BLDC 모터의 수요가 증가하고 기술이 발전되면서, BLDC 모터 제어 시스템 개발 전략은 디스크리트 회로로부터 3가지 각기 다른 범주로 진화했다. 주요 접근방법은 시스템-온-칩과 특정용도 표준 제품, 그리고 2-칩 솔루션으로 분류할 수 있다.

이들은 필요한 부품 수와 설계 복잡성을 줄여준다는 장점이 있는 반면, 단점 또한 존재한다. 이 글에서는 각각의 접근방법에 대해 검토하고, 설계 시 발생하는 통합과 유연성 간의 상충관계에서 어떻게 균형을 맞출 수 있는지 설명한다.

고집적 반도체 제품은 컨슈머 제품뿐만 아니라 모터 제어 애플리케이션에서도 널리 활용되고 있다. 동시에 브러시리스 DC(BLDC, Brushless DC) 모터는 자동차와 의료 애플리케이션과 같은 시장에서 다른 유형의 모터에 비해 점유율이 높아지고 있다. 

BLDC 모터의 수요 증가 및 기술 발전이 진행되면서, BLDC 모터 제어 시스템 개발 전략은 디스크리트(discrete) 회로로부터 3가지 각기 다른 범주로 진화했다. 주요 접근방법은 시스템-온-칩(Systems on Chip, SoC)과 특정용도 표준 제품(Application-Specific Standard Products, ASSP), 그리고 2-칩 솔루션으로 분류할 수 있다.

이들 세 가지 주요 카테고리는 필요한 부품 수와 설계 복잡성을 줄여주기 때문에 모터 시스템 설계 엔지니어 사이에서 인기가 좋다. 그러나 각각의 전략은 그 자체의 강점과 약점을 가지고 있다. 

이 글에서는 각각의 접근방법에 대해 검토하고, 설계 시 발생하는 통합과 유연성 간의 상충관계에서 어떻게 균형을 맞출 수 있는지 설명한다. 

기본적으로 모터 시스템은 전원공급장치와 모터 드라이버, 그리고 제어 장치로 구성되어 있다. 그림 1은 기존의 디스크리트 모터 시스템 설계를 보여준다. 

하나의 모터 시스템은 일반적으로 내장 플래시 메모리가 내장된 간단한 RISC 프로세서가 외부 MOSFET을 구동하는 게이트 드라이버를 제어할 수 있으며 내장 MOSFET과 함께 프로세서와 드라이버에 전원을 공급하는 전압 레귤레이터를 통해 직접 모터를 구동할 수도 있다.

그림 1. 일반적인 디스크리트 BLDC 모터 시스템 블록 다이어그램

SoC 모터 드라이버에는 앞서 열거한 모든 블록이 통합되어 있다. 이 드라이버는 프로그래밍이 가능하므로 다양한 애플리케이션에서 사용할 수 있다. 또한 최적화가 필요한 공간 제약형 애플리케이션에 매우 이상적이다. 그러나 낮은 처리 성능과 제한된 내부 메모리로 인해, 높은 수준의 제어 성능이 요구되는 모터 시스템에서는 사용할 수 없다. 

SoC 모터 드라이버 IC의 또 다른 단점은 펌웨어 개발 환경의 부족 등 개발 툴이 제한되어 있다는 것이다. 하나의 특정 애플리케이션에만 최적화된 ASSP 모터 드라이버는 특정 분야를 지원하도록 설계됐다. 이 드라이버는 최소한의 공간을 차지하며 별도의 소프트웨어 조정이 필요 없다. 

또한 공간 제약형 애플리케이션에 매우 적합하다. 그림 2는 10핀 DFN 팬 모터 드라이버의 블록 다이어그램을 나타낸다. 이러한 유형의 드라이버는 대부분 대용량 애플리케이션에 초점을 맞추고 있으므로, ASSP는 가격 대비 성능이 뛰어나다.

그림 2. 독립형 팬 모터 드라이버 블록 다이어그램

그렇다고 해서 가격 대신 ASSP 드라이버에서 실행하는 모터의 성능을 낮추어야 한다는 뜻이 아니다. 예를 들어, 대부분의 현대 ASSP 모터 드라이버들은 과거에 고성능 마이크로컨트롤러를 필요로 하던 센서리스 알고리즘과 정현파 알고리즘을 사용해 BLDC 모터를 구동할 수 있다. 

그러나 ASSP 제품은 프로그래밍과 구동력(drive strength) 조정 기법이 부족하므로 변화하는 시장 수요에 대응하는 데 제한이 있다. 

오늘날 전자 제품은 대부분 높은 통합 수준을 갖추고 있으나, 풍부한 아날로그 드라이버와 지능형 아날로그 마이크로컨트롤러를 갖춘 2-칩 솔루션에 대한 수요 증가를 견인하는 애플리케이션도 많다. 

2-칩 전략은 설계자가 사다리꼴 또는 정현파 구동 기술을 사용해 센서 또는 센서리스 전류(com- mutation)를 지원하는 광범위한 마이크로컨트롤러에서 선택할 수 있도록 한다. 이 방법은 관련 드라이버 칩 선택이 중요한데, 이상적인 컴패니언 칩은 적어도 다음과 같은 기능을 포함해야 한다.

•‌ ‌전력 소모를 줄이고 광범위한 마이크로컨트롤러에 전원을 공급하는 조정 가능한 고효율 전압 레귤레이터
• ‌안전한 모터 동작을 보장하고 호스트와 드라이버 사이의 양방향 통신을 허용하는 모니터링 및 하우스키핑 블록
• ‌추가적인 프로그래밍 없이도 성능을 최적화할 수 있는 선택적 파라미터
• ‌MOSFET 또는 BLDC 모터에 적합한 정격 출력 드라이버

그림 3은 브러시리스 모터의 일종인 영구자석 동기 모터(PMSM, Permanent-Magnet Synchronous Motor)의 FOC(Field Oriented Control)를 위해 6개의 N채널 MOSFET을 구동하는 고성능 디지털 신호 컨트롤러(DSC)와 다기능 3상 모터 드라이버를 결합한 2-칩 솔루션의 예를 나타낸다.

그림 3. 외부 MOSFET을 이용한 2-칩 BLDC 솔루션

간단한 6단계 제어 아키텍처로 충분한 경우에는 DSC를 저가형 8비트 마이크로컨트롤러로 대체할 수 있다. 이럴 경우 유사한 정격 출력의 BLDC 모터를 선택했을 경우 구동 회로를 변경하지 않고 수행할 수 있다.

요약하면, 모터 시스템 설계자가 SoC나 ASSP 모터 드라이버를 사용할 경우 중간 수준의 유연성을 확보하면서 사용 부품을 최소화할 수 있다. 그러나 이러한 고집적 솔루션들은 고정된 기능과 제한된 메모리 용량, 그리고 처리 능력의 한계가 있다. 표 1은 3가지 주요 BLDC 모터 제어 전략을 비교해 보여준다.

표 1. BLDC 모터 제어 전략의 비교

현대 모터 제어 및 드라이버 솔루션은 선택한 BLDC 모터에 최적화된 시스템을 만들 수 있는 한편, 디스크리트 설계에 비해 BOM(bill-of-material) 비용과 시스템 개발 시간을 감소시켜 준다. 또한 반도체 회사가 제공하는 하드웨어와 펌웨어 레퍼런스 설계 및 라이브러리를 사용하면 첨단 모터 제어와 구동 개념을 도입함으로써 개발 시간을 크게 단축시키는 효과를 가져올 수 있다. 

Brian Chu _ 마이크로칩테크놀로지