PWM 신호 생성 분석 — Duty·Frequency·Dead Time·Center-Aligned

#한 줄 요약

“PWM은 디지털 펄스 폭으로 아날로그 평균 전압을 흉내냅니다.” DAC 없이도 LED 디밍, 모터 속도, DC-DC 변환을 모두 할 수 있습니다.

#어떤 상황에서 쓰나

• LED 밝기 조정, RGB 컬러 제어
• DC 모터 속도, 서보 motor 위치 제어
• BLDC, SR motor의 inverter 구동
• DC-DC converter, class-D amplifier
• Heater, peltier 같은 thermal 제어

#핵심 개념

#1) Duty와 평균 전압

PWM은 고정 주파수의 사각파인데, on/off 비율(duty)로 평균을 만듭니다.

부하가 inductive(모터 코일 등)이면 자체 적분 효과로 평균 전압이 흐릅니다. resistive 부하는 RC 필터를 후단에 답니다.

#2) Edge-aligned vs Center-aligned

타이머가 counter를 0 ~ ARR로 올리는 동안 비교 값 CCR보다 작으면 0, 크면 1을 출력합니다.

Edge-aligned는 LED나 일반 부하에 쓰입니다. Center-aligned는 모터의 ripple 전류와 harmonic을 줄여 줍니다.

#3) Dead-time — Complementary 출력

H-bridge나 inverter에서 high-side와 low-side switch가 동시에 ON이면 short(shoot-through)가 발생합니다. dead-time은 한 쪽이 OFF된 후 다른 쪽이 ON까지 일부러 두는 간격입니다.

dead-time이 짧으면 short, 길면 전류 distortion이 발생합니다. 보통 100 ns ~ 1 µs로 설정합니다.

#4) PWM frequency 선택

#코드 / 실제 사용 예

STM32F4 TIM1로 1 kHz PWM 출력입니다.

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// TIM1 channel 1 — PA8, 1 kHz, duty 50%
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RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_TIM1EN;
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// 84 MHz / 84 = 1 MHz tick
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TIM1->PSC = 83;
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// 1 MHz / 1000 = 1 kHz
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TIM1->ARR = 999;
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// 50% duty
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TIM1->CCR1 = 500;
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// PWM mode 1 (high until match)
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TIM1->CCMR1 = (0b110 << TIM_CCMR1_OC1M_Pos)
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            | TIM_CCMR1_OC1PE;
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TIM1->CCER  = TIM_CCER_CC1E;
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TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE;
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TIM1->CR1   = TIM_CR1_ARPE | TIM_CR1_CEN;

Complementary 출력 + dead-time:

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// PA8 (CH1), PA7 (CH1N) — complementary
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TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC1NE;             // CH1N enable
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// Dead-time = 12 × 1/84MHz = 143 ns (대략)
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TIM1->BDTR = TIM_BDTR_MOE
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           | (12 << TIM_BDTR_DTG_Pos);

DMA로 dynamic waveform 생성도 가능합니다.

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static uint16_t pwm_table[256];   // 256 단계 sine 또는 envelope
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TIM1->DIER |= TIM_DIER_UDE;
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DMA2_Stream5->PAR  = (uint32_t)&TIM1->CCR1;
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DMA2_Stream5->M0AR = (uint32_t)pwm_table;
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DMA2_Stream5->NDTR = 256;
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DMA2_Stream5->CR   = DMA_SxCR_CIRC | DMA_SxCR_MINC
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                   | DMA_SxCR_MSIZE_0 | DMA_SxCR_PSIZE_0
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                   | DMA_SxCR_DIR_0 | DMA_SxCR_EN;

#측정 / 비교

높은 PWM 주파수 + 높은 해상도는 timer clock이 충분해야 합니다.

#자주 보는 함정

⚠️ Dead-time 없이 complementary

H-bridge에서 dead-time 없으면 한 switch가 끄기 전에 다른 쪽이 켜집니다. 큰 전류가 흐르고 MOSFET이 죽습니다.

⚠️ ARR=0 또는 CCR > ARR

duty가 0% 또는 100%로 fixed 됩니다. 0%/100% 처리는 timer 설정 자체로 강제하지 말고 코드 분기로 처리합니다.

⚠️ Update preload 미사용

CCR 업데이트가 cycle 중간에 반영되면 한 cycle만 잘못된 duty가 나옵니다. OCxPE(preload enable)와 ARPE로 update event에서만 적용되게 합니다.

⚠️ LED를 너무 낮은 주파수로

100 Hz 미만은 사람 눈에 깜빡임이 보입니다. 카메라로 찍으면 더 잘 보입니다. 200 Hz 이상으로 올리거나 BCM(binary code modulation) 사용.

⚠️ Audio range 모터 PWM

8 kHz 같은 가청 주파수는 모터가 휘파람 소리를 냅니다. 20 kHz 이상으로 설정합니다.

#정리

• PWM은 디지털로 평균 전압을 만드는 가장 효율적인 방법입니다.
• Edge-aligned는 일반용, Center-aligned는 모터·BLDC 같은 ripple 민감 응용에 씁니다.
• Dead-time은 H-bridge의 shoot-through를 막습니다. 100 ns ~ 1 µs가 일반적입니다.
• 주파수 선택은 가청, 효율, 인덕터 크기를 고려합니다.
• Preload(OCxPE, ARPE)로 cycle 중간 변경 시 race를 방지합니다.

다음 편에서는 CAN 버스 전기적 특성을 다룹니다. 차동 신호 통신의 대표 예입니다.

#관련 항목

• 1-08: DAC 동작 원리
• 1-10: CAN 버스 전기적 특성
• 더 깊이 — Practical RTOS Internals: Timer subsystem