소형 앰프가 청소로봇의 주요 난제들을 해결하는 6가지 상황

2019-10-07
글/ Bryan Liu58, TI SEM팀 가전 시스템 엔지니어

신뢰할 수 있는 시스템을 디자인하는데 난제들이 늘어날 수 있는데, 소형 앰프가 이러한 대다수의 주요 난제들을 신속하게 해결하는데 도움이 될 수 있다. 청소 로봇이 직면할 수 있는 6가지의 주요 난제와 이를 해결할 수 있는 소형 앰프의 기능들은 다음과 같다.

일반적으로 바쁜 한 주를 보내고 주말 중 휴식 시간에 하려는 마지막 일이 청소이다. 청소로봇의 역사는 약 23년 전으로 거슬러 올라간다. 이후 진화를 거듭해왔으며 소비자들이 중요한 다른 일에 집중할 수 있게 점점 지능화, 자동화되고 있다.

특히, 새로 나온 걸레질 기능과 자동 먼지 처리 같은 기능들을 청소로봇에 많이 탑재하다 보면 신뢰할 수 있는 시스템을 디자인하는데 난제들이 늘어날 수 있는데, 소형 앰프가 이러한 대다수의 주요 난제들을 신속하게 해결하는데 도움이 될 수 있다.
청소 로봇이 직면할 수 있는 6가지의 주요 난제와 이를 해결할 수 있는 소형 앰프의 기능들은 다음과 같다.



난제 No. 1
정지 상태 지연 감지로 인한 모터 수명 감소


청소로봇 바퀴의 출력이 장애물 횡단 능력을 결정한다. 두꺼운 카펫을 통과하고 턱을 넘을 수 있으려면, 모터 출력이 적어도 30W 이상이어야 한다. 바퀴가 전깃줄에 걸리는 등 정지 혹은 과부하를 일으킬 만한 상황이 발생하면, 모터 와인딩 전류가 즉시 뛰어오를 것이다. 이런 상황의 지연 감지로 모터가 과열되고 수명이 줄어들게 된다.

해결책 No. 1:
모터 제어 시스템에서의 빠른 과도 응답 전류 감지.


과열 가능성을 줄이기 위해, 로우사이드 전류감지 회로를 이용해 모터의 전류를 모니터링 할 수 있다. (그림 1 참고)



이 경우 모터 제어 시스템에서 op 앰프의 전류 감지 회로로 사용되는 주요 파라미터가 슬루 레이트(slew rate)이다. 예를 들어, 정지 상황이 발생하면, 권선 전류가 0.5A에서 3.5A로 뛰어오르고, 해당 op 앰프의 출력은 0.5V에서 3.5V가 된다(50-mΩ 션트 저항기와 20-V/V 게인). 스텝 변경의 설정 시간은 TI TLV905x 같은 op 앰프를 15 V/μs 슬루 레이트로 사용했을 때에는 0.2μs에 불과하다. 따라서 TLV905x를 30배 더 빠른 과도 응답으로 사용하게 되면 컨트롤러가 과전류 보호 기능을 실행할 수 있는 마진이 늘어나게 된다.

난제 No. 2
부정확한 충전 전압으로 인한 낮은 배터리 시간.


배터리 용량을 극대화하는 것은 청소로봇의 중요한 디자인 난제이다. 청소로봇은 다시 충전이 필요해질 때까지 청소 사이클을 온전히 다 마칠 수 있어야 하기 때문이다.

저품질 전류 감지를 사용하는 높은 출력 전압 리플은 활용할 수 없는 배터리 용량을 만들어낸다. 예를 들어, 4.2V에서 ±3.5% 정확도는 가용 배터리 용량을 250 충전 사이클 이후 40%로 감소시키지만, 4.2V에서 ±0.5 정확도는 가용 배터리 용량을 85% 수준으로 유지시킨다.

해결책 No. 2:
정전류/정전압 루프에서의 고정밀 전압 감지.


일반적으로 배터리를 충전하는 한 가지 방법은 그림 2처럼 별개의 충전 솔루션을 사용하는 것이다. 전압 감지 및 전류 감지 회로는 피드백 전압을 만들어내어 제어 루프에 전류 신호를 생성한다. 높은 정밀도를 달성하기 위해 여기 사용된 op 앰프의 주요 파라미터들이 안정성, 오프셋 전압, 온도 드리프트이다.



난제 No. 3
NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터 오류로 인한 배터리 과열.


배터리 팩의 온도 모니터링은 청소로봇의 주된 안전사항이다. 온도 센서 솔루션에 비해, 배터리 팩 온도를 효율적인 비용으로 모니터링 하는 방법이 NTC 서미스터 감지 회로를 사용하는 것이다. 부정확한 온도 감지는 배터리 팩을 과열시키거나 고장의 원인이 될 수 있다.

해결책 No. 3:
NTC를 이용한 고정밀 온도 감지.


온도를 감지하는 한 가지 방법이 저항기와 서미스터로 파워서플라이를 나눈 후 디바이더 출력을 바로 ADC(analog-to-digital converter) 핀 내부 시스템 컨트롤러에 연결하는 것이다. 디바이더의 출력 임피던스가 낮고 출력 전압 범위가 ADC에 이상적이지 않기 때문에 이 방법은 효율성과 정확도가 낮다.

그림 3은 op 앰프를 버퍼로 사용해 온도 출력 신호를 조절함으로써 디바이더에는 높은 임피던스 노드를 제공하고 ADC 구동에는 낮은 임피던스 노드를 제공하고 있으며, 출력 범위를 최적의 ADC 분해능으로 조절하고 있다. 이 op 앰프에 영향을 미치는 파라미터들이 DC 정확도(오프셋 전압, 전압 드리프트)와 안정성이다.

난제 No. 4
부정확한 주행기록계로 인한 저정밀 위치 항법 시스템.


청소로봇이 환경을 재구성할 때, 주행기록계가 정확히 이동해온 거리를 제공하면 그것을 맵핑에 사용한다. 주행기록계의 부정확한 측정은 로봇에게 위치 항법의 정밀도를 떨어뜨리게 한다.

해결책 No. 4:
견실한 주행기록계 신호강화 회로.


주행거리를 측정하는 일반적인 방법은 광전 디코더나 홀-이펙트 센서를 사용해 펄스를 카운팅해서 주행거리 정보를 얻는 것이다. 보통은 주행기록계가 바퀴 내부에 설치돼 있어서 인쇄회로기판의 형적이 길고 스위칭 노이즈에 쉽게 영향을 받기 때문에 출력 신호가 MCU의 입력 포트 위치에서 왜곡되게 된다. 그림 4의 버퍼 회로는 지터와 글리치 없이 표준 로직 신호를 생성해낼 수 있다.



난제 No. 5
노이즈가 생기거나 왜곡된 모터-드라이브 신호가 예상치 못한 모터 작동을 야기.


시스템 컨트롤러는 보통 컨트롤 보드의 중앙에 위치하는데 반해, 모터는 보드의 가장자리에 설치된다. 따라서 MCU의 포트에 직접 연결된 드라이브 신호는 노이즈가 생기거나 왜곡되기 쉬워 예상치 못한 모터 작동을 야기한다.

해결책 No. 5:
모터-드라이브 경로의 PWM (pulse-width-modulation) 개선 회로.


드라이브 신호를 MCU 핀에 연결하는 회로 대신에, 여기서는 op 앰프를 개선장치로 추가해 문제를 해결하고 있다. 그림 5는 브러쉬드 DC 모터를 위한 별개의 모터-드라이브 솔루션을 보여주고 있다. 컨트롤러가 토템-폴 필드-이펙트 트랜지스터 드라이버를 통해 PWM 신호를 생성해 H-브릿지 파워 트랜지스터를 구동하고 있다. PWM 개선 회로는 노이즈와 왜곡을 낮춤으로써 지연을 최소화하고 PWM 신호를 개선시킨다.



난제 No. 6
잘못된 거리 감지로 인한 청소로봇의 충돌이나 전복


클리프 센서는 계단 높이를 감지할 때, 충돌 센서는 청소로봇 주위의 장애물을 감지하는데 쓰인다. 잘못된 거리 감지는 센서가 부정확하게 작동하게 하여 충돌이나 전복을 야기함으로써 로봇의 오작동을 야기한다.

해결책 No. 6:
고정밀 적외선 출력 신호 조절.


그림 6처럼 저렴한 거리 감지 솔루션으로 적외선 LED와 포토트랜지스터가 주로 사용되고 있다. 거리 정보는 에코 웨이브의 진폭과 상관관계에 있으며 고정주파수 변조파를 통해 전달된다.
여기에서는 트랜스임피던스 op 앰프 증폭 회로가 저입력 바이어스 전류와 함께 주로 사용되고 있다. 레퍼런스 회로는 SBOA268A를 참고. 

참고.

TI의 TLV906x, TLV905x, TLV900x 다목적 앰프는 청소로봇의 여러 가지 상황에 잘 맞아 시장 진입 속도를 높이고 일반적인 디자인 난제들을 해결하는데 유익하다.

 

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