디지털 신호 컨트롤러를 사용하여 더 나은 자동차 및 E-모빌리티 시스템을 구축하는 방법

작성자: Stephen Evanczuk

DigiKey 북미 편집자 제공

2021-11-17

기존 자동차와 e-모빌리티 시스템 모두의 편의 기능과 미션 크리티컬 안전 기능은 무수한 전자 장치의 효과적인 작동에 의존합니다. 다양한 요구 사항을 제시하면서도 이러한 응용 제품에는 기본적으로 극한 조건에서 작동하는 동시에 안정적인 고성능 실시간 응답을 제공할 수 있는 기능이 필요합니다.

그 결과, 개발자는 자동차 및 e-모빌리티의 다양한 사용 사례 설계와 개발을 단순화하는 데 도움이 될 수 있는 일관되고 잘 지원되며 강력하고 확장 가능한 플랫폼에 대한 수요 증가에 직면하게 되었습니다.

이 기사에서는 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 Microchip Technology의 DSC(디지털 신호 컨트롤러) 제품군에 대해 논의하고 자동차와 e-모빌리티 시스템에 필수적인 기능을 위한 참조 설계에서 DSC를 사용하는 방법을 설명합니다.

다양한 설계 과제를 위한 유연한 솔루션의 필요성

개발자는 기존 차량용으로 설계하든 전기차용으로 설계하든 전력 변환 서브 시스템, 차내 무선 충전, 디지털 조명 시스템, 모터 제어 시스템 등 상대적으로 단순한 스테퍼 모터 응용 제품부터 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)의 복잡한 회생 제동 시스템까지 점점 더 많은 응용 제품을 다루어야 합니다. 기능 안전에 대한 미션 크리티컬 요구사항과 함께 자동차 제조업체가 안전, 편의성, 기능 및 성능 향상을 위한 소비자의 요구와 경쟁 압력에 대응하기 위해 노력함에 따라 설계 공간 및 BOM(부품 명세서) 요구 사항의 중요성이 커지고 있습니다.

이러한 요구 사항에 대응하면서 업계는 이미 거의 모든 차량 서브 시스템에서 디지털 솔루션으로 급격히 방향을 전환했습니다. 기존 승용차의 서브 시스템은 이미 상용 항공기보다 4배 많은 소프트웨어 코드를 실행하는 MCU(마이크로 컨트롤러)에 의존하고 있습니다^[1].

그러나 수요의 진화와 경쟁 압력으로 인해 이전의 마이크로 컨트롤러 솔루션은 현재 자동차 설계자가 직면한 다양한 요구 사항을 충족시키지 못할 수 있습니다. 특히 EV에서 더 많은 전자 서브 시스템과 관련 고전압 DC/DC 변환 기능에 다양한 전원 레일이 필요하기 때문에 보다 정교한 디지털 제어 기능이 필요합니다. 모바일 장치의 차량 내 무선 충전과 같은 다른 응용 제품은 더 많은 소비자 장치에 내장된 업계 표준 전원 수신기와 호환이 되는 다중 코일 무선 전력 송신기에 대해 완전히 새로운 설계 요건을 도입했습니다. 차량 조명 설계는 대시보드의 밝은 헤드라이트와 쾌적한 색상 및 조광 효과를 제공하기 위해 조광, 온도, 부품 노화 등의 기술적 특성을 고려해야 합니다. 마지막으로, 정밀 디지털 제어 모터는 기존 차량에서도 찾아볼 수 있으며 물론 e-모빌리티의 기능적 기반을 제공합니다.

Microchip Technology의 dsPIC33 DSC 제품군은 특수 기능을 갖춘 제품군을 사용하여 이러한 다양한 요구 사항을 해결하도록 특별히 설계되었습니다. 이 제품군의 최신 제품인 dsPIC33C는 보다 정교한 응용 제품을 대상으로 하는 개발자를 위해 dsPIC33E 및 dsPIC33F DSC에서 사용할 수 있는 확장된 성능과 기능을 갖췄습니다.

디지털 신호 프로세서(DSP) 코어를 기반으로 하는 이 DSC는 MCU의 단순성과 DSP의 성능을 결합하여 최소한의 실장 면적과 BOM을 유지하면서 고성능, 짧은 대기 시간, 실시간 기능에 대한 진화하는 요구 사항을 충족합니다. 개발자는 Microchip의 광범위한 dsPIC33 개발 기판, 참조 설계 및 소프트웨어 개발 도구 에코시스템을 사용한 dsPIC33 제품군의 다양한 멤버를 활용하여 자동차 및 e-모빌리티 시스템의 핵심에 다양한 응용 제품을 제공하도록 설계를 확장할 수 있습니다.

자동차와 e-모빌리티 설계를 위한 더욱 효과적인 하드웨어 기반

Microchip의 dsPIC33C 제품군은 많은 자동차 서브 시스템의 기반이 되는 고속 소프트웨어 기반 디지털 제어 루프의 대기 시간을 줄이고 실행 속도를 높이도록 특별히 설계되었습니다. 이 장치는 이러한 기능을 제공하기 위해 DSP 엔진, 고속 레지스터 및 다중 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 디지털 아날로그 컨버터(DAC), 아날로그 비교기 및 연산 증폭기를 비롯한 밀접하게 결합된 주변 장치를 통합합니다.

DSP 엔진의 40비트 누산기 포함 단일 주기 16x16 곱셈 누산기(MAC), 제로 오버헤드 루프 및 배럴 시프트 같은 기능은 디지털 제어 루프의 고속 실행을 보장합니다. 150피코초(ps) 분해능 펄스 폭 변조기(PWM), 캡처/비교/PWM(CCP) 타이머, 주변 장치 트리거 생성기 및 사용자 프로그래밍 가능한 논리 셀 같은 주변 장치 기능을 통해 정밀 제어 루프 인터페이스의 독립적인 작동이 가능합니다.

작은 5x5 밀리미터(mm) 크기의 패키지에 포함된 이 장치의 광범위한 온칩 기능을 통해 개발자는 최소한의 실장 면적과 BOM을 달성하여 매끈한 자동차 시스템의 소형 장치 요구사항을 충족할 수 있습니다. 이러한 장치는 자동차 설계를 더욱 단순화하여 고급 자동차 시스템에 사용되는 계측 제어기 통신망(CAN), 로컬 상호 연결 네트워크(LIN) 및 디지털 다중화(DMX)를 포함한 여러 통신 인터페이스를 지원합니다. 또한 이러한 장치는 단일 코어 구성과 이중 코어 구성 모두에서 서로 다른 메모리 크기로 제공되어 고급 자동차와 e-모빌리티 응용 제품에 필요한 종류의 확장 가능 솔루션을 제공합니다.

열악한 자동차 환경을 위해 설계된 이 부품은 AEC-Q100 Grade 0 인증을 받았으며 –40°C에서 +150°C까지의 확장된 온도 범위를 지원하며 보닛 작동의 까다로운 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 미션 크리티컬한 자동차 설계에 가장 중요한 dsPIC33 제품군은 ISO 26262(ASIL A 또는 ASIL B), IEC 61508(SIL 2), IEC 60730(클래스 B)을 포함한 안전 사양을 쉽게 준수할 수 있는 기능 안전 준비가 되어 있습니다. dsPIC33 제품군에는 데드맨 타이머, 워치독 타이머, 고장 시 안전 시계 모니터링, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 내장된 셀프 테스트(BIST)와 코드 오류 수정을 포함한 특수 안전 하드웨어 기능이 통합되어 있습니다.

소프트웨어 개발을 위해 Microchip의 MPLAB XC C 컴파일러는 기능 안전에 대한 TüV SUD 인증을 받았으며, 경우에 따라 진단 소프트웨어 라이브러리를 사용할 수 있습니다. 또한 Microchip은 안전 인증 프로세스의 일부로 관련 장애 모드, 영향 및 진단 분석(FMEDA) 보고서와 필요한 안전 설명서를 제공합니다.

기능 안전 인증에 필요한 하드웨어 안전 기능 및 개발 기능은 기존 자동차와 전기 자동차 모두를 위한 dsPIC33 기반 설계를 지원하는 풍부한 개발 에코시스템의 일부에 불과합니다. MPLAB X Integrated Development Environment(IDE)를 기반으로 구축된 Microchip은 아래와 같이 다양한 응용 제품 영역을 위한 광범위한 전문 설계 도구와 라이브러리 세트를 제공합니다.

Microchip은 dsPIC33 제품군으로 개발을 가속화할 수 있도록 풍부한 dsPIC33 개발 기판 에코시스템과 함께, 다운로드 가능한 설계 리소스(예: 백서, 응용 예제 및 참조 설계)를 제공합니다. 이러한 리소스 중에서 여러 dsPIC33C 참조 설계는 무선 충전, 디지털 조명, 전력 변환 및 모터 제어를 포함한 여러 주요 자동차 및 e-모빌리티 응용 제품 영역을 다루고 있습니다. 각 영역에서 dsPIC33C DSC의 사용을 시연하는 것 외에도, 이러한 참조 설계 및 관련 소프트웨어는 맞춤형 설계 구현의 출발점이 될 수 있습니다.

전력 변환을 위한 정밀 디지털 제어 루프 구현

제어 루프는 많은 자동차 및 e-모빌리티 응용 제품의 핵심이며, 이러한 응용 제품의 가장 중요한 용도 중 하나는 전력 변환에 대한 기본적인 요구 사항을 충족합니다. 효율적인 DC-DC 변환은 기존 자동차 시스템에서 여전히 중요하며 고전압 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차에 필수적입니다. 이러한 시스템에서는 200볼트 ~ 800볼트 배터리 전압을 외부 및 내부 조명과 와이퍼, 창문, 팬 및 펌프용 전원 모터 구동에 필요한 12볼트 또는 48볼트 수준으로 안전하고 효율적으로 낮춰야 합니다.

200와트(W) DC/DC LLC(리액티브 소자 3개: 유도성 소자 2개 및 용량성 소자 1개) 공진형 컨버터 참조 설계^[2]에서 단일 dsPIC33 장치는 통합된 PWM 중 하나를 사용하여 스위치 모드 전력 변환을 위한 소형 디지털 솔루션을 제공하여 제어 루프에서 하프 브리지 MOSFET를 구동합니다(그림 1).

그림 1: Microchip Technology의 DC/DC LLC 공진형 컨버터 참조 설계는 단일 dsPIC33 DSC를 사용하여 전력 변환 설계의 핵심에서 제어 루프를 디지털 방식으로 관리합니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

그림 2에서 공진형 변압기는 1차 측 고전압(검은색 라인)을 MOSFET 구동기(D)에 대한 2차 12V 공급(파란색 라인) 장치와 DSC33 DSC 및 기타 아날로그(A) 부품에 대한 3V 공급 장치로부터 격리합니다.

그림 2: 특수 주변 장치를 사용하는 dsPIC33 DSC는 통합 PWM 및 주변 장치 기능을 사용하여 외부 MOSFET(D) 및 기타 아날로그(A) 부품을 제어하여 설계를 단순화하고 부품 수를 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

이 설계에서 dsPIC33은 기본 인터럽트 구동 소프트웨어 설계를 사용하여 디지털 제어 루프를 관리합니다. 여기서 ADC 인터럽트는 소프트웨어 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러에 사용되는 출력 전압 획득에 사용됩니다. 또 다른 ADC 인터럽트는 온도 감지를 지원하고 dsPIC33의 아날로그 비교기는 과전류 및 과전압 이벤트 감지를 지원합니다. 실제로 PID 제어 프로세스 및 관련 제어 루프 관리 작업을 실행하면 간단한 펌웨어 처리 시퀀스 내에서 온도 모니터링, 결함 모니터링과 통신을 포함한 하우스키핑 및 모니터링 작업을 위한 충분한 처리 여유 공간이 남습니다(그림 3).

Microchip dsPIC33 DSC의 고성능 DSP 엔진 구성도 그림 3: 개발자는 DSP33 DSC의 고성능 DSP 엔진과 긴밀하게 결합된 주변 장치를 통해 더욱 간단한 코드로 복잡한 디지털 제어 루프를 쉽게 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

Microchip의 Digital Power Design Suite는 보다 전문화된 디지털 전력 솔루션을 구축하고자 하는 개발자를 위해 대상 dsPIC DSC를 위해 컨셉부터 펌웨어 생성까지의 설계를 지원합니다. 개발자는 dsPIC DSC 하드웨어 기능을 기반으로 하는 제품군의 디지털 보정기 설계 도구(DCDT)를 사용하여 제어 루프를 분석하고 MPLAB 코드 구성기(MCC)를 사용하여 Microchip 보정기 라이브러리에서 최적화된 어셈블리 코드 기능을 사용하는 코드를 생성합니다(그림 4).

Microchip의 종합 툴 체인 구성도 그림 4: 개발자는 Microchip의 종합 툴 체인을 활용하여 디지털 전력 서브 시스템의 핵심에서 최적화된 소프트웨어 기반 제어 루프를 빠르게 개발할 수 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

무선 전력 송신기와 같은 표준 기반 장치를 구축하든 더 복잡한 맞춤형 장치를 구현하든 상관없이 자동차 및 전자 제어 루프 응용 제품의 설계자는 결함 모니터링과 같은 기본 기능을 이상으로 추가 기능을 지원할 수 있는 소형 솔루션을 구현해야 합니다. 또 다른 참조 설계에서는 디지털 제어 전력 변환의 또 다른 중요한 응용 제품인 무선 변속기에서 다양한 기능을 제공하기 위해 단일 코어 dsPIC33CK를 사용하는 방법을 보여줍니다.

Qi 호환 무선 전력 송신기 구현

스마트폰 및 기타 모바일 장치 제조업체에서 널리 채택하고 있는 5와트 ~ 15와트 무선 전력 전송용 세계 무선 전력 위원회(WPC) Qi 표준을 통해 소비자는 호환되는 무선 송신기가 내장된 표면에 Qi 지원 장치를 올려놓기만 하면 Qi 지원 장치를 충전할 수 있습니다. 자동차 내부 표면 또는 타사 충전 제품에 내장된 Qi 무선 전력 송신기는 유선 전력 연결의 혼선과 잠재적인 방해물을 제거하는 편리한 스마트폰 충전 방법을 제공합니다. Microchip Technology의 15와트 Qi 무선 전력 참조 설계^[3]는 이러한 유형의 서브 시스템 구현을 단순화하기 위해 dsPIC33을 사용하는 방법을 보여줍니다(그림 5).

그림 5: dsPIC33의 통합 주변 장치는 핵심 제어 작업의 속도를 높이기 위해 독립적으로 작동할 수 있으므로 무선 전력 송신기와 같은 보다 복잡한 응용 제품에서 사용자 인터페이스, 통신 및 보안과 같은 다른 작업을 실행하기 위한 처리 마진을 남겨둡니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

Microchip Technology 단일 코어 dsPIC33CK256MP506 DSC를 기반으로 하는 참조 설계는 DSC의 통합 기능을 사용하여 디지털 제어 루프를 구현합니다. 이 설계는 위에서 언급한 공진형 컨버터에 사용된 하프 브리지가 아닌 풀 브리지 토폴로지를 기반으로 하지만, 장치의 다중 PWM은 이 추가 요구 사항을 쉽게 충족합니다.

무선 전력 송신기는 일반적으로 전력을 전송하기 위해 다중 무선 주파수(RF) 코일을 제공하며, 이 설계에서 브리지 인버터는 멀티플렉서(MUX)를 통해 세 개의 코일 중 하나에 연결됩니다. 풀브리지 인버터 및 전압 조절 프런트 엔드와 마찬가지로 이 설계는 dsPIC33의 통합 주변 장치를 최대한 활용하여 코일 MUX 스위칭을 관리합니다.

Microchip의 MIC4605 및 MP14700 게이트 구동기를 제어하는 것 외에도 dsPIC33 주변 장치는 다음을 수행합니다.

Microchip MCP23008 I/O 확장기를 통해 전원 표시기 발광 다이오드(LED) 제어
Microchip MCP2221A USB 브리지 장치를 통해 USB 연결 제공
Microchip이 라이선스가 부여된 WPC 제조업체 인증 기관(CA)으로 프로비저닝하는 Microchip ATECC608 인증 장치를 통해 WPC 호환 보안 스토리지 지원
Microchip ATA6563 CAN 플렉시블 데이터 전송률(FD) 장치를 통해 ISO 2622 기능 안전 지원 CAN 연결을 제공

또한 참조 설계는 Microchip의 MCP16331 벅 컨버터와 MCP1755 선형 조정기를 사용하여 보조 배터리 전원을 지원합니다.

상대적으로 적은 BOM으로 참조 설계는 고효율, 확장된 충전 영역, 유용한 Z 거리(송신기와 수신기 사이의 거리), 이물질 감지 및 주요 스마트폰에 사용되는 여러 고속 충전 구현 지원 등 모든 주요 기능을 제공합니다. 이 소프트웨어 기반 설계로 개발자는 송신기와 수신기 간의 독점 통신 프로토콜, Bluetooth와 같은 무선 연결 옵션 기능을 쉽게 추가할 수 있습니다.

콤팩트한 디지털 조명 솔루션 구현

dsPIC33 장치의 통합 기능은 차량 라인을 건드리지 않고 일부 정교한 기능을 추가해야 하는 자동차와 e-모빌리티 응용 제품에서 특히 중요합니다. 차량 제조업체는 고휘도 LED를 사용할 수 있게 되면서 외부 헤드라이트와 내부 조명에 보다 뛰어난 디자인 감각을 제공할 수 있게 되었습니다.

그러나 이러한 조명 서브 시스템의 개발자는 일반적으로 조명 장치 체인을 제어하기 위한 공통 통신 프로토콜을 제공하는 DMX와 같은 산업 표준을 지원하면서 더 많은 기능을 더 작은 패키지에 압축해야 합니다. 위에서 언급한 무선 전력 송신기 설계와 마찬가지로 소형 디지털 조명^[4] 솔루션을 위한 설계는 dsPIC33의 통합 주변 장치를 활용합니다(그림 6).

그림 6: 개발자는 Microchip Technology의 dsPIC33 DSC를 사용하여 차량에 눈에 띄지 않도록 기능을 내장하는 데 필요한 최소한의 실장 면적과 BOM으로 복잡한 설계를 수행할 수 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

다른 디지털 전력 응용 제품과 마찬가지로, 이 디지털 조명 설계는 DSPIC33의 통합 PWM, 아날로그 비교기 및 기타 주변 장치를 활용하여 완전하고 콤팩트한 디지털 조명 솔루션을 제공합니다. 위에서 언급한 설계 응용 제품과 마찬가지로 이 디지털 조명 솔루션은 dsPIC33 DSC의 처리 능력과 주변 장치가 독립적으로 작동하여 전원 장치, 송수신기, LED 등을 포함한 일련의 외부 장치를 모니터링하고 제어하는 능력에 의존합니다. 다른 Microchip 설계 사례에서는 보다 복잡한 디지털 제어 알고리즘과 첨단 모터 제어 시스템을 처리하는 dsPIC33 DSC의 고성능 처리 기능을 보여줍니다.

단일 dsPIC33 DSC로 고급 모터 제어 시스템 구현하기

dsPIC33 DSC의 성능을 통해 개발자는 단일 DSC를 사용하여 핵심 디지털 제어 루프와 다양한 보조 기능의 실행을 처리할 수 있습니다. 실제로 Microchip 이중 모터 설계{ph1}[5]{/ph1}에서는 단일 코어 dsPIC33CK DSC를 사용하여 영구 자석 동기식 모터(PMSM) 쌍에 대한 센서리스 자속 기준 제어(FOC)의 구현을 보여줍니다. 이 설계의 핵심은 각 모터 제어 채널, 모터 제어 1(MC1) 및 모터 제어 2(MC2)에 대해 인버터로 위상 변이 PWM 신호를 보내는 것입니다(그림 7).

그림 7: 고성능 처리 장치와 통합 주변 장치 덕분에 하나의 단일 코어 dsPIC33CK DSC 이중 모터 제어 설계를 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

이 접근 방식에서 dsPIC33CK의 PWM은 각 모터 제어 채널에 필요한 파형을 생성하고 최적의 순간에 개별 ADC를 트리거하도록 구성됩니다. 각 ADC가 변환을 완료하면 dsPIC333CK가 해당 판독값 세트에 대해 FOC 알고리즘을 실행하도록 하는 인터럽트를 실행합니다.

단일 dsPI33CK DSC는 보다 강력한 모터 제어 응용 제품도 처리할 수 있습니다. 고성능 전기 스쿠터(E-스쿠터)용 참조 설계에서 dsPIC33CK는 브러시리스 DC(BLDC) 모터를 구동하는 3상 인버터용 Microchip MIC4104 게이트 구동기 및 다중 FET를 제어합니다(그림 8).

그림 8: 개발자는 단일 코어 dsPIC33CK를 사용하여 몇 가지 추가 부품만으로 강력한 전동 스쿠터 모터 제어 서브 시스템을 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

전동 스쿠터 참조 설계^[6]는 BLDC 모터의 역기전력(BEMF)과 홀 효과 센서 출력을 모니터링할 수 있기 때문에 센서리스 및 센서 작동 모드를 모두 지원합니다. 18V ~ 24V의 입력 전압 소스를 사용한 설계로 350와트의 최대 출력 전력을 제공합니다.

이 설계의 추가 확장^[7]에서, Microchip은 모터가 차량 배터리 공급보다 높은 전압 수준에서 BEMF를 생성함에 따라 에너지 회수를 위해 EV 및 HEV에 사용되는 회생 제동을 추가로 보여줍니다. 여기서 증강 설계는 추가적인 dsPIC33CK 핀을 사용하여 브레이크에서 오는 신호를 모니터링합니다. 제동이 감지되면 DSPIC33CK는 먼저 인버터 하이사이드 게이트를 꺼 회수된 전기 에너지를 DC 버스 전압보다 높은 수준으로 부스트한 다음 로우사이드 게이트를 꺼 전류가 소스로 다시 흐를 수 있도록 합니다.

개발자는 단일 코어 dspic33CK를 이중 코어 dsPIC33CH DSC로 교체하여 이 설계를 확장해 더 많은 기능을 지원할 수 있습니다. 이러한 설계에서 한 코어는 최소한의 코드 변경으로 BLDC 모터 제어 및 회생 제동 기능을 관리할 수 있고, 다른 코어는 추가적인 안전 기능이나 높은 수준의 응용 제품을 실행할 수 있습니다. 이중 코어 DSPIC33CH를 사용하면 모터 제어 개발 팀과 응용 제품 개발 팀이 별도로 작업할 수 있으며, DSC에서 실행할 수 있도록 제어 기능을 원활하게 통합할 수 있습니다.

맞춤형 모터 제어 설계를 위한 Microchip의 motorBench Development Suite는 개발자가 중요한 모터 파라미터를 더욱 정확하게 측정하고 제어 루프를 조정하며 Microchip의 모터 제어 응용 제품 프레임워크(MCAF) 및 모터 제어 라이브러리에서 소스 빌드를 생성할 수 있도록 지원하는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 도구 세트를 제공합니다.

결론

Microchip Technology의 dsPIC33 DSC를 사용하는 개발자에게는 기존 자동차와 e-모빌리티 응용 제품을 위한 광범위한 디지털 전력 설계를 구현에 비교적 적은 수의 추가 부품만이 필요합니다. 다양한 소프트웨어 도구와 참조 설계를 기반으로 하는 단일 코어 및 이중 코어 dsPIC33 DSC는 전력 변환, 무선 충전, 조명 및 모터 제어용으로 최적화된 솔루션을 빠르게 개발하기 위한 확장 가능한 플랫폼을 제공합니다.