PWM

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익명

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2025.10.05

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PWM

개요

PWM(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조)는 아날로그 신호를 디지털 방식 제어하거나 표현 위한 핵심 전자공학 기술 중 하나입니다. PWM은 일정한 주파수를 유지하면서 펄스의 폭(즉, 고전압 상태가 유지되는 시간)을 조절함으로써 평균 전력 또는 전압을 가변적으로 제어할 수 있게 해줍니다. 이 기술은 모터 속도 제어, 밝기 조절, 전압 조정, 오디오 신호 생성 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

PWM의 가장 큰 장점은 고효율성입니다. 스위칭 소자를 사용하여 전원을 빠르게 켜고 끄기 때문에, 전력 손실이 적고 열 발생도 최소화됩니다. 또한, 디지털 제어 기반으로 구현하기 쉬워 마이크로컨트롤러(MCU)와 같은 임베디드 시스템에서 매우 흔하게 활용됩니다.

PWM의 원리

기본 개념

PWM 신호는 두 가지 주요 파라미터로 정의됩니다:

주기(Period): 펄스가 반복되는 시간 간격
드라이브 비율(Duty Cycle): 고전압 상태가 유지되는 시간이 주기에서 차지하는 비율

드라이브 비율은 보통 백분율(%)로 표현되며, 다음과 같이 계산됩니다:

[ \text{Duty Cycle} = \left( \frac{\text{High Time}}{\text{Period}} \right) \times 100\% ]

예를 들어, 1kHz 주파수의 PWM 신호는 주기가 1밀리초(ms)이며, 이 중 0.3ms 동안 고전압 상태라면 드라이브 비율은 30%입니다.

평균 전압

PWM 신호의 평균 전압은 드라이브 비율에 비례합니다. 예를 들어, 5V 전원을 사용할 경우:

0% 드라이브 비율 → 평균 전압: 0V
50% 드라이브 비율 → 평균 전압: 2.5V
100% 드라이브 비율 → 평균 전압: 5V

이를 통해 디지털 회로에서 아날로그적인 제어를 가능하게 합니다.

PWM의 응용 분야

1. 모터 속도 제어

PWM은 DC 모터의 속도를 제어하는 데 매우 효과적입니다. 모터에 인가되는 평균 전압을 조절함으로써 회전 속도를 부드럽게 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 드라이브 비율을 점진적으로 증가시키면 모터가 서서히 가속됩니다.

2. LED 밝기 조절

LED의 밝기는 전류에 비례하지만, 전류를 직접 제어하는 것보다 PWM으로 주기적으로 전원을 공급하는 것이 더 효율적입니다. 이 방식은 색상 왜곡 없이 밝기를 정밀하게 조절할 수 있으며, '디밍'(dimming) 기술로 널리 사용됩니다.

3. 전력 조절 및 전압 변환

스위칭 전원 공급기(SMPS)에서는 PWM을 이용해 출력 전압을 조절합니다. 예를 들어, 부스트 컨버터나 벅 컨버터에서 PWM 신호를 통해 MOSFET을 제어하여 원하는 전압을 생성합니다.

4. 오디오 신호 생성

PWM은 저비용 마이크로컨트롤러에서 오디오 신호를 출력하는 데도 사용됩니다. 드라이브 비율을 음원 신호에 따라 빠르게 변화시키면, 필터를 통해 아날로그 오디오 신호를 재구성할 수 있습니다.

PWM 신호 생성 방법

하드웨어 방식

타이머/카운터 회로: 마이크로컨트롤러 내장 타이머를 사용하여 정확한 주기와 드라이브 비율을 생성합니다.
PWM 전용 IC: TC4420, SG3525 등의 전용 IC를 사용해 고성능 PWM 신호를 출력할 수 있습니다.

소프트웨어 방식

비트뱅킹(Bit-banging): GPIO 핀을 소프트웨어로 직접 제어하여 PWM 신호를 생성합니다. 정확도는 낮지만, 하드웨어 리소스가 제한된 시스템에서 유용합니다.

대부분의 현대 마이크로컨트롤러(예: Arduino, STM32, ESP32)는 하드웨어 PWM 기능을 내장하고 있어 간편하게 사용할 수 있습니다.

주파수 선택의 중요성

PWM 신호의 주파수는 응용 목적에 따라 적절히 선택되어야 합니다:

응용 분야	권장 주파수 범위	설명
LED 밝기 조절	100Hz ~ 1kHz	눈에 깜빡임이 보이지 않도록 충분히 높아야 함
모터 제어	1kHz ~ 20kHz	가청 주파수 대역을 피하여 소음 감소
오디오 출력	30kHz 이상	신호 재구성 정밀도 향상

주파수가 너무 낮으면 깜빡임이나 진동, 소음이 발생하고, 너무 높으면 스위칭 손실이 증가할 수 있습니다.

기술	설명	PWM과의 차이점
PFM (Pulse Frequency Modulation)	펄스의 폭은 일정하고 주파수를 조절	PWM은 주파수 일정, 폭 조절
PAM (Pulse Amplitude Modulation)	펄스의 진폭을 조절	PWM은 진폭 일정, 폭 조절

참고 자료

Texas Instruments PWM 기초 가이드
Arduino 공식 문서 - analogWrite() 함수 설명
Sedra, A.S., Smith, K.C. "Microelectronic Circuits" (전자회로 분야 권위서적)
STM32 Reference Manual - Timer 및 PWM 모듈 설명

PWM은 디지털 시스템에서 아날로그 제어를 구현하는 핵심 기술로서, 전자공학 및 임베디드 시스템 설계에서 없어서는 안 될 요소입니다. 효율성, 정밀도, 구현 용이성의 균형을 잘 유지하고 있어, 과거부터 현재까지 다양한 산업 분야에서 지속적으로 활용되고 있습니다.

📝 마크다운 원본

이 문서의 마크다운 원본 내용입니다.

# PWM

## 개요

**PWM**(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조)는 아날로그 신호를 디지털 방식 제어하거나 표현 위한 핵심 전자공학 기술 중 하나입니다. PWM은 일정한 주파수를 유지하면서 펄스의 **폭**(즉, 고전압 상태가 유지되는 시간)을 조절함으로써 평균 전력 또는 전압을 가변적으로 제어할 수 있게 해줍니다. 이 기술은 모터 속도 제어, 밝기 조절, 전압 조정, 오디오 신호 생성 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

PWM의 가장 큰 장점은 **고효율성**입니다. 스위칭 소자를 사용하여 전원을 빠르게 켜고 끄기 때문에, 전력 손실이 적고 열 발생도 최소화됩니다. 또한, 디지털 제어 기반으로 구현하기 쉬워 마이크로컨트롤러(MCU)와 같은 임베디드 시스템에서 매우 흔하게 활용됩니다.

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## PWM의 원리

### 기본 개념

PWM 신호는 두 가지 주요 파라미터로 정의됩니다:

- **주기**(Period): 펄스가 반복되는 시간 간격
- **드라이브 비율**(Duty Cycle): 고전압 상태가 유지되는 시간이 주기에서 차지하는 비율

드라이브 비율은 보통 백분율(%)로 표현되며, 다음과 같이 계산됩니다:

\[
\text{Duty Cycle} = \left( \frac{\text{High Time}}{\text{Period}} \right) \times 100\%
\]

예를 들어, 1kHz 주파수의 PWM 신호는 주기가 1밀리초(ms)이며, 이 중 0.3ms 동안 고전압 상태라면 드라이브 비율은 30%입니다.

### 평균 전압

PWM 신호의 평균 전압은 드라이브 비율에 비례합니다. 예를 들어, 5V 전원을 사용할 경우:

- 0% 드라이브 비율 → 평균 전압: 0V
- 50% 드라이브 비율 → 평균 전압: 2.5V
- 100% 드라이브 비율 → 평균 전압: 5V

이를 통해 디지털 회로에서 아날로그적인 제어를 가능하게 합니다.

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## PWM의 응용 분야

### 1. 모터 속도 제어

PWM은 DC 모터의 속도를 제어하는 데 매우 효과적입니다. 모터에 인가되는 평균 전압을 조절함으로써 회전 속도를 부드럽게 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 드라이브 비율을 점진적으로 증가시키면 모터가 서서히 가속됩니다.

### 2. LED 밝기 조절

LED의 밝기는 전류에 비례하지만, 전류를 직접 제어하는 것보다 PWM으로 주기적으로 전원을 공급하는 것이 더 효율적입니다. 이 방식은 색상 왜곡 없이 밝기를 정밀하게 조절할 수 있으며, '디밍'(dimming) 기술로 널리 사용됩니다.

### 3. 전력 조절 및 전압 변환

스위칭 전원 공급기(SMPS)에서는 PWM을 이용해 출력 전압을 조절합니다. 예를 들어, 부스트 컨버터나 벅 컨버터에서 PWM 신호를 통해 MOSFET을 제어하여 원하는 전압을 생성합니다.

### 4. 오디오 신호 생성

PWM은 저비용 마이크로컨트롤러에서 오디오 신호를 출력하는 데도 사용됩니다. 드라이브 비율을 음원 신호에 따라 빠르게 변화시키면, 필터를 통해 아날로그 오디오 신호를 재구성할 수 있습니다.

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## PWM 신호 생성 방법

### 하드웨어 방식

- **타이머/카운터 회로**: 마이크로컨트롤러 내장 타이머를 사용하여 정확한 주기와 드라이브 비율을 생성합니다.
- **PWM 전용 IC**: TC4420, SG3525 등의 전용 IC를 사용해 고성능 PWM 신호를 출력할 수 있습니다.

### 소프트웨어 방식

- **비트뱅킹**(Bit-banging): GPIO 핀을 소프트웨어로 직접 제어하여 PWM 신호를 생성합니다. 정확도는 낮지만, 하드웨어 리소스가 제한된 시스템에서 유용합니다.

대부분의 현대 마이크로컨트롤러(예: Arduino, STM32, ESP32)는 하드웨어 PWM 기능을 내장하고 있어 간편하게 사용할 수 있습니다.

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## 주파수 선택의 중요성

PWM 신호의 주파수는 응용 목적에 따라 적절히 선택되어야 합니다:

| 응용 분야 | 권장 주파수 범위 | 설명 |
|----------|------------------|------|
| LED 밝기 조절 | 100Hz ~ 1kHz | 눈에 깜빡임이 보이지 않도록 충분히 높아야 함 |
| 모터 제어 | 1kHz ~ 20kHz | 가청 주파수 대역을 피하여 소음 감소 |
| 오디오 출력 | 30kHz 이상 | 신호 재구성 정밀도 향상 |

주파수가 너무 낮으면 깜빡임이나 진동, 소음이 발생하고, 너무 높으면 스위칭 손실이 증가할 수 있습니다.

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## 관련 기술 및 비교

| 기술 | 설명 | PWM과의 차이점 |
|------|------|----------------|
| PFM (Pulse Frequency Modulation) | 펄스의 폭은 일정하고 주파수를 조절 | PWM은 주파수 일정, 폭 조절 |
| PAM (Pulse Amplitude Modulation) | 펄스의 진폭을 조절 | PWM은 진폭 일정, 폭 조절 |

PWM은 안정성과 제어 용이성 면에서 가장 보편적인 방식입니다.

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## 참고 자료

- [Texas Instruments PWM 기초 가이드](https://www.ti.com)
- Arduino 공식 문서 - `analogWrite()` 함수 설명
- Sedra, A.S., Smith, K.C. "Microelectronic Circuits" (전자회로 분야 권위서적)
- STM32 Reference Manual - Timer 및 PWM 모듈 설명

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PWM은 디지털 시스템에서 아날로그 제어를 구현하는 핵심 기술로서, 전자공학 및 임베디드 시스템 설계에서 없어서는 안 될 요소입니다. 효율성, 정밀도, 구현 용이성의 균형을 잘 유지하고 있어, 과거부터 현재까지 다양한 산업 분야에서 지속적으로 활용되고 있습니다.

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