈 대책에 대해서도 유효하다.

2. 주파수가 과도하게 높으면 복사 노이즈가 발생한다디지털 PWM 회로에서는 클록 주파수가 스위칭 주파수보 다 현격하게 높아진다. 전술한 20kHz, 8비트라면5.12MHz, 16비트에서는 1,310MHz이다. 이 정도 높은 주파수로 되면 전파로 되어 노이즈가 방사된다.복사 노이즈의 규격은 30MHz 이상에서 한도값이 제한되 고 있다. 이러한 점은 5.12MHz나 1,310MHz의 복사노이 즈를 대책하기 위해 고가의 금속 케이스에 넣는 등 노이즈 대 책이 필요하게 된다.

3. 스위칭 소자나 다이오드의 성능에 의한 제약캐리어 주파수의 상한은 사용하는 디바이스에 의해 결정되 는 경우도 있다. 스위칭 소자에 사용되는 파워MOSFET의 턴 오프 시간은 20ns 이하 정도이다.이것을 제어범위나 데드 타임 등에서 스위칭 주기의 0.5% 정도라 생각하면 다음과 같은 식에서 캐리어 주파수

는 250kHz가 상한이다.

정류에 사용되는 퍼스트 리커버리 다이오드 등 고속 다이 오드의 역 회복시간은 50ns 이하 정도이다. 마찬가지로 이것 을 캐리어 주기의 0.5% 정도라 생각하면 다음과 같은 식에서 상한은 100kHz로 된다.

의외로 낮은 주파수라 놀라울지도 모른다. 실제로는 회로 연구 등의 좀 더 높은 주파수에서 사용되고 있다.

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스위칭 방식의 전원회로는 현재 디지털 PWM 회로보다 아 날로그 PWM 회로 쪽 코스트 퍼포먼스가 좋아 사용하기 편리 할 것이다.파이프라인 적합연산의 DSP가 더욱 고속이며 저가로 된다 면 인버터, 스위칭 전원, 직류-직류 컨버터 등 모든전원회로 가 디지털 제어로 되는 시대가 올 것이다.