전자 제품에서 펄스 폭 변조의 역할

펄스 폭 변조(PWM)는 고정 주파수에서 전기 신호를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 전기 신호의 유효 출력을 조절하는 전력 제어 기술입니다. 총 주기 기간에 대한 'ON' 시간의 비율을 조정함으로써, 디지털 소스는 다양한 아날로그 전압 레벨을 에뮬레이션함으로써 부하에 전달되는 평균 에너지를 제어할 수 있습니다.

보다 넓은 의미에서, 변조란 전기 파형에 정보를 변경하거나 인코딩하여 회로 또는 시스템의 동작에 영향을 미치는 것을 의미합니다. 실제 전자 제품에서, 이는 데이터를 전송하거나 장치에 도달하는 전압 또는 전류의 양을 관리할 수 있도록 신호를 형성하는 것을 의미합니다. 이 원리는 모터 구동, 조광 가능한 조명, 오디오 시스템, 전력 변환 또는 배터리 충전 회로에 널리 적용됩니다.

신호의 감지된 크기 또는 주파수를 조작하기 위한 주요 전략들인 PWM, 진폭 변조(AM), 주파수 변조(FM) 중, 이 기사에서는 특히 PWM에 대해 집중적으로 설명합니다.

PWM 기본 사항 - 듀티 사이클 및 스위칭 주파수

앞서 언급했듯이 PWM은 부하에 전달되는 유효 전압과 전류를 조정하여 파형을 형성합니다. 이는 스위칭 장치(일반적으로 트랜지스터)를 완전한 ON 상태와 완전한 OFF 상태 사이에서 빠르게 구동함으로써 달성됩니다. 시스템은 스위치가 각 상태에 머무는 시간을 변화시킴으로써, 높은 구간과 낮은 구간의 상대적인 지속 시간을 통해 정보를 인코딩합니다.

실제로 PWM은 각 스위칭 주기 동안 전체 공급 전압을 받는 시간을 변경하여 장치에 공급되는 순 전력을 제한합니다. 'ON 상태의 시간'을 늘리면 평균 출력 전압이 높아지고, 이를 줄이면 부하가 보는 유효 레벨이 낮아집니다. 이 동작은 듀티 사이클과 스위칭 주파수라는 두 가지 주요 파라미터로 규정됩니다.

듀티 사이클은 전체 파형 주기에서 신호가 활성 또는 높은 상태인 시간이 차지하는 비율을 의미합니다. 일반적으로 백분율(%)로 표시되며 각 사이클에서 출력이 얼마나 유지되는지를 나타냅니다. 예를 들어 디지털 파형이 3밀리초간 높게, 1밀리초 간은 낮게 유지되는 경우, 총 주기는 4밀리초이므로 75% 듀티 사이클과 해당 스위칭 주파수는 250Hz가 됩니다.

듀티 사이클은 각 펄스의 전원이 공급되는 부분의 지속 시간을 직접 정의하기 때문에, 이를 수정하면 실제 공급 전압을 변경하지 않고도 높은 시간과 낮은 시간의 비율을 변경하여 부하에 공급되는 유효 전력을 제어할 수 있습니다. 많은 시스템에서 전압과 주파수는 고정 파라미터이며, 듀티 사이클은 조정 가능한 주요 제어 변수로 남게 됩니다. PWM 구동 발열체와 같은 응용 제품에서 듀티 사이클 모니터링은 시스템이 의도한 전력 레벨을 제공하고 있다는 신뢰할 수 있는 지표가 되기도 합니다.

스위칭 주파수는 주어진 기간 동안 이벤트가 반복되는 횟수를 나타냅니다. 이 맥락에서는, PWM 신호를 구동하는 스위칭 장치에서 초당 ON-OFF 전환 횟수를 의미합니다. 이 속도는 헤르츠(Hz) 단위로 측정되며, 전력 스테이지가 전체 작동 기간 동안 얼마나 빨리 순환하는지를 나타냅니다.

부하가 의도한 대로 작동하도록 하려면 적절한 PWM 스위칭 주파수를 선택하는 것이 중요합니다. 특정 응용 제품에 대해 주파수를 지나치게 높게 설정하면, 기계적 부품(예: 계전기 또는 특정 유형의 액추에이터)이 빠른 전환을 따라잡지 못해 조기에 고장날 수 있습니다. 반대로 스위칭 주파수가 너무 낮으면 제어 장치에서 가청 잡음, 진동 또는 불안정성과 같은 바람직하지 않은 효과가 발생할 수 있습니다. 예를 들어 전기 모터 구동에는 비교적 낮은 주파수가 허용되지만, LED와 같은 반도체 부하는 부드럽고 깜박임 없는 작동을 위해 훨씬 더 높은 스위칭 속도가 필요한 경우가 많습니다.

PWM의 장단점

PWM의 주요 장점은 스위칭 장치의 전력 소모가 매우 적기 때문에 효율성이 뛰어나다는 점입니다. 스위치가 꺼져 있으면 전류가 거의 흐르지 않으며, 완전히 켜져 있으면 장치 전체의 전압 강하가 최소화됩니다. 따라서 선형 제어 방식에 비해 전도 및 스위칭 손실이 크게 감소됩니다. 또한 다음과 같은 장점도 제공합니다.

• 풀 온/풀 오프(Fully-on/Fully-off) 작동으로, 선형 조정기보다 열 방출이 적습니다.
• 제어 신호는 본질적으로 바이너리이므로, 디지털 논리와 원활하게 통합할 수 있습니다.
• 모터, 조명 또는 전력 변환기를 제어할 때 전반적인 에너지 효율이 향상됩니다.
• 듀티 사이클을 조정하여 유효 전압 또는 전류를 정밀하게 제어합니다.
• 간소화된 회로, 보통 더 적은 수의 아날로그 부품 또는 피드백 루프를 필요로 합니다.
• 전원 공급 장치부터 액추에이터까지, 다양한 전자 시스템에 걸쳐 광범위하게 적용 가능합니다.

PWM은 다양한 기능을 갖춘 효율적인 기술이지만, 몇 가지 엔지니어링 과제를 안고 있습니다. 몇 가지 주요 단점은 다음과 같습니다.

• 매우 높은 작동 주파수에서는 스위칭 손실이 증가합니다.
• 전압 오버슈트 또는 과도 현상이 발생할 수 있습니다.
• 전자파 장해(EMI) 및 고조파가 생성되며, 그런 경우 필터링이 필요할 수 있습니다.
• 고전력 시스템에서 스위칭 소자 및 레이아웃에 대한 고려 사항이 더욱 까다로워짐에 따라 설계 복잡성이 증가합니다.

실제 스위칭 주파수 및 듀티 사이클

PWM 동작은 듀티 사이클과 스위칭 주파수 모두에 의해 정의되므로, 각 파라미터는 대상 부하의 전기적 특성 및 기계적 특성에 알맞게 정해져야 합니다. 다음 제품 적용의 예시(모두 Same Sky에서 지원됨)는 이러한 값이 일반적으로 디바이스 유형에 따라 어떻게 달라지는지 설명합니다. 다음은 각 전자 부품에 대한 권장 사항입니다.

• 팬: 대부분의 냉각 팬은 0% ~ 100% 듀티 사이클 창을 통해 완전히 꺼진 상태로부터 최대 풍량까지 속도를 조절하는 20kHz ~ 25kHz 범위의 PWM 주파수와 함께 사용할 때 가장 잘 작동합니다. 스위칭 속도가 높을수록 잡음이 줄어들고 더 부드러운 회전을 구현할 수 있습니다. 일반적으로 제조업체는 적절한 시작 동작, 속도 안정성 및 음향을 보장하기 위해 선호하는 PWM 파라미터를 지정합니다. Same Sky는 다양한 AC 및 DC 팬 하드웨어를 제공합니다.
• 버저: 피에조 또는 마그네틱 버저의 경우, PWM 주파수는 일반적으로 1kHz ~ 10kHz이므로, 사람의 가청 스펙트럼(20Hz~20kHz) 범위 내에 있습니다. 듀티 사이클을 변경하면 사운드 강도가 조정되는데, 일반적으로 50% 듀티 사이클이 왜곡을 최소화하면서 강력한 출력을 제공합니다. 많은 버저가 좁은 범위의 공진 주파수에 맞춰져 있으므로, 반드시 규격서를 참조해야 합니다. Same Sky는 다양한 종류의 오디오 버저를 제공합니다.

그림 1: 약 15% 듀티 사이클로 구동되는 버저는 동일한 주파수에서도 50%로 작동되는 버저보다 상당히 조용한 톤을 생성합니다(이미지 출처: Same Sky).

• 초음파 센서: 초음파 트랜스듀서는 일반적으로 깨끗하고 대칭적인 초음파 버스트를 생성하는 데 널리 사용되는 50% 듀티 사이클과 함께 20kHz ~ 400kHz 범위의 PWM 주파수에 의존합니다. 정확한 값은 특정 센서 설계에 따라 크게 달라지므로, 항상 반드시 제조업체의 지침을 따라야 합니다. Same Sky는 초음파 감지 부품의 완벽한 포트폴리오를 제공합니다.

   

• 펠티에 장치: PWM으로 열전 모듈을 제어할 때는 일반적으로 300Hz에서 3kHz 사이의 스위칭 주파수를 사용하는 것이 좋습니다. 듀티 사이클 조정을 통해 냉각 또는 가열 출력을 결정함으로써 정밀한 열 조절이 가능합니다. 다시 강조하지만, 모듈 신뢰성을 위해서는 규격서에 나온 권장 사항을 반드시 지켜야만 합니다. Same Sky는 단일 스테이지, 다중 스테이지 및 통합 냉각 조립품을 포함한 다양한 펠티에 장치를 제공합니다.

요약

변조란, 제어된 신호 형성을 통해 장치 또는 시스템의 동작을 변경하거나 통제하는 것을 의미합니다. 특히 PWM은 수많은 전자 응용 제품에서 전력 공급을 조절하는 데 매우 효율적인 기술입니다. PWM은 디지털 파형의 듀티 사이클을 변화시켜 낮은 전력 손실을 유지하면서 정밀한 아날로그 스타일의 제어를 제공하므로, 모터 구동부터 조명, 감지 및 열 관리 시스템에 이르는 모든 분야에서 선호되는 접근 방식입니다.