스몰 DC 모터 구동

브러시 DC 모터는 자동차부터 산업 응용 제품, 소비자 제품에 이르기까지 모든 산업에서 사용됩니다. 이들은 차량의 와이퍼, 재봉틀, 드릴, 공기 압축기, 심지어 장난감 자동차에서도 찾아볼 수 있습니다. 일부 더 현대적인 응용 프로그램에서는 더 효율적이고 높은 토크의 브러시리스 모터를 사용하지만, 이러한 모터는 구동을 위해 훨씬 더 많은 소프트웨어와 전자 하드웨어가 필요합니다. 반면에, 브러시 DC 모터는 매우 저렴하고 효과적이며, 만드는 제품에 따라 필수적일 수도 있습니다. 상대적으로 작은 브러시 DC 모터를 가지고 있고 이를 전진 및 후진 방향으로 구동하고 싶다면, 하프 브리지(H-브리지)가 필요합니다.

H-브리지는 모터에 적용되는 극성을 전환할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 모터를 전진이나 후진으로 구동하거나, 모터를 전원에서 분리하거나, 전기 브레이크로 작동하도록 단락시킬 수 있습니다. 10암페어 이상을 구동할 수 있는 완전 통합 H-브리지를 찾을 수 있지만, 대부분은 4암페어 이하로 평가됩니다. 컴팩트한 IC 패키지는 열 발산을 허용하는 한도가 있어 드라이버의 전류 용량을 제한합니다. 대부분의 경우, 단일 출력보다는 두 개의 모터 출력을 가진 모터 드라이버 IC를 찾는 것이 더 일반적이며, 단일 패키지에 네 개의 컨트롤러가 통합된 것도 꽤 흔합니다. 단일 패키지에 여러 드라이버를 갖는 것은 대부분의 산업용, 자동차용 또는 소비자 제품이 하나 이상의 모터를 사용하기 때문에 많은 상황에서 매우 컴팩트한 설계를 가능하게 합니다.

좋은 통합 H-브리지 컨트롤러는 디지털 전류 제한을 허용하거나 적어도 저항기에 의해 설정된 전류 한계를 허용할 것입니다. 그런 다음 드라이버의 내장 컨트롤러는 설정된 한도 아래에서 전류를 유지하면서 모터를 구동하기 위해 펄스 폭 변조(PWM)를 사용할 것입니다. 이는 드라이브, 모터, PCB, 그리고 잠재적으로 배터리를 손상으로부터 보호하는 훌륭한 방법입니다. DC 모터가 정지되면 사실상 직접 단락이 되어, 모터, 드라이버 또는 현재 부하에 대해 설계되거나 평가되지 않은 트레이스 및 커넥터에 빠르게 손상을 줄 수 있는 매우 높은 전류를 끌어낼 수 있습니다.

고려해야 할 사양

H-브리지를 찾을 때, 응용 프로그램에 대한 옵션을 좁힐 수 있는 여러 중요한 사양이 있습니다.

R_DS(on) - 저항 드레인-소스 온

FET 저항은 집적 회로에서 열로 손실되는 에너지의 양과 직접적으로 관련된 중요한 사양입니다. 패키지가 충분히 빠르게 열을 제거할 수 없는 경우, 집적 회로는 자체 보호 모드로 들어가거나 마법의 연기를 방출할 수 있습니다. 장치의 정격 전류에 관계없이, 열은 진정한 제한 요소입니다. 드라이버 주변에 구리 영역이 열싱크로 작용할 수 있는 제한된 영역이 있다면, 드라이버가 가능한 한 적은 열을 발생시키도록 R_DS(on) 사양을 우선시해야 합니다.

R_θJA - 패키지 열 저항

과열에 대해 말하자면, 패키지의 열 저항은 상당히 중요합니다. 많은 드라이버는 회로 기판의 구리로 열을 이동시켜 접합부에서 열을 빼내는 데 도움이 되는 밑면에 노출된 패드를 가지고 있습니다. 심지어 리드가 있는 패키지에도 있습니다. 열 저항은 열을 얼마나 빨리 제거할 수 있는지를 결정하며, RDS(on) 사양과 알려진 구리의 열 싱킹 면적과 함께, 최대 접합 온도, T_J(max)에 도달할지 여부를 계산할 수 있게 해줍니다.

V_BB - 모터 공급 전압

이것은 상당히 자명한 사양입니다. 이것은 모터를 작동시키기 위해 드라이버에 공급될 수 있는 최대 전압입니다. 이것은 일반적으로 별도이며 훨씬 낮은 논리 제어 전압과 다릅니다. V_BB가 모터의 전원 소스의 피크 전압보다 높은지 확인하세요. 배터리에서 모터를 구동하는 경우, 명목 전압보다는 완전히 충전된/새로운 전압을 고려하세요.

V_IN - 논리 공급 전압

현대의 마이크로컨트롤러는 보통 1.8v 또는 3.3v의 논리 레벨을 가지고 있지만, 일부 오래된 것들은 5v에서 작동할 수 있습니다. 대부분의 드라이버는 약 6볼트까지의 양의 전압에 만족하지만, 일부는 3.3v 이하입니다. 당신은 아마도 VIN을 마이크로컨트롤러와 같은 전압 레일에 연결할 것입니다.

I_OUT - 출력 전류

사용 가능한 전류는 I_OUT 사양보다는 접합 온도에 의해 제한될 가능성이 높습니다. 그러나, 모터를 지속적으로 사용하지 않고, 접합부가 뜨거워지지 않도록 모터를 간헐적으로 펄싱하는 경우, 출력 전류 한계를 고려할 가치가 있습니다. 전류를 디지털로 또는 저항으로 설정할 수 있는 드라이버의 경우, 이 사양은 설정할 수 있는 최대값입니다.

진리표

대부분의 드라이버는 모터를 드라이버를 통해 단락시켜 전기 브레이크로 작동하는 것을 허용하지만, 일부 드라이버는 이를 허용하지 않습니다. 모터를 단락시켜 전기적으로 브레이크하고 싶다면, 두 입력 모두를 높게(또는 낮게) 설정하면 모터가 브레이크되는지 확인하기 위해 데이터시트의 진리표를 확인하세요. 그러면 두 입력을 낮게(또는 높게) 설정하면 각 모터 리드가 전원에서 분리되는 코스트 모드가 됩니다.

회로 설계

통합 H-브리지를 구동하는 것은 상대적으로 쉽습니다. 아래 회로도는 Allegro A4954용이며, 제 오픈 소스 Siemens SMT Pick and Place 듀얼 레인 피더 컨트롤러에서 나왔습니다(GitHub에서 그 구현을 볼 수 있습니다). 다른 구성 요소의 전압이 안정적으로 유지되도록 입력에는 일부 벌크 커패시턴스가 있으며, 모터가 가속할 때 높은 요구 사항을 충족시키기 위해 드라이버를 구동하는 데도 사용됩니다. 저는 또한 모터의 전류를 설정하기 위해 가변 저항을 사용하고 있습니다. 각 입력 라인에는 H-브리지가 타버리는 경우 마이크로컨트롤러를 보호하기 위해 시도한 33옴 저항이 있습니다.

모터의 전선과 드라이버 사이에 보호 다이오드를 배치하고, 모터가 멈출 때 발생하는 순간적인 고전압을 억제하고 전자기 간섭을 줄이기 위해 디커플링 커패시터를 사용하는 것이 좋습니다.

집적 브러시 모터 드라이버를 선택하고 사용하는 것은 쉽지만, 설계에서 열적 고려 사항에 주의를 기울여야 합니다. 드라이버를 손상시키거나 모터와의 간헐적인 ‘고장’을 일으키는 가장 쉬운 방법은 패키지를 과열하여 직접적인 실패나 열 차단을 유발하는 것입니다.

이 기사가 유용했다고 생각하시면 좋겠습니다! 이와 같은 내용을 귀하의 이메일로 받아보고 싶으시다면, 저희 월간 뉴스레터에 등록하세요!