PwrBlock 오픈소스 프로그래밍 가능 전원 공급 장치: 첫 번째 프로토타입 테스트 및 핵심 사양
PwrBlock은 테스트 벤치 및 자동화된 전자 부품 검증을 위해 설계된 오픈소스 프로그래밍 가능 전원 공급 장치입니다. 이 프로젝트는 회로도 단계를 넘어 실물 하드웨어로 진입했습니다: 프로토타입이 조립되었고, 핵심 동작 모드가 검증되었으며, 주요 사양이 실험적으로 입증되었습니다. 상용 계측기기를 개조하지 않아도 안정적이고 정밀하게 모니터링되는 전력을 제공합니다.
핵심 구성 블록
프로토타입은 소형화, 측정 정확도, 인터페이스 기반 제어를 최우선으로 설계했습니다. 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:
- TPS25983 보호 IC: 입력 전압 범위 2.7–26 V; 내장 FET 스위치(20 A 시 온저항 2.7 mΩ).
- STM32G0C1CE 마이크로컨트롤러: Cortex-M0+ @ 64 MHz, 512 KB 플래시, 내장 USB Type-C PD 컨트롤러 — 별도 PD 칩 불필요.
- INA229 전류/전압 모니터: 최대 85 V, 20비트 해상도, SPI 인터페이스, 임계값 기반 인터럽트, ±1°C 정밀 내부 온도 센서. 전류·전압·전력·에너지 동시 측정 — 공장에서 완전 보정 완료, 사용자 캘리브레이션 필요 없음.
- LM51772 DC-DC 컨버터: 버크-부스트 토폴로지, I²C 설정 가능.
// LM51772 설정 예시 (의사코드)
write_i2c(0x40, REG_VOUT, 32000); // 32 V 출력
write_i2c(0x40, REG_ILIM, 3000); // 3 A 한계 전류이들 구성 요소를 조합해 1–32 V 출력 전압과 최대 3 A 연속 전류를 구현합니다.
최대 전력 스트레스 테스트
프로토타입은 32 V / 3 A(96 W 출력) 조건에서 3시간 동안 지속 작동했습니다. 테스트 환경: 실내 벤치 전원(직접 AC 전원 아님), 전자 부하, 무외함·무히트싱크 상태의 노출 PCB.
결과:
| 파라미터 | 값 |
|-----------|--------|
| 입력 전력 | 103.64 W |
| 출력 전력 | 96.17 W |
| 효율 | 92.7% |
| 손실 전력 | 7.47 W |
효율은 이론 예측값과 일치했습니다. 열화상 분석 결과: 인덕터 본체 80°C, DC-DC IC 71–72°C, PCB 하면 열전도 패드 86°C. 인덕터는 165°C까지 견딜 수 있어 열적 스트레스는 관찰되지 않았습니다. 권장 조치: 인덕터 고정 강화 및 열전도 재료 추가로 열 방출 성능 향상.
전압 및 전류 조절 성능
전압은 I²C를 통한 디지털 설정으로 조절됩니다: 1–24 V 구간은 10 mV 단위, 3.3–32 V 구간은 20 mV 단위. 또한 LM51772의 ATRK 핀을 활용한 아날로그 미세 조정 기능이 문서화되지 않았지만 완전히 작동하며, 1 mV 해상도를 제공합니다.
전류 제한은 LM51772가 외부 션트를 이용한 평균 전류 조절을 지원하며, I²C로 설정(50 mA 단위). 500 mA 미만에서는 하드웨어 기반 조절이 불가능합니다. 대안 해결책:
- MCU DAC로 구동하는 외부 ISET 저항: 서브-mA 아날로그 제어 가능 — 다만 500 mA 미만에서 6.5 kHz 리플 발생.
- 션트 저항 교체: 최소 조절 전류를 250 mA로 낮추고, 최대 전류는 3.5 A까지 확장.
- 250 mA 미만 전류에 대한 소프트웨어 기반 정전류(CC) 모드.
하드웨어 CC 범위: 250 mA – 3 A. 디지털 조절 단위: 25 mA.
외함 및 기계적 설계
외함은 1 mm 두께 양극산화 알루미늄으로 제작: 레이저 각인 라벨, 소량 생산 수준의 충분한 강성. PCB는 열전도 패드가 통합된 스탠드오프로 고정. 문제점 발견: 양극산화층이 접지 접점을 절연시켜 신뢰성 있는 그라운딩을 방해 — 국부적인 마모 처리 필수. 표준 테스트 피팅에의 통합을 위한 마운팅 홀 추가. 전원 버튼은 LED 백라이트가 적용된 타클타일 클릭 타입으로 업그레이드.
핵심 요약
- 냉각 없이 실제 조건에서 검증된 96 W 출력 시 92.7% 효율.
- 정밀 조절: 전압 1 mV 해상도, 전류 디지털 단위 25 mA.
- INA229는 공장 보정된 20비트 측정 성능 — 캘리브레이션 불필요.
- 완전 오픈소스: 직접 제작·개조·기능 확장 자유롭게 가능.
- 하드웨어 전류 제한 시작점은 250 mA이며, 250 mA 미만은 소프트웨어 CC 모드로 지원.
향후 계획
다음 개발 우선순위:
- 열 챔버 테스트 및 EMC 적합성 검증.
- 동적 응답 최적화.
- 초저전류(<250 mA)용 강건한 소프트웨어 CC 구현.
- 펌웨어 최종화 및 공개.
- 고속 보드 레벨 검증을 위한 피팅 설계.
PwrBlock은 프로그래머, DAQ 등 다른 오픈소스 테스트 빌딩 블록과 함께 모듈식 테스트 벤치에 원활하게 통합됩니다. 다음으로는 라즈베리 파이 컴퓨트 모듈 기반의 I/O 및 계측 유닛인 CmptBlock이 출시될 예정입니다.
— Editorial Team
아직 댓글이 없습니다.