저비용으로 간단하게 고효율 디지털 파워로 전환



전통적으로 전력 시스템은 아날로그 하드웨어 설계로 구현되었다. 그러나 저렴한 고성능 마이크로 컨트롤러의 이용으로 점점 더 많은 개발자들이 전력 시스템을 디지털 구현으로 전환하게 되었다. 소프트웨어 기반 제어 방식으로 전환하게 됨에 따라 하드웨어 설계가 크게 간소화 된다. 디지털 파워 시스템은 소프트웨어로 구현되는 제어 방식을 적용하여 부하 전류 및 회선 전류와 같은 더 광범위한 동작 조건에 걸쳐 더 높은 전력 변환 효율을 줄 수 있다. 소프트웨어 방식 고유의 유연성으로 인해 개발자들이 다양한 설계를 위한 전력 시스템을 개발할 수 있으므로 전체 장비 가격을 낮출 뿐만 아니라 시장 출시 시간을 단축시킨다. 또한 개발자들은 아날로그 부품을 이용하여 구현하기에는 너무 복잡하거나 비용이 많이 드는 고급 필터링 혹은 동적 보상과 같은 제어 방식을 도입할 수 있다.

Brett Novak, Zhen Yu / 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments), 애플리케이션 엔지니어

디지털 파워는 서버/전기통신 정류기, 무정전 전원 디바이스, 하이브리드 전기 자동차, 거리와 건물 조명, 전력 그리드 관리 및 태양 또는 풍력 등의 대체 에너지원을 기반으로 하는 제품을 포함하여 광범위한 애플리케이션에 영향을 미친다. 아날로그에서 디지털로 전환은 많은 장점을 가져다 주는 만큼 이러한 기술에 익숙하지 않는 개발자들이 우려를 제기할 수 있는 새로운 설계 방식을 적용 한다.

디지털화의 현주소
전력 시스템 설계자들은 특별한 유형의 기술자들이다. 다른 기술자에게는 마술과 같이 보이는 수준으로 아날로그 동역학을 이해하며 하드웨어 로직을 쉽게 구현하고 조정한다. 그러나 많은 전력 시스템 설계자들은 소프트웨어 경험이 거의 없다. 마이크로 컨트롤러(MCU)를 이용하는 방식은 단순하며 비교적 간단한 8bit 구조가 된다.
이러한 기술자들에게 있어서 디지털 방식을 전력 제어에 적용하면 분명히 많은 장점이 있지만 샘플링과 변환 기반 구조로 이동한다는 사고는 위험한 것으로 보일 수 있다.
방대한 장비 전문 지식을 가진 TI는 아날로그와 디지털 구현 사이의 트레이드 오프(tradeoff)뿐만 아니라 이러한 전환이 아날로그 기술자에게 제기하는 의문을 이해한다. 디지털 파워로 전환 과정을 단순화하기 위해 TI는 개발 키트, 라이브러리 및 완전한 애플리케이션 소프트웨어를 포함하여 종합적인 툴 수트를 개발하여 아날로그 기술자에게 가장 공통적인 문제를 해결한다.

디지털 구현으로 전환이 기본적인 소프트웨어 개발을 의미하는가?
디지털 파워 시스템에는 많은 소프트웨어가 포함된다. 다행히도 TI는 디지털 파워 시스템에 필요한 대부분의 코드를 이미 개발하였다. TI의 각 디지털 파워 개발 키트는 피콜로™ MCU를 기반으로 하며 종합적인 기술 문서 및 전체 애플리케이션 소스 코드와 함께 공급되므로 설계자가 10분 이내로 시작하고 쉽게 배울 수 있다. 또한 TI는 산업을 주도하는 controlSUITETM 디지털 파워 라이브러리를 포함하여 쉽게 적응할 수 있도록 한다.
controlSUITE 플랫폼은 광범위한 코드 기반 작업에 익숙하지 않는 개발자들을 위해 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 통해 복잡한 소프트웨어를 관리하고 타깃 디바이스, 평가 키트 등을 포함하는 특정 하드웨어에 필요한 자원을 선택할 수 있게 한다. controlSUITE 도구는 선택된 파일을 사용자의 컴퓨터에 다운로드 하여 정확한 디렉토리와 폴더에 저장한다.
여기에는 라이브러리와 헤드 파일뿐만 아니라 소프트웨어 소스코드, 기술 자료 및 하드웨어 설계 패키지가 포함된다. 또한 전체 소프트웨어 프로젝트도 포함된다. 버튼 몇 개를 클릭하여 초기 설계를 구축할 수 있다(그림 1 참조).
또한, TI는 모든 애플리케이션 키트에 간단한 GUI를 공급하여 애플리케이션 설정과 조정을 획기적으로 간편화 할 수 있다. 소프트웨어 혹은 하드웨어가 수정되면 수정된 애플리케이션의 신속한 디버깅과 조정을 위해 GUI를 이용할 수 있다. 소스 코드와 프레임워크가 공급되므로 고객은 쉽게 GUI를 최종 애플리케이션에 적용하여 제품 설계의 조정과 디버깅 속도를 높일 수 있다.
controlSUITE 플랫폼과 옵션을 통합하여 아날로그 기술자에 통합 개발 환경을 제공함으로써 아날로그-기반 접근 방식으로부터 이식을 단순화시킴과 동시에 디지털 전환의 장점을 이용할 수 있게 한다.

주기적 샘플링이 적절한 순시 응답성을 달성할 수 있는가?
디지털 파워로 전환하기 위해서는 아날로그 구현과 크게 다른 설계 방식이 요구된다. 아날로그 시스템을 위한 전압과 전류 피드백 및 출력 제어 조절을 순간적으로 수행하여 탁월한 순시 응답성을 주어야 한다. 디지털 시스템은 샘플링, 디지털 변환, 처리, 아날로그 변환 및 출력을 위해 피드백에 대한 응답과 제어 출력 조절에 시간이 소요되므로 설계가 과도 응답과 안정성 규격을 충족하지 못할 수도 있다.
오늘날의 MCU 속도와 고속 ADC/DAC 주변 디바이스는 시스템의 순시 및 안정도 여유 요구사항을 충족하는 컨트롤 루프 구현이 가능하게 한다. 실제로 이러한 컨트롤러는 매우 빠르므로 아날로그 시스템에서 구현하기에는 비경제적인 추가적인 신호 데이터 처리를 수행할 수 있다. 가장 대표적인 예로 최대 부하 효율을 들 수 있다.
아날로그 구현은 단일 부하 값에 대해서만 최적화될 수 있으며, 대표적으로 시스템이 가장 자주 동작하거나 정확도가 가장 중요한 부하가 될 수 있다. 이러한 부하에서 동작할 때 시스템은 최고 효율로 기능을 수행한다. 그러나 시스템은 다양한 부하에서 동작할 수 있으며 시스템이 동작하는 대부분의 시간에 최대 부하가 발생하지 않을 수도 있다. 부하가 최대치에서 이동하면 효율이 저하된다.
예들 들면, 동시에 접속하는 컴퓨터의 수량과 접속 속도에 따라 서버 부하가 달라진다고 가정해 보기로 한다. 이것은 많은 애플리케이션에서 시스템이 대부분 최대치 보다 낮은 효율로 동작함을 의미한다. 더 낮은 부하에서 지속적으로 동작하는 시스템의 경우에는 효율이 상당히 저하된다.
디지털 방식은 보상 알고리즘과 출력 설정 자체를 포함하여 보상 알고리즘과 출력 설정에 사용되는 변수를 동적으로 조절하여 현재 부하와 일치시킬 수 있다. 서버의 경우, 더 많은 컴퓨터가 접속을 요청하면 적응 알고리즘이 변하는 전력 요구와 일치시키기 위해 보상 루프 및 PWM 출력의 불감대와 같은 기타 변수를 조절한다. 이러한 적응을 위해 더 많은 컨트롤러 사이클이 요구되지만 유연성이 증가하므로 전체 동작 부하에서 효율이 크게 향상된다.
입력 AC 선로 전압과 같은 기타 동작 조건에 대한 적응도 마찬가지이다. 디지털 구현은 충분한 순시 응답과 안정도 여유를 줄뿐만 아니라 아날로그 구현에 비해 시스템의 전체 전력 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
TI의 피콜로 MCU와 같은 디지털 파워 컨트롤러의 부가적인 처리 용량으로 개발자는 오버 샘플링(oversampling)과 같은 향상된 기능을 도입하여 더 정확한 측정과 출력 제어를 달성할 수 있다. 또한 개발자는 추가적인 필터링 기능을 도입하여 예상되는 동작 환경에 존재하는 알려진 주파수 성분을 제거할 수 있다.
또 다른 예로 역률 개선(PFC)을 들 수 있다. PFC는 서버 AC/DC 전원 디바이스에서 기본적으로 요구되는 전력 변환 단계이지만 중국의 가변 주파수 HVAC 시스템과 같은 다른 애플리케이션에도 요구된다.
첫 번째 이유는 전송 손실을 줄여 인프라 비용을 절감하기 위해서이다. 그러나 더 많은 HVAC 시스템이 고효율 영구 자석 AC 압축기를 채택하고 있다. 전단 PFC 단계는 압축기가 더 고속으로 구동될 수 있게 하여 동일한 AC 선로 전압을 더 효율적으로 이용할 수 있게 한다. 이러한 애플리케이션에서는 고속 디지털 컨트롤러의 부가적인 CPU 헤드룸이 매우 중요할 수 있다. 가격 경쟁력이 있는 강력한 디지털 컨트롤러를 이용할 수 있게 됨에 따라 PFC가 전반적인 산업 분야에 더욱 널리 사용되고 있다.

디지털 시스템 조절은 아날로그 시스템 조절보다 훨씬 더 복잡한가?
일견 PFC를 위한 복잡한 보상 알고리즘, 절연형 DC/DC 및 기타 전력 기능을 조절한다는 개념은 특히 디지털 시스템의 샘플링과 변환 접근 방식에 생소한 기술자들을 당황스럽게 할 수 있다. 개발자들은 애플리케이션 평가 키트의 controlSUITE 플랫폼과 간단한 GUI를 이용하여 여러 가지 전력 토폴로지를 신속하게 평가하고 최종 제품 설계를 가속화할 수 있다.
모든 소프트웨어가 입출력이 명백하게 정의되는 모듈로 제공되므로 개발자가 부품/변수-기반으로 설계할 수 있다. 이용 가능한 GUI 소스 코드와 프레임워크는 파형 출력 및 부가적인 변수에 대한 감시 윈도우와 같은 새로운 사용자 기능을 도입하여 신속한 분석과 고장 진단이 가능하게 한다.
학습 곡선을 단축하기 위해 각 애플리케이션 코드를 작성하여 개발자가 한번에 프로젝트의 일부만으로 작업할 수 있게 하는 점진적 구축 단계를 지원한다. 예를 들면 전체 브리지 키트로 작업할 때 개발