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모터 칼럼

Brush 모터 드라이버의 소비전력 계산 방법 1

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이번에는 모터 드라이버의 소비전력에 대해 알아보겠습니다.

모터 드라이버의 소비전력 계산식으로 하기의 식이 문제없는지 질문을 받은 적이 있습니다.

 (IC의 회로 전류+모터에 흐르는 전류)×전원전압

언뜻 보면 문제없을 것 같지만, 틀린 식입니다. 「IC의 회로 전류×전원전압」은 맞지만, 「모터에 흐르는 전류×전원전압」은 모터의 소비전력도 포함되므로, 정확하게는 모터 드라이버의 출력 소비전력을 구해서, IC의 회로 소비전력과 합산해야 합니다.

출력의 소비전력은 「손실 전압×출력전류」로 계산합니다. 모터 드라이버의 출력단이 되는 H 브릿지에서의 산출에 앞서, 이해를 돕기 위해 심플한 예로서 리니어 레귤레이터 IC의 소비전력 계산식을 알아보겠습니다.

 리니어 레귤레이터 IC의 소비전력=자기 소비전력 (Vin×Iin)+입출력 전압차 (Vin-Vout)×출력전류 (IO)

이 식에서 Iin은 데이터시트에 Icc나 Iq 등으로 표기되는 전류이며, Vin 단자에서 IC 내부의 출력전압 안정화 제어 회로에 흘러 소비되는 전류입니다. 다음으로 「입출력 전압차×출력전류」는 출력의 손실 (소비) 전력입니다.

예를 들어 OP Amp IC에서 출력전류가 mA에 도달하지 않는 경우에는, 전원전압×전원전류로 계산한다고 해도, 그 오차는 크게 문제되지 않습니다. 그러나, 전원 IC나 모터 드라이버 IC와 같은 비교적 큰 출력전류를 공급하는 IC의 경우, 「전원전압×출력전류」로 계산하게 되면 큰 오차가 발생하게 됩니다.

모터 드라이버 IC의 소비전력 계산도 개념은 동일합니다.

Brush 모터 드라이버의 소비전력 계산 방법

그럼, Brush 모터 드라이버 IC를 예로 들어 소비전력의 계산식에 대해 설명하겠습니다. Brush 모터의 대표적인 구동 방법으로 정전압 구동과 PWM 구동이 있습니다. 먼저 정전압 구동일 경우에 대해 설명하겠습니다.

①정전압 구동 시의 소비전력 계산

정전압 구동의 경우 모터 드라이버 IC의 소비전력 Pc는 기본적으로 하기의 식을 통해 구할 수 있습니다.

 Pc=소신호부 회로 전류×전원전압+모터에 흐르는 전류×(High-side 출력간 전압+Low-side 출력간 전압)

하기는 전력 소비가 어느 부분에서 발생하는지를 나타내는 모식도입니다.

「소신호부」는 모터 드라이버 IC의 제어 회로이며, 회로전류를 Icc, 전원전압을 Vcc, 모터에 흐르는 전류를 IO로 표기하였습니다. Q1~4의 MOSFET가 출력단의 H 브릿지 회로입니다.

소신호부 회로의 소비전력은 단순히 Icc×Vcc로 구할 수 있습니다.

H 브릿지는 High-side Q1과 Low-side Q4가 ON되어 있으며, IO는 Vcc에서 Q1을 통해 모터로 흐르고, Q4를 통해 GND에 흐릅니다. 이때의 H 브릿지 소비 (손실) 전력을 구합니다. MOSFET의 ON 상태는 등가적으로 저항기로 생각할 수 있으며, 그 저항치는 MOSFET의 ON 저항 Ron이 됩니다. High-side Q1의 ON 저항을 RonH, Low-side Q4의 ON 저항을 RonL이라고 하면, 각 출력간 전압은 하기 식과 같이 나타낼 수 있습니다.

 High-side 출력간 전압 VH=IO×RonH
 Low-side 출력간 전압 VL=IO×RonL

이를 바탕으로 소비전력 Pc는 하기의 식으로 계산할 수 있습니다.

 Pc=Icc×Vcc+IO×(VH+VL)=Icc×Vcc+IO2×(RonH+RonL)

실제로 VH, VL을 측정하는 방법이 있지만, MOSFET의 Ron은 데이터시트에 기재되어 있으므로 최대치를 사용하여 계산하면, 최악의 경우에 해당하는 수치를 산출할 수 있습니다.

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