1. 아직도 차량용 모터에 릴레이를 사용하시나요?

 

자동차의 전자 시스템에 보다 작고 지능적인 IC를 사용할 수 있게 된 지금, 그 동안 알고는 있었지만 언급하기 꺼려했던 문제를 해결할 시점이 되었다.

 

왜 아직까지도 선루프 모듈, 윈도우 리프트, 전동 잠금장치, 전동 트렁크, 메모리 시트, 컴프레서, 펌프 등에 사용되는 모터를 제어하는 데 릴레이를 사용하고 있는가?

 

물론, 릴레이가 값이 싸고 설계가 간단하지만, 수명이 제한적이고 솔루션 크기가 커서 이제 첨단 모터 애플리케이션에 사용하기에는 부담스러운 면이 있다. 그러므로 자동차 모터 제어 애플리케이션에 조용하면서 작고 안전한 솔루션을 제공하기 위해서는 솔리드 스테이트(반도체) IC를 사용하는 것이 최적의 선택이다.

 

 

솔루션 크기

 

그림 1-1: 릴레이 솔루션과 솔리드 스테이트 솔루션의 비교

그림1-1은 동일한 전압 및 전류 정격으로 통상적인 릴레이 솔루션과 동급의 솔리드 스테이트 솔루션을 비교한 것이다.

솔루션 크기만 보면, 솔리드 스테이트 8mm x 8mm QFN에 2개의 듀얼 패키지 N-채널 MOSFET을 사용한 솔루션은 릴레이 솔루션 보드 면적의 약 1/3이며, 솔리드 스테이트 솔루션의 높이는 0.9mm (0.035인치)이다.

 

모터 하우징 후면에 딱 맞게 들어가는 모터 드라이버 PCB를 설계하고자 한다면 TI의 솔리드 스테이트 솔루션이 안성맞춤이다.

크기 이외에 솔리드 스테이트 게이트 드라이버는 릴레이 솔루션에서 개별적으로 구축해야 하는 다음의 보호 기능 전체를 통합한다.

 

 

모터 전류 측정

 

그림 1-2: 이산적 전류 측정 회로와 솔리드 스테이트 전류 측정 회로

 

어떠한 전류 레귤레이션 방식이든 릴레이 시스템이나 솔리드 스테이트 시스템 모두 션트 저항은 필요로 한다. 하지만 릴레이 솔루션은 감지 저항으로 측정되는 전압을 높이기 위해서 별도의 이산 증폭기 회로를 필요로 한다.

 

이렇게 높아진 전압을 마이크로컨트롤러(MCU)의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 보내면, MCU의 디지털 로직이 모터의 작동을 멈출지 전류를 제한할지 등을 결정할 수 있다.

 

그러나 솔리드 스테이트 모터 드라이버는 이 로우 사이드 전류 션트 증폭기를 통합함으로써 외부 소자로서 하나의 전류 감지 저항만을 필요로 한다. 그림 1-2는 통합 모터 구동 IC와 개별 전류 측정 회로 토폴로지의 차이를 보여준다.

또한, TI의 모터 드라이버는 전류 레귤레이션을 더욱 향상시켜 통합 전류 감지 증폭기의 출력에 연결된 내부 비교기를 사용하는 사이클 바이 사이클 전류 초핑 (cycle by cycle current-chopping) 방식을 통합했다.

 

그러므로 필요한 소자는 외부 전압 레퍼런스뿐이며, 증폭기는 내부적으로 전류 제한을 처리하므로, MCU에서 사용되거나 외부적으로 구현해야 할 리소스들을 확보한다. 감지 증폭기의 출력은 여전히 패키지 핀과 연결되어 있지만 일정 수준의 전류 레귤레이션이 필요하다면, DRV8702-Q1이나 DRV8703-Q1과 같이 완전 통합 솔루션을 사용할 수 있다.

 

 

MCU로의 인터페이싱

 

그림 1-3: MCU로의 인터페이싱

 

릴레이와 솔리드 스테이트 솔루션을 MCU에 인터페이스할 때 솔리드 스테이트 IC는 일반적으로 MCU 범용 입/출력(GPIO)과 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 핀을 직접 연결할 수 있다. 이들 IC 제품은 접지를 기준으로 한 고 사양 임피던스 풀다운 저항으로 1.8V, 3.3V, 5V 로직 레벨 전압과 유연하게 인터페이싱을 할 수 있다.

 

릴레이 솔루션에 동일한 입력 제어를 달성하기 위해서는 릴레이 내부의 솔레노이드 코일을 제어하기 위한 특정 전류 이득이 필요하다. 그림 1-3은 릴레이와 솔리드 스테이트 드라이버를 MCU로 인터페이싱할 때 회로 토폴로지의 차이점을 보여준다.

그림 1-3에서 릴레이 솔루션은 단지 릴레이 코일을 MCU GPIO 핀으로 인터페이스하기 위해서 한 쌍의 달링턴 NPN (N-doped P-doped N-doped) 바이폴라 정션 트랜지스터 (BJT), 2개의 저항 및 1개의 보호 다이오드를 필요로 한다는 것을 알 수 있다.

 

H-브리지를 구현하고 양방향 모터를 구동 하려면 2개의 듀얼 패키지 SPDT(single-pole double-throw) 릴레이가 필요하다. 그러므로 양쪽 릴레이 코일을 개별적으로 구동하기 위해서 앞서 열거한 회로 구성 요소의 두 배가 필요 하다. TI의 모터 드라이버를 사용하면 이러한 모든 개별 부품 들을 제거할 수 있으므로 훨씬 더 적고 간소화된 PCB 솔루션을 만들 수 있다.

 

 

모터 속도 프로파일
릴레이를 사용할 때의 모터 속도 프로파일은 믿을 수 없을 만큼 비효율적이다. 개발자들은 모터와 직렬로 각기 다른 크기의 저항을 사용하거나, 각기 다른 속도용으로 다중의 권선을 갖는 모터를 사용하여 전동 윈도우, 전동 트렁크, 선루프, 슬라이딩 도어, 펌프를 위한 다중 속도 제어 체계를 구현한다.

 

이러한 방법은 다중 속도를 위해 더 많은 릴레이가 필요할 것이고, 더 많은 릴레이는 더 많은 보드 공간과 외부 소자들을 필요로 하게 될 것이다.

반면, 솔리드 스테이트 솔루션을 사용하면 모터 속도를 제어하기 위해서 TI의 모터 드라이버의 MCU로부터 발생되는 2개의 PWM 신호만을 제공하면 된다.

 

DRV8702Q1과 DRV8703-Q1은 위상/인에이블 모드를 제공한다. 인에이블 핀으로 하나의 PWM 신호만을 인가하며, 단순한 로직 하이 또는 로우 위상 핀이 모터의 방향을 제어한다.

 

로직 레벨 PWM 신호는 정확한 전압을 사용하여 직접 MOSFET 게이트로 변환되어 하이 또는 로우 사이드 MOSFET을 완벽하게 향상시킨다. 이러한 유형의 인터페이스를 사용하면 다중속도 펌프나 슬라이딩 유리 선루프, 부드럽게 닫히는 전동 윈도우, 저렴한 가변 속도 윈드쉴드 와이퍼, 또는 어떤 유형의 단순 모션 제어 모터 애플리케이션용으로든 맞춤화된 모션 프로파일을 빠르게 설계할 수 있다.

 

 

구현 사례
이 소형 풋프린트 선루프 모터 모듈 레퍼런스 디자인은 선루프 및 윈도우 리프트 애플리케이션을 위한 솔리드 스테이트 모터 제어 모듈이다.

 

이 TI 레퍼런스 디자인은 전류 션트 증폭 기와 2개의 듀얼 패키지 자동차용 등급 MOSFET을 통합한  DRV8703-Q1게이트 드라이버를 채택함으로써 릴레이 솔루션보다 훨씬 더 소형화된 전력 스테이지 레이아웃이 가능하다. 또한, 이 디자인은 모터 위치를 인코딩하기 위해서 2개의 TI  DRV5013-Q1래칭 홀 센서를 사용하고 있다.

TI의 솔리드 스테이트 모터 드라이버를 사용해서 모터 제어 시스템을 설계하면 PCB 솔루션의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 동일한 모듈로 더 많은 모터들을 제어할 수 있다. 또한 TI의 모터 드라이버 제품은 높은 통합성과 간단한 제어 기능을 갖추고 있어서 개발자들이 현재 릴레이를 사용하고 있는 최신의 브러시드 DC 모터 컨트롤러 회로를 쉽고 빠르게 재설계할 수 있다.

 

 

2. 더 적은 에너지와 배선으로 환경데이터 수집하기

 

 

그림 2-1: 런던 도킹 스테이션의 공용 자전거

 

몇 년 전부터 대도시에 ‘공용 자전거’가 생겨나기 시작했다. 누구나 도시 전역에 설치된 도킹 스테이션에서 자전거를 빌렸 다가 반납할 수 있으며, 신용카드로 이용 가능하다. 요금은 자전거 이용 시간만큼 부과된다.

런던에서는 자전거 사용자가 그림 2-1과 같이 지정된 장소인 도킹 스테이션(docking station) 키오스크(KIOSK)에서 자전거를 빌렸다가 반납한다. 이러한 방식은 자전거 여행자들 에게는 좋지만 근처에 도킹 스테이션이 없는 직장인들에게는 불편함을 야기한다.

 

직장인들은 일상생활에서 먼 거리를 걷거나 비교적 짧은 거리임에도 택시를 타야 하는 등의 문제를 겪고 있다. 직장인들이 자전거를 빌리지 않고 지하철역이나 버스 정거장에서 직장까지의 거리를 어떻게 이동하고 있을까? 어디에서든 자전거를 빌리고 반납할 수 있는 시스템이 구축된 다면, 직장인들에게 훨씬 더 편리하고 효율적일 것이다.

최근 중국의 주요 도시에 있는 공용 자전거 프로그램들은 키오스크 기반 시스템에서 도크리스(Dockless) 시스템으로 진화하고 있다. 누구든지 스마트 폰 앱을 이용해 자전거의 위치를 찾아 대여할 수 있다.

 

자전거의 대여 목적은 즐기기 위함부터 출/퇴근 시 대중교통까지의 이동용으로 다양하다. 자전거에는 전자 잠금 장치와 3G/4G 무선 네트워크가 탑재되어 있어 자전거를 이용한 후에 어디에든 반납할 수 있다. 이 공용 자전거는 직장인들의 마지막 이동 거리를 책임지고 있다.

도킹 스테이션 없이 공유 자전거를 이용하기 위해서는 네트워크 에서 자전거를 추적하고, 잠금 장치를 해제할 뿐만 아니라 사용자 데이터를 전송할 방법이 필요하다.

 

배터리 구동 방식의 전자 잠금 장치와 블루투스, GPS, 3G/4G 시스템을 갖춘 독립 거치형 자전거는 전자 잠금 장치를 이용하여 도시 전역에 안전하게 주차할 수 있기 때문에, 도킹 스테이션이 필요 없다.

 

사용자는 스마트폰 앱의 지도를 이용하여 자전거를 찾은 후, 자전거의 QR 코드를 스캔하여 자전거의 잠금 장치를 해제한다. 목적지에 도착하면 다시 스마트폰 앱을 이용해 자전거의 전자 잠금 장치를 작동시킨다.

 

 

그림 2-2: 유연한 충전 솔루션의 예

 

전자 잠금 장치는 배터리 구동 방식의 애플리케이션이기 때문에 항상 배터리를 충전된 상태로 유지하는 것이 중요하다. 이러한 유형의 공용 자전거들은 도킹 스테이션이 없는 경우 배터리를 자체적으로 충전할 수 있는 손쉬운 방법이 필요하다. 한 가지 방법으로는 자전거에 태양광 전지판을 설치하는 것이다.

 

물론 이것 역시 태양광에 의존하기 때문에 태양이 최적의 각도에 있지 않으면 에너지 생산에 영향을 줄 수 있다. MPPT(maximum power point tracker) 계산은 태양 전지판과 자전거 배터리 충전기 사이의 충전 전류를 최적화한다.(그림 2-2 참조)

bq25895는 I2C 설정과 통합 ADC를 통해 개방회로 입력 전압과 충전 전류를 측정하여 간단한 계산만으로 쉽게 MPPT 지점을 찾을 수 있도록 한다.

 

bq25895는 배터리를 충전할 수 있을 뿐만 아니라, 통근자들이 가장 필요할 때 완전히 충전된 상태의 자전거를 제공할 수 있도록 공용 자전거의 태양 전지판 에 활용할 수 있다.