[기고] 통합형 멀티 모터 드라이버로 HVAC 시스템 플랩 구동하기
  • 2020-12-07
  • 글 / 아룬 베무리 (Arun Vemuri), 차량용 시스템 차체 전자 장치 및 조명 총괄 매니저, TI (텍사스 인스트루먼트)


차량용 난방, 환기 및 공조 시스템(HVAC)에는 여러 개의 플랩이 들어 있으며 각 플랩은 해당 모터로 구동된다. 최소량의 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 여러 개의 모터를 구동하는 것은 복잡한 작업이다. 이러한 멀티 장치 중 하나가 모든 HVAC 시스템 플랩을 구동하기에 부족한 경우가 발생할 수 있으며, 여러 개의 장치 통신 설정이 필요하다.



차량용 난방, 환기 및 공조 시스템(HVAC)에는 여러 개의 플랩이 들어 있으며 각 플랩은 해당 모터로 구동된다. 통합형 멀티 모터 드라이버를 이용하면 설계자가 여러 개의 모터를 양방향으로 독립적으로 구동할 수 있다. 단일 장치에서 모든 모터(플랩 액추에이터라고도 함)를 구동하면 보드 공간은 물론 비용도 절약할 수 있다. 하지만, 동시에 해결해야 할 과제가 있다.

여러 개의 하프 브리지를 한 장치에 통합할 때 발생하는 작동 주변 온도 범위에서 통합형 전계효과 트랜지스터(FET)의 열을 처리하는 방법이 바로 엔지니어들이 겪는 설계 과제 중 하나다. 최소량의 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 여러 개의 모터를 구동하는 것은 복잡한 작업이다. 이러한 멀티 장치 중 하나가 모든 HVAC 시스템 플랩을 구동하기에 부족한 경우가 발생할 수 있으며, 여러 개의 장치 통신 설정이 필요하다.

또 다른 설계 과제는 플랩 부하의 이동 속도다, 이 속도는 보통 펄스 폭 변조(PWM) 구동으로 조절하며, 이 경우 장치 내에 PWM 신호를 생성해야 한다.



이러한 과제들을 해결하기 위해 TI는 통합형 DRV8912-Q1 멀티채널 모터 드라이버 제품군을 만들었다. 이 드라이버는 최대 6개의 모터를 양방향으로 동시에 구동하거나 최대 11개의 모터를 단일 집적회로에서 개별적으로 구동할 수 있다. 그림 1은 12개 하프 브리지의 출력 통합, SPI(Serial Peripheral Interface) 통신 이용, PWM 입력 핀 없음을 중점적으로 장치의 핀 배치를 보여주고 있다.

열 성능

장치의 다이 온도를 관리하는 열 관리는 통합형 멀티 하프 브리지 드라이버에서 가장 큰 과제다. 그림 2는 주변 온도(TA)와 4.5V~32V의 작동 전압 범위에서 DRV8912-Q1 모터 드라이버 제품군의 통합 FET에 대한 낮은 드레인 소스간 온상태 저항(RDS[on])을 보여준다. 다이 온도를 150°C 이하로 유지하면서 다중 부하를 구동하는 능력은 HVAC 시스템의 멀티 하프 브리지 장치에 필수적이다.



데이지 체인 통신과 PWM 생성기


HVAC 구역과 옵션이 많은 차량의 경우, 여러 개의 장치로 수많은 플랩 액추에이터를 구동해야 한다. 하지만 그렇다고 해서 DRV8912-Q1 제품군이 SPI 기반 통신에서 데이지 체인을 사용하는 것처럼 설계 시 마이크로 컨트롤러의 수를 늘려야 한다는 뜻은 아니다. 그림 3과 같이 마이크로 컨트롤러 하나는 마스터 통신 장치이며, 복수의 드라이버는 단일 SPI 통신을 이용하는 슬레이브다. 모터 드라이버의 이 기능은 하드웨어 비용과 전체 시스템 규모를 줄여준다.



HVAC 시스템에서 PWM 제어를 사용하면 속도 조절의 이점을 얻을 수 있다. DRV8912-Q1 제품군의 모터 드라이버에는 4개의 통합 PWM 생성기가 있다. 이 생성기는 듀티 사이클과 주파수를 구성하는 것은 물론 PWM 생성기를 하나 이상의 채널에 할당할 수 있도록 한다. 예를 들어, PWM 생성기 하나는 하프 브리지 1, 3, 5, 6에 할당하고 두 번째 PWM 생성기는 하프 브리지 2와 4에 할당할 수 있어, 2개의 PWM 생성기로 최대 2개 그룹의 부하를 구동할 수 있다.

HVAC 시스템의 고급 진단 기능: 개방 부하 감지

개방 부하 감지(OLD)는 HVAC 제어 모듈과 플랩 모터 사이에 열린 전기 회로가 있는지를 확인하는 진단 기능이다. HVAC 시스템에서는 기류가 변화할 때 모터 구동에 필요한 전류가 바뀌기 때문에 부하 단선 감지가 어려울 뿐만 아니라, 이러한 전류 변화는 허위 개방 부하 고장을 일으킬 수 있다.

DRV8912-Q1 모터 드라이버 제품군은 HVAC 부하 단선 진단 요구 사항을 충족하는 4가지 유형의 OLD 진단을 제공한다.

능동 OLD

능동 OLD는 모터 구동 시 드라이버와 모터 간 연결을 보장한다. 그림 4는 OLD 이벤트를 일으키기 위해 OLD 전류 임계치가 tOLD보다 긴 기간 동안 모터 전류(IOUTx) 이하로 떨어져야 하는 경우의 예시다. 고장 해소는 IOUTx가 IOLD보다 커질 때 발생한다. 이 OLD 진단을 사용하면 부하가 구동 중일 때 부하 단선을 감지할 수 있으며, 감지 시 시스템이 작동을 정지할 수 있도록 한다.



저전류 능동 OLD


OLD 전류 임계값은 능동 OLD 전류 임계값의 10분의 1 수준이다. HVAC 시스템에서는 구동한 플랩을 가로지르는 기류로 인해 모터에서 플랩 구동을 위한 토크(전류)를 덜 필요로 한다. 모터의 구동 전류는 능동 OLD의 IOLD 이하 값으로 내려갈 수 있으며 이 경우 허위 OLD 플래그가 발생한다. 더 낮은 OLD 임계값에서 필요한 구동 전류가 능동 OLD 전류보다 낮을 때 모터를 구동하면 허위 OLD 플래그의 발생을 방지할 수 있다.

음전류 능동 OLD

전류 OLD 임계치가 음의 값일 때는 능동 OLD에서 보이는 허위 OLD 플래그를 방지하기 위해 재순환 FET의 바디 다이오드 또는 FET 자체를 통해 전류 재순환을 이용해 진단한다. 그림 5는 그림 5a에서 음전류가 활성화된 상태에서 발생하는 허위 플래그와 그림 5b에서 음전류가 비활성화된 상태에서 방지되는 플래그를 보여준다.



수동 OLD


수동 OLD는 드라이버 출력이 활성화되기 전에 개방 부하를 감지한다. 모든 FET는 높은 z 상태이고, 부하의 FET 연결을 시험하기 위해 최소량의 진단 전류가 짧은 시간 동안 부하를 통과한다. 부하 회전을 피하려면 진단 전류를 최소로 해야 하는데, 이 OLD 진단을 사용하면 모터가 구동하지 않더라도 모터 단선을 감지할 수 있다.

플랩 구동 단순화

HVAC 시스템은 차종 구분에 따라 복잡성과 자동화 수준이 상이하다. DRV8912-Q1 제품군은 모든 장치 간에 핀투핀 호환이 가능하다. 열성능, SPI 데이지 체이닝, 내부 PWM 생성, 고유 개방형 부하 감지를 갖춘 RDS(on)를 통한 HVAC 시스템용 DRV8912-Q1 장치 제품군의 이점은 다양하다.

 추가 리소스: 

• HVAC 시스템 플랩 구동에 대한 자세한 내용은 플랩 액추에이터와 차량용 HVAC 시스템에서의 구동 방식 이해하기 기술 기고문에서 확인할 수 있다.
• DRV8912-Q1 데이터 시트 다운로드
• 여러 개의 플랩 모터를 연결하고 제어하는 방법은 HMI를 이용한 차량용 HVAC 제어 레퍼런스 디자인에서 확인할 수 있다.
• “모터 드라이버의 개방 부하 감지” 및 “역극성 조건으로부터 차량용 모터 드라이브 시스템 보호하기” 적용 보고서를 통해 확인할 수 있다.
 

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