펄스 폭 변조(PWM)는 마이크로컨트롤러가 고속으로 신호를 켜고 꺼서 전력을 제어하는 데 사용하는 방법입니다. LED, 모터, 서보, 오디오 및 전력 시스템에 사용됩니다. 이 기사에서는 PWM 기본 사항, 듀티 사이클, 타이머 작동, 모드, 주파수, 분해능 및 고급 기술에 대해 명확하게 자세히 설명합니다.
씨1. 펄스 폭 변조(PWM) 개요
씨2. 펄스 폭 변조 듀티 사이클
씨3. 펄스 폭 변조 타이머
펄스 폭 변조(PWM) 개요
PWM 타이머는 조정 가능한 듀티 사이클로 디지털 펄스 신호를 생성하는 마이크로컨트롤러 내부의 내장 하드웨어 모듈입니다. 처리 능력을 소모하고 타이밍 지터를 위험에 빠뜨리는 핀을 토글하기 위해 소프트웨어에 의존하는 대신 마이크로 컨트롤러는 이 작업을 하드웨어 타이머로 오프로드합니다. 이를 통해 CPU를 다른 작업을 처리하도록 확보하면서 정확성을 유지할 수 있습니다. 그 결과 모터 제어, LED 디밍, 오디오 변조 및 신호 생성과 같은 실제 애플리케이션에서 효율적인 멀티태스킹, 대기 시간 감소 및 더 나은 성능이 제공됩니다. PWM의 효율성과 정밀도는 디지털 제어와 아날로그 동작 사이의 격차를 해소하는 최신 임베디드 시스템의 중추가 됩니다.
펄스 폭 변조 듀티 사이클
파형은 0V와 5V 사이를 전환하는 반복 신호를 보여줍니다. 기간은 10ms로 표시되며, 이는 하나의 완전한 주기의 시간을 나타냅니다. 이 기간 내에 신호는 펄스 폭이라고 하는 3ms 동안 높음(5V)을 유지합니다. 그런 다음 듀티 사이클은 전체 기간에 대한 최고 시간의 비율로 계산되며 이 경우 30%를 제공합니다. 즉, 신호는 사이클당 시간의 30%만 전력을 공급합니다. 주파수는 또한 1 ÷ 10ms = 100Hz로 계산된 주기에서 파생됩니다.
마이크로컨트롤러 타이머의 듀티 사이클 계산
듀티 사이클은 파형의 전체 주기와 비교하여 신호가 켜진 총 시간의 양을 알려줍니다. 마이크로컨트롤러에서 이는 각 주기 동안 장치에 전송되는 전력의 양을 결정하기 때문에 중요합니다.
이를 계산하려면 듀티 사이클(%) = (펄스 폭 ÷ 주기) × 100이라는 간단한 공식을 사용합니다. 신호가 활성 HIGH인 경우 듀티 사이클은 신호가 HIGH를 유지하는 시간의 일부입니다. 신호가 활성 LOW인 경우 듀티 사이클은 신호가 LOW를 유지하는 시간의 일부입니다.
펄스 폭 변조 타이머
이 이미지는 전압 출력을 카운터에 연결하여 PWM 타이머가 작동하는 방식을 보여줍니다. 카운터는 0부터 9까지 반복적으로 계산한 다음 재설정되어 신호의 주기를 생성합니다. 카운터가 설정된 일치 값(여기서는 2)에 도달하면 출력이 높아지고 카운터가 오버플로될 때까지 높게 유지되어 펄스 폭을 정의합니다. 오버플로 지점은 주기를 재설정하여 새 기간을 시작합니다.
타이머는 출력이 켜지는 시점(일치)과 재설정되는 시점(오버플로)을 제어하여 듀티 사이클을 결정합니다. 일치 값을 조정하면 높은 신호의 폭이 변경되어 PWM이 부하에 전달하는 전력의 양을 직접 제어합니다.
가장자리 정렬 및 중앙 정렬 PWM 모드
가장자리 정렬 모드
에지 정렬 PWM에서 카운터는 0에서 설정된 최대값까지만 카운트업되며 스위칭은 사이클의 시작 또는 끝에서 발생합니다. 따라서 대부분의 마이크로컨트롤러와 타이머가 기본적으로 지원하므로 구현이 간단하고 효율성이 높습니다. 모든 스위칭 에지가 주기의 한쪽에 정렬되기 때문에 고르지 않은 전류 리플과 더 높은 전자기 간섭(EMI)이 발생할 수 있습니다.
중앙 정렬(위상 수정) 모드
중앙 정렬 PWM에서 카운터는 각 주기 내에서 카운트를 올렸다가 다시 카운트합니다. 이를 통해 스위칭 에지가 파형의 중심 주위에 분산되어 보다 균형 잡힌 출력을 생성합니다. 대칭은 고조파, 모터의 토크 리플 및 전력 시스템의 EMI를 감소시킵니다. 주파수 활용 측면에서 약간 더 복잡하고 효율성이 떨어지지만 훨씬 더 깨끗한 출력 품질을 제공합니다.
올바른 PWM 주파수 선택
• LED 디밍은 눈에 보이는 깜박임을 제거하기 위해 200Hz 이상의 주파수가 필요한 반면, 디스플레이 백라이트 및 고품질 조명 시스템은 종종 20-40kHz를 사용하여 인간의 인식을 초월하고 노이즈를 최소화합니다.
• 전기 모터는 2-20kHz 사이의 PWM 주파수에서 가장 잘 작동하며 스위칭 손실과 토크 부드러움의 균형을 유지합니다. 값이 낮으면 듀티 사이클 분해능이 높아지고 값이 높으면 가청 소음과 리플이 줄어듭니다.
• 표준 취미 서보는 주파수가 아닌 펄스 폭이 각도 위치를 결정하는 약 50Hz(20ms 주기)의 고정 제어 신호에 의존합니다.
• 오디오 생성 및 디지털-아날로그 변환에는 간섭을 방지하고 신호를 깔끔하게 필터링할 수 있도록 22kHz 이상의 가청 스펙트럼보다 훨씬 높은 PWM이 필요합니다.
• 전력 전자 장치에서 주파수 선택은 효율성, 스위칭 손실, 전자기 간섭 및 특정 부하의 동적 응답 사이에서 균형을 이루는 경우가 많습니다.
PWM 해상도 및 스텝 크기
해상도(단계)
개별 듀티 사이클 레벨의 수는 타이머의 기간 수(N)에 의해 설정됩니다. 예를 들어, 카운터가 0에서 1023까지 실행되면 1024개의 고유한 듀티 사이클 단계가 제공됩니다. 카운트가 높을수록 출력을 더 세밀하게 제어할 수 있습니다.
비트 심도
분해능은 종종 비트로 표시되며 log₂(N)로 계산됩니다. 1024단계 카운터는 10비트 해상도에 해당하고 65536 카운터는 16비트 해상도에 해당합니다. 이는 듀티 사이클을 얼마나 정확하게 조정할 수 있는지를 정의합니다.
시간 단계
시스템 클럭은 1 ÷ fClock과 같은 가장 작은 증분을 결정합니다. 클럭 속도가 빨라지면 더 짧은 기간과 더 높은 PWM 주파수가 가능하면서도 미세한 해상도를 유지할 수 있습니다.
장단점
해상도를 높이려면 더 많은 타이머 수가 필요하며, 이는 결국 주어진 클럭에 대한 최대 PWM 주파수를 낮춥니다. 반대로, 주파수가 높을수록 사용 가능한 해상도가 감소합니다.
PWM 프리스케일러 및 기간 설정 예
| 단계 | 계산 | 결과 | 설명 세부 정보 |
|---|---|---|---|
| MCU 클럭 | - | 24 메가 헤르츠 | 타이머를 구동하는 기본 주파수입니다. |
| 프리스케일러 적용 ÷8 | 24 MHz ÷ 8 | 3 메가 헤르츠 | 타이머 클럭이 관리 가능한 계수 범위로 축소되었습니다. |
| 타이머 기간 | 3 MHz × 0.020 초 | 60,000 카운트 | 자동 재로드/기간 레지스터를 60,000으로 설정하면 20ms 프레임이 제공됩니다. |
| 틱당 해상도 | 1 ÷ 3 MHz | 0.333 μs | 각 타이머 증분은 \~0.33마이크로초입니다. |
| 서보 펄스 제어 | 1–2 ms 펄스 폭 = 3000–6000 틱 | 20ms 프레임 내에서 부드러운 각도 제어를 제공합니다. | - |
고급 PWM 채널 기술
데드 타임 삽입
데드 타임은 하프 브리지 또는 풀 브리지 회로에서 상보형 트랜지스터의 스위칭 사이에 삽입되는 작고 제어된 지연입니다. 이것이 없으면 하이사이드 장치와 로우사이드 장치가 동시에 순간적으로 전도되어 슛스루로 알려진 단락이 발생할 수 있습니다. 수십 또는 수백 나노초의 데드 타임을 추가함으로써 하드웨어는 안전한 전환을 보장하여 MOSFET 또는 IGBT를 손상으로부터 보호합니다.
보완 출력
보완 출력은 서로 논리적으로 반대되는 두 개의 신호를 생성합니다. 이는 푸시-풀 회로, 모터 드라이버 및 인버터 단계에서 특히 유용하며, 한 트랜지스터는 다른 트랜지스터가 켜질 때 정확하게 꺼져야 합니다. 상보형 PWM 쌍을 사용하면 드라이버 회로가 단순화되고 대칭이 보장되어 효율성이 향상되고 왜곡이 줄어듭니다.
동기 업데이트
여러 PWM 채널이 있는 시스템에서 동기식 업데이트를 통해 모든 출력을 동시에 새로 고칠 수 있습니다. 이 기능이 없으면 작은 타이밍 불일치(스큐)가 발생하여 작동이 고르지 않을 수 있습니다. 3상 모터 드라이브 또는 다상 변환기에서 동기화된 PWM은 균형, 원활한 성능 및 전자기 간섭 감소를 보장합니다.
교차 트리거링
교차 트리거링을 통해 타이머가 서로 상호 작용할 수 있으므로 하나의 PWM 이벤트가 다른 타이머를 시작, 재설정 또는 조정할 수 있습니다. 이 기능은 고급 제어 시스템 (Advanced Control System) 에서 강력하며, 여러 신호를 정확하게 조정할 수 있습니다. 응용 분야에는 채널 간의 타이밍 관계가 중요한 캐스케이드 모터 드라이브, 인터리브 전력 컨버터 및 동기화된 센서 샘플링이 포함됩니다.
PWM 신호를 사용한 서보 이동
| 펄스 폭 | 서보 무브먼트 |
|---|---|
| \~1.0 밀리초 | 완전히 왼쪽으로 회전하거나 최고 속도로 시계 방향으로 회전 |
| \~1.5 밀리초 | 중간에 머물거나 움직이지 않음 |
| \~2.0 밀리초 | 완전히 오른쪽으로 회전하거나 최고 속도로 시계 반대 방향으로 회전 |
결론
PWM은 디지털 시스템이 정확하고 효율적으로 아날로그 장치를 제어할 수 있도록 하는 주요 도구입니다. 듀티 사이클, 타이머 설정, 주파수 선택, 분해능 절충, 데드 타임 또는 감마 보정과 같은 고급 방법을 학습하여 안정적인 시스템을 설계할 수 있습니다. PWM은 조명, 모션, 오디오 및 전력 응용 분야에서 최신 전자 장치를 지속적으로 지원합니다.
자주 묻는 질문 [FAQ]
PWM이 전력 효율을 향상시키나요?
예. PWM은 장치를 완전히 켜거나 꺼서 아날로그 전압 제어에 비해 열 손실을 최소화합니다.
PWM은 전자기 간섭(EMI)을 생성합니까?
예. 빠른 스위칭은 EMI를 유발하는 고조파를 생성합니다. 중앙 정렬 PWM은 이를 줄이고 필터는 노이즈를 억제하는 데 도움이 됩니다.
PWM과 함께 저역 통과 필터를 사용하는 이유는 무엇입니까?
저역 통과 필터는 구형파를 평균 DC 전압으로 평활화하여 오디오, 아날로그 출력 및 센서 시뮬레이션에 유용합니다.
PWM이 발열체를 제어할 수 있습니까?
예. 히터는 느리게 반응하므로 낮은 PWM 주파수(10–100Hz)에서도 안정적인 온도 제어를 제공합니다.
위상 편이 PWM은 무엇에 사용됩니까?
채널 간 타이밍을 전환하여 전류 스파이크를 줄이고 다상 컨버터 및 모터 드라이브에서 흔히 볼 수 있는 부하의 균형을 맞춥니다.
마이크로컨트롤러는 PWM 지터를 어떻게 방지합니까?
이중 버퍼 레지스터와 동기화된 업데이트를 사용하므로 듀티 사이클 변경은 각 사이클이 시작될 때 깔끔하게 적용됩니다.