Highside, Lowside 제어

 

모터제어는 스위치의 위치에 따라서 highside와 lowside로 나뉜다. 차량은 샤시를 그라운드로 사용하기 때문에 스위치의 위치에 따라서 제어에 필요한 국동 소자와 쇼트 등 안전을 위한 설계가 변하게 된다. 만약 스위치가 배터리 측에 위치한다면 Highside, 스위치가 그라운드에 위치한다면 Lowside로 구분한다. 스위치는 MOSFET나 릴레이가 될 수 있다.

 

•  Low-Side Control (Ground-Side Switching)
  • 스위치는 모터와 그라운드 사이에 위치하며, 모터에는 항상 배터리 전압이 연결되어 있으나 스위치가 닫히는 순간에만 모터가 동작한다.스위치로 사용되는 FET의 게이트 전압은 그라운드 보다 높아야 하며, 일반적으로 N 채널 FET를 사용한다. 모터 와이어링은 Vb와 M- 2개의 와이어링이 필요하다
  • 장점: 회로가 간단해서 설계 및 구현이 쉽다. N채널 FET는 P채널 FET 대비 저렴하고 저항이 낮고 빠른 스위칭 속도를 지원한다.
  • 단점: 스위치가 Off인 경우 모터 단자가 floating되어 배터리 전압이 상시 모터 단자 및 와이어링에 존재하며 FET가 고장나면 모터가 배터리에 연결된 상태로 유지될 수 있어서 안전에 적합하지 않음. 전류 센싱이나 진단을 쉽게 구현하기 어렵다.

• High-Side Control (Power-Side Switching)
  • 스위치는 배터리 전압과 모터 사이에 위치하며, 모터는 항상 그라운드가 연결되어 있다. 모터는 스위치가 닫힐때 전력이 공급된다. 스위치로 사용되는 FET의 경우 N채널인 경우 게이트 전압은 배터리 전압보다 높아야 하며, P 채널 사용사용시에는 게이트 전압은 배터리 전압보다 낮아야 한다. 모터 와이어링은 M+가 필요하며, M-는 샤시 그라운드에 연결 가능하다. 
  • 장점: 스위치가 Off인 경우 모터는 항상 그라운드에 연결되어 전압이 floating되는 것을 방지한다. 전류 감지, 진단 및 장애 안전 매커니즘과 잘 작동한다. 자동차 ECU는 신뢰성과 오류 감지를 위해 Higiside drive를 더 선호한다.
  • 단점: 효율이 낮은 P채널 FET를 사용하거나 N채널 FET를 사용하는 경우 Source단 보다 높은 전압을 Gate에 공급해야 하기 때문에 bootstrap이나 charge pump회로가 필요하여 회로가 복잡해진다. Lowside 대비 가격이 비싸다.

 

 

결론

간단하고, 저렴한 솔루션, 진단이나 failsafe 보호가 필요하지 않은 곳에는 Lowside 스위칭이 좋고, 좀더 안전하고 ECU에서 제어하거나 고급 모니터링을 원하면 Highside 스위칭이 좋다.