LED 조명 개발자들은 더 높은 에너지 효율을 위해 새로운 반도체 조명 솔루션을 연구하고 있다. 이 연구에서 핵심이 되는 것은 플래시 기반의 소형 마이크로컨트롤러이다. 여기서는 임베디드 제어 엔지니어들이 합리적인 가격의 소형 8핀 마이크로컨트롤러를 선호하는(또는 선호하게 될) 이유 열 가지를 알아 본다. 각 요소들은 LED 드라이버 개발자들이 직면한 특정 문제에 대해 해결책을 제시할 것이다.
마이크로칩 테크놀로지의 PIC12HV752는 LED 조명 개발자들을 위해 개발된 합리적인 가격의 소형 혼합신호 마이크로컨트롤러다. 보다 구체적으로 설명하면, 이 계통의 엔지니어들은 보다 높은 에너지 효율을 얻기 위해 새롭고 혁신적인 반도체 조명(SSL ; Solid State Lighting) 솔루션을 모색하고 있다. 또한 ‘조명에 지능을 추가’하여 제품의 차별화도 도모한다. 통신 기능이든, 고급 센싱이나 터치 입력, 혹은 단순히 더 많은 유연성을 제공하든, 즉 어떤 방법으로 달성하는가에 관계없이 핵심이 되는 요건은, 플래시 기반 소형 마이크로컨트롤러 형태로 이루어진 ‘두뇌’의 존재이다. 유감스럽게도(아니 어쩌면 다행스럽게도), 이러한 애플리케이션들은 대량 생산될 가능성이 있으므로 항상 해당 솔루션의 총비용에 주의해야 하며, 크기의 경우에도 마찬가지이다.
그러므로 다음 열 가지 요점에서 설명하는 특징들이 궁극적으로 회로 전반의 비용과 크기를 크게 줄여준다는 것은 당연한 부분이다.
여기서는 복잡성을 피하기 위해 대부분 벅(Buck) 또는 플라이백(Fly-back) 컨버터 토폴로지로 설명한다. 전문가라면 자신이 선택한 토폴로지와 손쉽게 연관시킬 수 있을 것이다.
1. 고전압 전원 직접 공급
단순한 (아날로그) DC/DC 컨버터 회로 등에 마이크로컨트롤러를 추가할 때 제일 먼저 고려해야 할 사실은, 이러한 MCU들이 자체 전원 공급에 대해 매우 까다로울 수 있다는 것이다. 그러나 PIC12HV752를 사용할 경우 정격 5V 레일 공급 문제로 고민할 필요가 없다. 부품번호 중 ‘HV’ 부분은 이 디바이스가 온-칩 션트 레귤레이터를 포함하고 있다는 것을 알려준다. 따라서 저항 하나만 직렬 연결한 뒤 바로 고전압 입력 소스에 연결하면 된다.
션트(제너 다이오드와 비슷하게 작동)는 흡수되는 전류량을 필요에 따라 조절함으로써 저항상의 전압강하가 그 (Vdd-GND) 단자에 걸리는 전압을 항상 5V(±10%) 이내로 만들 수 있도록 한다. 정격 전원 생성을 위해 필요한 최소 전류량은 －40∼＋85℃ 범위에서 1mA이다. 이를 제외하고는 필요한 최소 저항은 물론, 그 출력도 옴의 법칙을 이용하여 마음대로 결정할 수 있다.
PIC12HV752에는 적절한 파워업 시퀀싱을 위한 파워-온 리셋 회로와 전력 사이클링 시 안전한 작동을 보장하기 위한 전압저하 감지 회로가 포함되어 있으므로, 외부 부품을 사용할 필요가 없다.
2. 공급 전압 모니터링
파워-온 및 파워 사이클링 조건 외에도 절대적인 전압 레퍼런스가 필요한 이유는 여러 가지가 있다. 외부 연결이 필요 없이 10비트 아날로그/디지털 컨버터(ADC) 입력 채널 및 아날로그 비교기 입력에 직접 입력될 수 있는 1.2V 출력(표준 동작 시)의 고정 전압 레퍼런스(FVR ; Fixed Voltage Reference)가 PIC12HV752에 포함된 이유는 이 때문이다.
이를 통해 마이크로컨트롤러는 자신의 Vdd를 절대 전압과 비교할 수 있으므로, 배터리 전원 공급 시 배터리 잔량 부족(Low Battery) 상태를 감지하거나 플라이백 애플리케이션에서 짧은 초기 부트스트랩 후 션트 레귤레이터(‘직접 고전압 서플라이’ 부분 참조)를 대치하도록 설계된 2차 공급의 전압 출력 조정에 유용하다. 후자는 매우 적은 연산 비용으로 회로의 전반적인 효율성을 향상시킨다.
3. 더 빠른 작동 속도
PIC12HV752 내부에 제공되는 아날로그 비교기 모듈은 일상적인 마이크로컨트롤러에서 기대하는 전형적인 디바이스가 아니다. 이 디바이스는 30ns 이하의 우수한 응답시간을 제공하며, 이는 최고 500kHz의 속도로 작동 시 벅 컨버터를 통해 피크 전류를 제어할 필요가 있을 경우 매우 유용하다. 대부분의 저가형 DC/DC 컨버터는 실제로 이러한 한계에 훨씬 못 미치며, 최상의 비용/크기 절충을 위해 150∼250kHz 범위에서 무난히 작동하게 된다.
독자들 중에는 이 비교기를 보다 낮은 전력 모드로 전환하여, 전력 소비와 속도를 맞바꿀 수 있는 옵션에 관심이 있는 사람이 분명 있을 것이다. 실제로, 응답 시간을 200ns 범위로 늦춰 주는 저전력 모드는 모듈의 전력 소비를 크게 줄여 준다. 이는 배터리로 동작하는 대체 애플리케이션에서 비교기를 전압 임계값(Threshold) 감지기로만 사용할 경우 유용한 옵션이 될 수 있다.
4. 감지 손실 감소
비교기와 함께 전형적인 벅 또는 플라이백 컨버터 토폴로지에서 동작하도록 설계된 PIC12HV752는 5비트의 ‘제한 범위’를 가진 DAC 모듈을 제공하며, 피드백 회로에서 피크 전류 감지기 역할을 하는 적절한 내부 연결부를 갖추고 있다. 5비트로는 대부분의 기본적인 조절 애플리케이션에 충분치 못하다고 생각하는 독자들을 위해, 이 모듈의 실제 작동 방식에 대해 설명한다.
전류(피크) 감지 방식은 효율성을 위해 부하(LED 스트링)에 최대한 작은 직렬 저항을 적용하여 이루어진다. 실제로 이 저항 값이 수백(300)mV의 피드백을 제공하는 것을 확인할 수 있다. 이보다 크면 에너지가 낭비되고, 이보다 작으면 신호대 잡음비(SNR)가 낮아서 문제가 된다. 이 신호가 (고속) 비교기의 한 쪽에 연결되고 DAC는 트립 포인트 설정을 위해 다른 쪽에 연결될 경우, DAC 모듈은 특히 0∼300mV 범위에서 최상의 해상도를 제공하게 된다. 이것이 바로 PIC12HV752 ‘제한 범위’ 모드의 동작 방식으로, 비용 부담 없이 9비트 DAC와 같은 유효 해상도(10mV@5V)를 제공한다.
5.스위칭 손실 감소
출력 전압이 상대적으로 낮을 경우(스트링이 짧거나 단일 LED), DC/DC 컨버터 디자인에 동기식 스위칭 토폴로지를 사용하여 효율성을 높이고 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
본질적으로, 모든 벅 및 부스트 토폴로지에 존재하는 ‘플라이백’ 다이오드의 순방향 전압 강하를 손실의 원인으로 볼 수 있다. 이를 이차 능동소자로 대체하면 이와 같은 손실을 줄일 수 있지만, 대신 적절한 타이밍으로 구동하기 위해 추가 MOSFET과 최소한의 회로가 필요하다. PIC12HV752는 이 옵션을 간단히 해결해 준다. 비교기(또는 PWM 모듈)의 출력을 상보형 출력 생성기(COG ; Complementary Output Generator)라는 작은 모듈에 입력할 수 있으며, 이는 MOSFET 쌍을 구동할 수 있는 두 개의 상보형 출력 신호를 제공한다.
COG 모듈은 두 개의 출력 신호에 대해 추가적으로 제어함으로써 소위 불감대(Dead-band)를 제공하는데, 이를 통해 두 MOSFET 게이트의 정전용량 때문에 발생하는 위험한 크로스바 효과(Shoot Through)가 생성되는 것을 방지할 수 있다.
실제로 COG를 사용하여 동기식 출력을 안전하게 제어할 수 있는 방법은 다음 항목들 외에도 많다.
•전류 피드백 상의 노이즈를 피하고 다수의 정류를 생성하기 위한 입력 귀선 소거(Input Blanking).
•외부 보상 회로 없이 시스템을 안정화시키기 위한 위상 지연
•선택 가능한 상승 및 하강 에지 소스 입력(PWM, 비교기, 핀)
•상승 및 하강 에지 불감대 개별 제어
•선택 가능한 셧다운 소스
•자동 재시동 활성화 기능
•자동 셧다운 핀 오버라이드 제어 기능
이 모든 기능들은 부품 수와 비용, 효율성 사이에서 이상적으로 절충할 수 있는 유연성을 제공한다.
6. MOSFET 구동
DC/DC 컨버터 조립에 필요한 부품 중에는 최소 하나의
(파워) MOSFET 디바이스가 항상 포함된다. PIC® 마이크로컨트롤러는 강력한 출력 싱크 및 소스 성능(25mA)으로 잘 알려져 있으나, MOSFET을 선형 영역 밖으로 유지하기 위해서는 더 많은 것이 요구된다.
MOSFET 드라이버는 흔한 제품이며 특별히 비싸다고 할 수도 없지만, 이는 어디까지나 상대적이다. PIC12HV752 최대의 장점은 선택된 두 개의 I/O 핀(물론 COG의 두 출력에 상응하는) 상에서 50mA라는 강력한 성능(싱크 및 소스)을 제공하여 비용을 절감해 준다는 것이다. 이러한 값들은 일부 디스크리트 MOSFET 드라이버 IC에서 제공하는 암페어 값과는 거리가 멀지만, 이러한 상충 관계는 매우 신중하게 평가할 필요가 있다.
한편으로는 (듀얼일 수 있는) MOSFET 드라이버에 추가로 드는 비용 및 공간 요건을 고려하고, 컨버터의 효율성을 떨어뜨리는 손실들과 함께 방열 문제도 고려해야 한다. 선택은 설계의 세부사항에 좌우된다.
예를 들어, 저전력 설계는 효율성 손실의 영향을 덜 받지만, 비용 문제에는 보다 취약하다. 첨단 (논리) MOSFET 디바이스의 가격은 천천히, 그러나 확실히 낮아지고 있으므로 대부분 보다 간단한 솔루션을 선호하는 방향으로 결정하도록 도와줄 것이다.
7. 전력 소모
이제 PIC12HV752가 하이브리드 솔루션을 제공하도록 개발되었다는 것을 알 수 있을 것이다. LED 드라이버 설계의 핵심부에 있는 DC/DC 변환 기능은 MCU가 간단한 초기 설정을 마친 후 아날로그 방식으로, 거의 완전히 자율적으로 수행된다.
이와 같은 애플리케이션들의 MIPS 요건은 아주 작기 때문에, 필자는 이를 제로-MIPS 솔루션이라고 부르곤 한다. 사실, 개발자가 MCU의 모든 ‘연산력’을 활용하는 것은 ‘지능’을 사용하기 위해서이다. 반면에 힘든 작업은 비교기(또는 PWM), DAC, COG 모듈의 교묘한 조합에 의해 백그라운드에서 이루어진다.
흥미로운 점은, 보다 지능적인 종류의 조명 솔루션을 수반한 다수의 애플리케이션들이 조명 장치가 활성화되어 있지 않을 때 무엇을 하느냐에 중심을 두고 있다는 것이다. 이 같은 경우, MCU는 깨어 있는(Alert) 상태로 동작해야 하므로 그 전력 소비는 애플리케이션의 전력 예산 전체에서 지배적인 요소가 된다.
PIC12HV752는 이 글을 작성하는 시점에서 시판 중인 모든 임베디드 마이크로컨트롤러 중 가장 낮은 활성 전력 소모값(절대적으로 가장 낮은 값은 아니라고 해도)을 가졌으며, 그 특성 값은 45㎂/MHz(@2V) 미만인 것으로 파악되었다.
이 디바이스가 비활동(휴면) 상태, 즉 코드를 실행하지 않고 모든 주변장치들이 비활성화되어 있을 때는 코어의 전력 소모가 10nA로 떨어진다. 이것은 너무 작은 값이기 때문에 독자의 책상 위에 있는 어떠한 기기의 해상도로도 측정이 어려울 수 있다.
8. 휘발성
PIC12HV752는 플래시 마이크로컨트롤러다. 이는 그 프로그램 메모리의 내용을 수십만 번이나 다시 쓸 수 있다는 뜻이다. 따라서 현장에 투입된 후에도 새로운 코드를 입력할 수 있어 제품 수명이 더욱 길어진다. 하지만 이것이 전부가 아니다. 마이크로컨트롤러는 런타임 시 자신의 플래시 프로그램 메모리 중 일부를 이용하여 파라미터들을 저장할 수 있다. PIC12HV752의 플래시 메모리는 10만 회의 지우기/쓰기 사이클과 40년에 달하는 데이터 보유 기간을 보장한다. 물론 이것은 일반 데이터 EEPROM의 기능과 정확히 동일하다는 것을 의미하는 것은 아니다. 하지만 PIC12HV752의 플래시 메모리는 많은 조명 애플리케이션에 있어서 다음과 같은 내용을 수행하는 데 충분하다.
•고유 시리얼 번호(재할당 가능) 저장
•일부 설정 값(전류, 전압, 온도…)의 영구적인 기록
•영구적으로 보정 값 기록
•로깅(Logging) 수행
•사용 카운트 유지
9. 공간
PIC12HV752는 8핀 패키지로 제공되며, 이는 높은 집적도와 유연한 내부 연결 때문에 가능하다. 여기에는 DIP8 및 SOIC8과 같이 (물리적으로) 비교적 큰 패키지들이 일부 포함되어 있는데, 이는 신속한 프로토타이핑과 실험실에서의 실험 작업에 매우 편리하다.
또한 3×3mm DFN(Dual Flat No Lead) 옵션과 같이 매우 작은 패키지들도 제공되는데, 이 옵션은 치수가 작으면서도 피치는 비교적 크기 때문에(0.6mm) 사용이 용이하고 조립 비용도 저렴하다.
10. 비용
PIC12HV752는 1만 개 기준으로 개당 가격이 0.56달러부터이며 BOM 비용이 가장 낮은 항목일 뿐만 아니라, 완전한 솔루션 제공을 위해 필요한 다른 부품 수가 매우 적다는 점도 주목할 만하다.
앞에서 이미 언급한 다른 모든 요소들 외에도 다음 요소들이 칩에 통합되어 있다는 사실을 고려해야 한다.
•8MHz, 4MHz, 1MHz, 31kHz에서 선택 가능한 출력 옵션을 가진 정밀 오실레이터(1%로 공장 조정됨)
•파워-온 및 브라운-아웃 감지 리셋 회로
•와치독 타이머
•4개의 타이머(8비트 3개, 16비트 1개)
•캡처 및 컴페어 PWM 모듈 1개
•각각의 I/O 핀에 있는 풀업/다운 저항
•회로 내 프로그래밍 및 디버깅 인터페이스
위의 열 가지 요점을 통해, 비용 효과적이며 효율적인 소형 LED 드라이버 개발을 위한 PIC12HV752 마이크로컨트롤러의 이점을 확인했을 것이다. 이와 유사하게, 아날로그 스위처가 제공하는 사용 용이성과 함께 마이크로컨트롤러의 지능과 유연성을 필요로 하는 다른 모든 DC/DC 변환 애플리케이션(소형 파워 서플라이, 배터리 충전기 등)도 이와 동일한 아날로그 통합과 단순성의 조합이 제공하는 이점을 누릴 수 있다.
Lucio Di Jasio / Microchip Technology Inc.
