디지털 전원 제어(PID 기반) – 펌웨어로 제어하는 전압

디지털 전원 제어의 필요성과 발전 배경

기존의 전원 제어는 대부분 아날로그 방식으로 구성되어 왔습니다. 연산 증폭기를 이용한 피드백 제어, RC 보상 회로, 아날로그 레퍼런스를 통해 출력 전압을 조절하는 방식이 전통적이었습니다. 하지만 최근에는 유연한 제어, 다채널 구성, 정밀한 모니터링, 원격 설정 등의 이유로 전원 제어 시스템에도 디지털화가 빠르게 진행되고 있습니다. 특히 MCU나 DSP를 활용한 펌웨어 기반 전원 제어는 기존의 하드웨어적 한계를 극복하고, 맞춤형 제어 알고리즘을 구현할 수 있는 장점을 제공합니다.

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PID 제어기의 기본 원리와 전원 제어 적용

PID 제어기는 비례(Proportional), 적분(Integral), 미분(Derivative) 세 요소로 구성된 고전적인 제어 알고리즘입니다. 전원 제어에 적용될 때는 출력 전압과 목표 전압 간의 오차를 입력으로 받아, 그 오차를 줄이기 위한 보정 전압을 생성하는 역할을 합니다. 이 제어 신호는 PWM 듀티를 조절하거나 DCDC 컨버터의 동작 모드를 변경하는 데 사용됩니다. PID는 간단하지만 효과적인 제어 방식으로, 빠른 응답 속도와 안정적인 출력 유지를 동시에 달성할 수 있는 장점이 있습니다.

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펌웨어 기반 PID 루틴 구성 방법

MCU에서 PID 제어를 구현할 때는 일정한 주기로 루프를 실행하면서 출력 전압을 ADC로 측정하고, 목표값과의 오차를 계산하여 PID 알고리즘을 통해 새로운 제어값을 생성합니다. 이때 PID 계산은 고정소수점(Fixed-Point)이나 부동소수점(Floating-Point) 방식으로 구현할 수 있으며, 각 항(P, I, D)의 이득 계수(Kp, Ki, Kd)는 실험적 또는 이론적으로 도출합니다. 전원 제어에서는 일반적으로 D항은 생략하거나 매우 작게 설정하고, PI 제어만으로 충분한 성능을 확보하는 경우가 많습니다.

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ADC, PWM, 타이머의 역할과 설정 기준

디지털 전원 제어의 정밀도는 ADC 분해능과 PWM 해상도에 크게 의존합니다. ADC는 출력 전압을 가능한 고속·고분해능으로 샘플링해야 하며, 일반적으로 12비트 이상의 해상도가 권장됩니다. PWM은 제어값을 실제 하드웨어에 반영하기 위한 수단으로, 충분한 주파수와 해상도를 확보해야 전압의 흔들림 없이 정밀한 조절이 가능합니다. 이때 PWM 주파수는 출력 필터의 대역폭보다 높아야 하며, 제어 루프와의 동기화도 고려되어야 합니다. MCU의 타이머는 ADC 트리거 및 루프 주기를 결정하는 데 사용됩니다.

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루프 주기와 연산 시간 고려하기

디지털 제어 루프는 일정 주기로 실행되어야 안정적인 응답을 보장합니다. 이 주기를 너무 짧게 설정하면 MCU의 처리 부하가 증가하고, 너무 길면 응답 속도가 느려집니다. 일반적으로 수십~수백 μs 단위로 루프 주기를 설정하며, 이 내에서 ADC 측정 → 오차 계산 → PID 연산 → PWM 반영의 순서로 처리됩니다. 또한 ADC 측정값에 필터링(FIR/IIR)이나 평균화를 적용하면 노이즈에 강한 제어가 가능해지며, 연산 지연이 생기지 않도록 코드 최적화가 중요합니다.

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시스템 안정성을 위한 소프트웨어 보상 기법

디지털 전원 제어에서는 오버슈트(Overshoot), 발진(Oscillation), 지터(Jitter) 등의 문제가 발생할 수 있으므로 소프트웨어적으로 안정화를 위한 기법을 함께 적용해야 합니다. 대표적인 방법은 출력 제한(Saturation), 오차 데드존(Deadband), 적분 항 초기화(Anti-Windup) 등입니다. Anti-Windup 기법은 출력이 포화되었을 때 적분 항이 계속 누적되어 시스템이 불안정해지는 현상을 방지합니다. 이러한 보상 기법은 단순한 보호 기능이 아니라, 제어 품질을 좌우하는 핵심 요소입니다.

 

 

다양한 제어 모드 구현의 유연성

디지털 제어의 장점 중 하나는 동적 제어 모드 전환입니다. 상황에 따라 정전류(Constant Current, CC), 정전압(Constant Voltage, CV), 정전력(Constant Power) 등 다양한 제어 모드를 구현할 수 있으며, 사용자의 요구에 따라 실시간으로 전환이 가능합니다. 예를 들어 배터리 충전 회로에서는 CV → CC 모드 전환이 필요한데, 펌웨어로 이 로직을 자유롭게 구성할 수 있습니다. 아날로그 방식에서는 복잡한 회로가 필요한 반면, 디지털 방식은 소프트웨어 수정만으로 확장이 가능해 훨씬 유연한 제어가 가능합니다.

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디지털 제어기와 아날로그 회로의 하이브리드 구성

실제 설계에서는 디지털 제어기와 아날로그 회로를 혼합하여 사용하는 하이브리드 방식이 널리 사용됩니다. 디지털 제어기는 메인 루프에서 PI 연산을 수행하고, 급격한 전압 변화나 보호 조건은 아날로그 회로로 빠르게 차단하도록 구성하면 속도와 안정성을 모두 확보할 수 있습니다. 특히 과전압, 과전류 보호 회로는 비교기 등 아날로그 디바이스로 구현하여 펌웨어 딜레이 없이 즉시 반응하도록 해야 합니다. 이렇게 하이브리드 설계를 통해 디지털 제어의 유연성과 아날로그 회로의 응답 속도를 동시에 얻을 수 있습니다.

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디지털 전원 제어의 미래와 적용 전략

디지털 전원 제어는 전력 전자 분야의 핵심 기술로 자리 잡고 있으며, 고효율 전력변환, 스마트 그리드, 배터리 충전기, 서버 전원, 전기차 충전기 등 다양한 산업에서 필수적으로 요구됩니다. 특히 PID 기반 제어는 시작점이며, 향후에는 모델 기반 제어(Model Predictive Control), 적응형 제어(Adaptive Control), AI 기반 전원 최적화 등으로 진화해나가고 있습니다. 지금 설계자는 단순히 ‘동작하는 전원’을 넘어서, ‘정밀하고 지능적인 전원’을 구성할 수 있어야 경쟁력 있는 시스템을 구현할 수 있습니다.