(28377D) Sysclk, tbclk, 스위칭 주파수?

 

 

개요

 SYSCLK는 MCU의 전체 시스템 클럭이고, TBCLK는 EPWM 모듈의 타이머가 사용하는 기본 클럭입니다. TBCLK는 SYSCLK에서 분주된 값으로 설정되며, 이 값을 기준으로 PWM 주기와 듀티 사이클이 결정됩니다. TBCLK의 분주 비율을 적절히 설정하면, 원하는 PWM 주파수를 얻을 수 있습니다.

 SYSCLK와 TBCLK는 서로 다른 클럭 신호로, EPWM 모듈에서 각각 다른 역할을 합니다. SYSCLK는 전체 시스템의 주 클럭 신호인 반면, TBCLK는 EPWM 모듈의 타이머에 사용되는 클럭 신호입니다. 이 두 클럭은 서로 분주기를 통해 연결될 수 있습니다. 즉, TBCLK는 SYSCLK를 기반으로 설정되며, EPWM 모듈의 타이머 주기를 제어하는 데 사용됩니다.

 

 

 

1. SYSCLK (System Clock)

 SYSCLK는 MCU(Microcontroller Unit)의 전체 시스템 클럭입니다. 이는 프로세서의 주 클럭을 나타내며, F28377D 같은 TI의 MCU에서 모든 모듈과 레지스터가 기본적으로 SYSCLK의 영향을 받습니다.

- SYSCLK는 F28377D에서 중앙 처리 장치(CPU)와 여러 퍼리페럴들이 사용하는 주요 클럭입니다.
- SYSCLK의 주파수는 CPU 연산 속도,타이머 및 모듈 클럭을 결정하는 데 사용됩니다.
- 예를 들어, SYSCLK는 프로세서와 기타 외부 장치(예: UART, SPI, ADC)의 클럭 주파수를 결정하는 기본 클럭입니다.

 

 

 

 

2. TBCLK (Time-Base Clock)

• TBCLK는 EPWM(Enhanced Pulse Width Modulation) 모듈에서 타이머가 카운팅을 시작하는 기본 클럭 신호입니다. 이 타이머는 PWM 주기와 듀티 사이클을 설정하는 데 사용됩니다.
• TBCLK의 주파수는 SYSCLK로부터 분주(prescaling)되며, 이 분주율에 따라 TBCLK가 결정됩니다.

 

 

 

3. TBCLK 설정 방법

TBCLK는 기본적으로 SYSCLK를 분주하여 설정됩니다. 즉, TBCLK는 SYSCLK의 분주된 값입니다. F28377D에서는 EPWM 모듈에서 TBCLK의 주파수를 분주기(prescaler)를 설정하여 조정할 수 있습니다.

 

1) 분주기 설정 (Prescaler)

• EPWM 모듈의 TBCLK는 SYSCLK의 분주기로 설정됩니다. 즉, TBCLK의 주파수는 SYSCLK를 분주하여 결정됩니다.
• SYSCLK를 분주하기 위해 EPWM 모듈에서 제공하는 클럭 분주 레지스터를 통해 분주 비율을 설정할 수 있습니다. 이 분주기를 통해 TBCLK의 주파수를 조절할 수 있습니다.

예를 들어, 만약 SYSCLK가 100 MHz이고, TBCLK를 1 MHz로 설정하려면, TBCLK에 대한 분주기를 100으로 설정해야 합니다.

 

2) TBCLK와 EPWM 주기

• TBCLK의 주파수는 EPWM 모듈에서 생성하는 PWM 신호의 주기를 설정하는 데 사용됩니다.
• TBCLK가 1 MHz라면, EPWM 주기가 1초에 1,000,000 사이클을 생성하며, 이 값을 기준으로 PWM 듀티 사이클과 주기가 결정됩니다.
• TBCLK의 주파수를 높이면 PWM 주기가 짧아지고, 낮추면 PWM 주기가 길어집니다.

 

 

관계 요약

• SYSCLK: 시스템의 기본 클럭 주파수로, MCU의 모든 기능과 모듈이 이 클럭을 기반으로 작동합니다.
• TBCLK: EPWM 모듈의 타이머가 사용하는 클럭 신호입니다. TBCLK는 SYSCLK로부터 분주되어 설정됩니다.
• TBCLK는 SYSCLK의 분주율을 설정하여 PWM 주기, 듀티 사이클, 타이머 카운팅 등을 결정합니다.

 

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• SYSCLK가 100 MHz이고, TBCLK를 10 MHz로 설정하려면, TBCLK 분주기를 10으로 설정합니다. 이 경우, TBCLK의 주파수는 SYSCLK의 1/10이 되어 10 MHz가 됩니다.
• TBCLK의 주파수에 따라 PWM 주기와 듀티 사이클이 결정됩니다. 예를 들어, TBCLK가 10 MHz라면, TBPRD 값에 따라 PWM 주기가 설정됩니다.

 

 

 

 

 

28377D에서 SYSCLK의 생성 방법

 F28377D는 기본적으로 외부 크리스탈이나 외부 클럭 소스를 사용할 수 있으며, 내부에서 PLL을 이용하여 높은 클럭 주파수를 생성합니다. SYSCLK가 200 MHz일 수 있는 이유는 내부 PLL을 사용하여 외부 주파수를 증폭시켜 고속 클럭을 생성할 수 있기 때문입니다.

1. 외부 클럭 소스 (Xtal 또는 외부 입력 클럭)

• F28377D는 보통 20 MHz 외부 크리스탈을 사용하거나 외부 클럭 신호를 입력받을 수 있습니다.
• 예를 들어, 20 MHz의 외부 크리스탈을 사용할 경우, 내부 PLL을 사용하여 200 MHz의 SYSCLK를 생성할 수 있습니다.

2. 내부 PLL (Phase-Locked Loop)

• PLL은 F28377D에서 외부 클럭을 증폭하여 원하는 SYSCLK 주파수를 생성하는 역할을 합니다. 예를 들어, 20 MHz의 외부 크리스탈을 입력받은 후, PLL을 통해 200 MHz로 증폭하여 SYSCLK를 생성할 수 있습니다.
• PLL 설정을 통해 SYSCLK를 증폭하는 비율을 조정할 수 있습니다. 일반적으로, 20 MHz 입력에 대해 10배 증폭을 통해 200 MHz의 SYSCLK를 생성합니다.

 

 

 

 

그렇다면 외부 클럭 20MHz가 없으면 200mhz 못만드나? 

 28377D와 같은 TI의 C2000 시리즈 MCU에서는 외부 20 MHz 클럭 또는 다른 외부 클럭이 없어도 200 MHz SYSCLK를 생성할 수 있는 방법이 있습니다. 외부 20 MHz 크리스탈이 없더라도, MCU 자체 내장 클럭과 **PLL (Phase-Locked Loop)**을 활용하여 200 MHz SYSCLK를 만들 수 있습니다.

 

방법 1: 내부 오실레이터 (Internal Oscillator) 사용

TI의 F28377D는 내부 오실레이터(Internal Oscillator)를 탑재하고 있습니다. 이 오실레이터는 외부 클럭 없이도 MCU의 기본 동작을 지원하는 클럭을 제공합니다. 내부 오실레이터의 기본 클럭 주파수는 보통 10 MHz 또는 30 MHz 정도입니다.

이 내부 클럭을 PLL을 통해 증폭시켜, 외부 20 MHz 크리스탈 없이도 200 MHz SYSCLK를 생성할 수 있습니다.

 

 

방법 2: PLL을 사용하여 내부 클럭 증폭

 내부 PLL을 사용하면 외부 크리스탈 없이도 원하는 주파수로 SYSCLK를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 내부 10 MHz 클럭을 PLL을 통해 200 MHz로 증폭할 수 있습니다.  F28377D의 PLL 설정은 다양한 입력 클럭 주파수에 대해 주파수를 증폭할 수 있습니다. 기본적으로 PLL은 입력 클럭에 대해 배수를 설정하여 고속 클럭을 생성합니다.

※ 내부 클럭 설정 예시 :  내부 10 MHz 클럭을 사용하고, PLL을 통해 200 MHz로 증폭하려면, PLL 설정에서 20배 배수를 사용하여 200 MHz SYSCLK를 얻을 수 있습니다.

 

 

방법 3: 외부 클럭 없이 실행 가능한 시나리오

• 외부 20 MHz 크리스탈이 없는 경우에도, 내부 클럭(예: 10 MHz)과 PLL을 사용하여 충분히 200 MHz SYSCLK를 만들 수 있습니다.
• 시스템이 부팅될 때, 내장된 오실레이터를 사용하여 SYSCLK를 생성하고, 이를 통해 MCU와 연결된 모든 모듈이 동작합니다.

 

 

 

 

 

하지만 외부 크리스탈이 없으면 부정확한거 아닌가?

 맞습니다. 내부 오실레이터는 외부 크리스탈을 사용하는 것에 비해 정확도가 떨어질 수 있습니다. 일반적으로, 내부 오실레이터는 정확도와 안정성이 외부 크리스탈보다 낮을 수 있습니다. 이를 좀 더 자세히 설명드리겠습니다.

 

1. 내부 오실레이터와 외부 크리스탈의 차이

• 외부 크리스탈은 매우 정확하고 안정적인 주파수를 제공할 수 있습니다. 특히 크리스탈 오실레이터는 주파수 정확도가 매우 높고, 온도 변화에 대해서도 일정한 성능을 유지할 수 있습니다. 따라서 외부 클럭을 사용하면 200 MHz SYSCLK를 안정적이고 정확하게 생성할 수 있습니다.
• 반면, 내부 오실레이터는 보통 정확도가 떨어질 수 있습니다. 내부 오실레이터는 **환경 변화(온도, 전압 등)**나 설계 차이로 인해 주파수 편차가 있을 수 있습니다. 예를 들어, F28377D의 내부 오실레이터는 대체로 10 MHz 또는 30 MHz의 주파수를 제공하지만, 이 주파수는 외부 크리스탈보다 상대적으로 정확도가 낮고, 온도 변화에 민감할 수 있습니다.

 

2. PLL 사용 시의 부정확성

• **PLL (Phase-Locked Loop)**을 사용하여 내부 클럭을 배수하여 더 높은 주파수를 만들 수 있지만, 이때도 주파수 정확도가 내부 오실레이터의 정확도에 의존합니다.
• 예를 들어, 10 MHz 내부 오실레이터를 PLL을 통해 200 MHz로 증폭하더라도, 내부 오실레이터의 정확도나 PLL의 정밀도에 따라 최종적으로 생성되는 SYSCLK의 정확도가 떨어질 수 있습니다.

 

3. 외부 크리스탈의 장점

• 외부 크리스탈은 정확한 주파수와 높은 안정성을 제공하므로, 장기적으로 안정적인 클럭 신호가 필요한 경우 (예: 정밀 타이밍, 정확한 샘플링 등) 외부 크리스탈을 사용하는 것이 훨씬 더 신뢰할 수 있습니다.
• 또한, 온도 변화나 전압 변화에도 외부 크리스탈은 상대적으로 변화가 적습니다.

 

4. 외부 크리스탈을 사용하지 않는 경우

• 내부 오실레이터와 PLL을 사용하여 클럭을 생성하는 방식은 주로 정확도가 덜 중요한 저비용 애플리케이션이나 비정밀한 타이밍 요구를 처리할 때 사용됩니다.
• 그러나, 고정밀 타이밍이나 정밀한 샘플링이 중요한 애플리케이션에서는 외부 크리스탈을 사용하는 것이 더 적합합니다.

 

결론

내부 오실레이터를 사용하는 경우 외부 크리스탈을 사용하는 것보다 정확도와 안정성이 떨어질 수 있습니다. 내부 오실레이터는 보통 온도 변화나 전압 변화에 민감하고, 정확도가 외부 크리스탈에 비해 낮습니다. 따라서, 정밀한 시간 제어나 타이밍이 중요한 시스템에서는 외부 크리스탈을 사용하는 것이 더 적합합니다.

하지만, F28377D와 같은 MCU에서는 내부 오실레이터와 PLL을 통해 외부 크리스탈 없이도 대체로 적당히 사용할 수 있지만, 정밀도가 중요한 경우 외부 크리스탈을 사용하는 것이 좋습니다.

 

 

 

 

 

 

 

PWM 스위칭 주파수는 또 뭐야?

 

 PWM 스위칭 주파수는 PWM (Pulse Width Modulation) 신호의 "스위칭 주기"를 결정하는 주파수입니다. 즉, PWM에서 신호가 하이(ON)와 로우(OFF) 상태로 반복적으로 전환되는 빈도를 의미합니다.

 

 

PWM 신호의 기본 개념

PWM은 디지털 신호에서 펄스의 너비를 제어하여 아날로그 신호처럼 동작하게 만드는 방식입니다. PWM 신호는 주기(period)가 있으며, 이 주기를 기준으로 신호는 ON과 OFF 상태를 반복합니다. 이때 신호의 ON 시간(듀티 사이클)과 OFF 시간이 비율로 조절되어 원하는 출력 신호를 만듭니다.

• 주기 (Period): 한 번의 PWM 사이클이 끝나는 데 걸리는 시간입니다.
• 듀티 사이클 (Duty Cycle): PWM 주기에서 신호가 ON 상태로 유지되는 시간의 비율입니다. 예를 들어, 50% 듀티 사이클은 주기 내 절반은 ON, 나머지 절반은 OFF 상태입니다.

 

PWM 스위칭 주파수 (Switching Frequency)

PWM 스위칭 주파수는 PWM 신호가 ON/OFF 상태로 변환되는 속도를 나타내며, 즉 주기의 빈도를 말합니다. 이 주파수는 보통 **Hz (헤르츠)**로 측정됩니다.

• 스위칭 주파수 = 1 / 주기 (주기의 단위는 초)
• 예를 들어, PWM 주파수가 10 kHz이면, 신호는 1초에 10,000번 ON/OFF 상태로 전환됩니다.

 

PWM 스위칭 주파수의 중요성

PWM 스위칭 주파수는 여러 가지 요소에 영향을 미칩니다:

1. 효율성:
   • 스위칭 주파수가 너무 낮으면, 스위칭 소자(예: 트랜지스터)가 더 오랫동안 켜지고 꺼지며 전력 손실이 증가할 수 있습니다. 높은 스위칭 주파수는 효율성을 높여줄 수 있지만, 너무 높으면 스위칭 손실이 커질 수 있습니다.
2. 전자기 간섭(EMI):
   • 스위칭 주파수가 너무 높으면 고주파수 신호가 발생하여 전자기 간섭(EMI)을 유발할 수 있습니다. 이는 다른 전자기기나 회로에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 주파수를 적절히 선택해야 합니다.
3. 응답 속도:
   • PWM 주파수가 높으면, 부하의 변화에 대한 응답 속도가 빨라집니다. 예를 들어, 서보 모터와 같은 시스템에서는 고속 PWM이 필요할 수 있습니다. 저속 시스템에서는 낮은 주파수가 적합할 수 있습니다.
4. 필터링 요구 사항:
   • 높은 PWM 주파수에서는 더 높은 주파수 대역에서 신호를 처리할 수 있게 되므로, 필터링(인덕터, 커패시터 등)이 필요할 수 있습니다. 필터링을 통해 평활한 출력을 얻을 수 있습니다.

 

PWM 스위칭 주파수 예시

1) 모터 제어
  DC 모터 제어에서는 보통 20 kHz ~ 50 kHz의 범위에서 PWM 주파수가 사용됩니다. 이 주파수는 일반적으로 효율과 소음 사이의 균형을 맞출 수 있는 범위입니다. 20 kHz 이상이면 사람이 들을 수 없는 고주파가 되어 모터에서 발생하는 소음을 줄일 수 있습니다.

2) 전원 공급 장치
 스위칭 전원 공급 장치(Switching Power Supplies)에서는 보통 100 kHz ~ 500 kHz 정도의 PWM 주파수를 사용합니다. 이 범위에서는 효율과 구성 요소 크기(인덕터, 커패시터 등)가 적절히 균형을 이룹니다.

3) LED 조명 
 LED 조명 제어에서는 일반적으로 10 kHz ~ 50 kHz 범위가 사용됩니다. 이 범위는 눈에 보이지 않도록 하면서도 효율적인 스위칭을 제공합니다.

4) 전기차
 전기차의 인버터나 모터 드라이버에서는 보통 10 kHz ~ 50 kHz 범위의 PWM 주파수를 사용합니다. 이 범위는 모터 제어에서 적당한 효율성과 응답 속도를 제공합니다.

 

결론

PWM 스위칭 주파수는 PWM 신호의 주기가 얼마나 자주 반복되는지를 나타내는 주파수입니다. PWM 주파수는 애플리케이션에 따라 다르지만, 보통 10 kHz ~ 100 kHz 범위에서 사용됩니다. 주파수를 선택할 때는 효율성, 응답 속도, 전자기 간섭(EMI), 스위칭 소자의 특성 등을 고려해야 합니다. 너무 낮은 주파수는 효율성을 떨어뜨리고, 너무 높은 주파수는 스위칭 손실과 EMI를 증가시킬 수 있기 때문에, 적절한 주파수 선택이 중요합니다.