PWM`이란?
PWM은 ‘Pulse Width Modulation’의 약자로, 다양한 폭을 가진 펄스파를 생성하는 기술입니다. 펄스파는 디지털 신호이지만, 다양한 펄스파를 조합하여 정현파를 비롯한 다양한 유사 아날로그 신호로 변환할 수 있습니다.
PWM은 일정한 주기로 펄스 폭을 변조시키는 기술입니다. 펄스 폭이 일정하고 주파수를 변조하는 PFM이라는 기술도 있어 구분되지만, 둘 다 통전/비통전 스위칭에 이용됩니다.
PWM의 사용 용도
PWM은 일반적으로 전원 공급장치의 전압 제어와 반도체에 대한 통전 및 비통전 사이클 제어에 사용됩니다. 특히 DC 모터를 효율적으로 제어하기 위한 목적으로 많이 사용됩니다. 모터에 대한 전압 인가 시간을 제어함으로써 실행 전압을 제어할 수 있습니다.
또한, 인버터 회로에서 변조된 교류를 생성할 때 PWM을 이용하여 다양한 폭의 펄스 전압을 생성하고, 이를 합성하여 직류-교류 변환을 할 수 있습니다. 또한, 인버터 회로뿐만 아니라 스위칭 전원의 제어, 빛의 색상에 영향을 주지 않도록 LED의 조광 등에도 PWM이 사용되고 있습니다.
PWM의 원리
펄스 폭 변조를 하는 PWM 회로는 트랜지스터를 이용하여 회로의 스위치 온/오프(Switch On/Switch Off)를 반복하여 다양한 폭의 펄스파를 생성합니다.
PWM에서는 일정한 주기로 펄스폭을 변조하기 때문에 듀티 사이클을 변화시키고 있습니다. 듀티 사이클은 펄스 폭을 주기로 나눈 것으로 ‘%(퍼센트)’로 표시합니다. 전압 제어에서는 펄스 전압과 듀티 사이클을 합산한 것이 실행 전압이 되며, 듀티 사이클 100%의 경우 직류 전원을 사용했을 때와 동일합니다.
PWM을 이용하여 전압 제어를 할 경우, 전원이 꺼지는 시간이 발생하기 때문에 상시 작동하는 직류 전원을 사용하는 것보다 전력 효율이 높아진다는 특징이 있습니다. 또한, 마이컴 등의 디지털 회로에서 펄스파를 합성하는 것만으로 의사 아날로그 신호를 생성할 수 있기 때문에 D/A 컨버터 등을 사용하지 않고 디지털 회로만으로 구성된 아날로그 변환 회로를 구축할 수 있습니다.
PMW의 기타 정보
1. 제어
전자회로로 부하를 동적으로 제어하는 경우, 부하를 정전압으로 제어하는 방법과 부하를 정전류로 제어하는 방법 외에 부하를 PWM으로 제어하는 방법이 있습니다.
최근에는 환경 문제, 에너지 문제 등으로 인해 보다 에너지 효율이 높은 방법이 유행하고 있습니다. 정전압 제어나 정전류 제어 등 선형 방식이 효율이 떨어지는 이유는 다음과 같습니다.
- 안정화를 위해 몇 V의 마진이 필요합니다.
- 전압 또는 전류를 압착할 경우 압착된 성분은 회로 내에서 소비되어 손실이 발생합니다.
예를 들어, 최대 전압 10V 전류 용량 2A의 안정화 전원을 5V2A로 사용하는 경우, 전원 회로의 전원부에서 소비되는 손실 전력은 전원부의 입력 전압을 12V로 하면 (12V-5V)x2A=14W가 되고, 부하에서 소비되는 전력은 5V×2A=10W가 됩니다.
부하에서 소비되는 전력의 1.4배의 전력이 회로 내에서 손실로 소비됩니다. 전력 소모가 많을 뿐만 아니라 사용 부품도 많아져 비용, 크기, 무게가 증가합니다다.
반면, PWM 제어는 출력 전압은 변하지 않고 펄스의 폭을 출력에 따라 가변하는 제어 방식으로, 예를 들어 10V에서 듀티비 50%의 PWM이라면 겉보기 구동 전압은 5V가 되어 이론상 손실이 없고 실제 효율이 매우 좋은 방식이라고 할 수 있습니다.
2. 듀티비
PWM 제어에서 듀티비라는 단어가 자주 등장합니다. 이것은 펄스 폭/주기이며, 듀티비 50%의 PWM 파형에서 H와 L은 같은 폭을 가집니다.
듀티비를 변경하면 겉보기 전압이 변경됩니다. 예를 들어, 10V의 PWM에서 듀티비를 0%→25%→50%→75%→100%로 변경하면 부하에 가해지는 겉보기 전압은 0V→2.5V→5V→7.5V→10V가 됩니다.
마이크로컴퓨터 등에서 아날로그 신호를 출력하려면 D/A 컨버터가 필요하지만, PWM을 사용하면 PWM의 스위칭 주파수를 적당히 가져와 마이크로컴퓨터 등에서 프로그래머블하게 듀티비를 가감하면 마이크로컴퓨터의 I/O 단자로 아날로그 신호를 유사하게 만들 수 있다, 디지털 신호 레벨까지 임의의 아날로그 신호를 생성할 수 있습니다.
이 경우 I/O 단자에 적절한 LPF를 삽입하여 PWM의 스위칭 주파수 성분과 그 고조파 성분을 제거해야 합니다.
3. PWM 제어의 노이즈
PWM 제어가 모터의 동작 제어와 인버터의 고효율화를 위해 많이 사용되는 것은 앞서 언급한 바와 같지만, PWM 제어로 인한 노이즈 문제가 사용자들을 괴롭히는 문제 중 하나입니다. 다양한 스위칭 주파수의 노이즈를 생성합니다.
이 주파수는 대략 30~40MHz로 주변 사람이나 환경에 대한 소음 문제뿐만 아니라 저주파 대역을 사용하는 AM 라디오나 센서 등에 노이즈로 영향을 미칩니다. 따라서 어떤 식으로든 소음 대책이 필요한 경우가 많습니다. 구체적인 대책으로는 인버터 장치의 경우, 장치를 하우징으로 덮거나, 전원 케이블을 짧게 하거나, 페라이트나 LC 초크 등의 노이즈 필터를 삽입하는 등의 방법을 들 수 있습니다.
PWM 제어에서는 이 스위칭 주파수를 사용자가 변경할 수 있는 경우도 있으므로 시도해 보는 것도 한 방법이다. 스위칭 캐리어 주파수를 낮추면 전체 스위칭 노이즈 자체는 줄일 수 있지만, 일반적으로 모터의 노이즈는 더 커집니다.