도시바의 구형 노트북 새틀라이트 L650 모델.
언젠가부터 팬이 점점 약해지더니 결국 정지하고 과열로 꺼진다.
처음엔 팬 자체의 문제라고 생각했지만, 꺼내서 외부 전원으로 직접 팬을 구동시켜 보니 문제가 없다.
그렇다면 냉각 제어 계통의 문제인데, 인터넷상에 같은 증상의 문제를 가진 사람들이 있는 것으로 보아 고질적인 문제로 파악되었다.(심지어 이 제어칩의 이상으로 냉각팬을 5V 전원과 직결해서 사용하는 경우도 있다)
도시바 L650 노트북의 팬컨트롤 회로
여기 사용된 팬콘트롤 IC
두개(991, 8872) 가 달라 보이지만 사실상 같은 칩이며 이 용도에 광범위하게 사용되는 것으로 보인다.
굳이 이 칩을 대체 할 필요는 없다. 아직 시장에 재고가 있기 때문에 구입해서 교체하면 된다.
그래도 굳이 "바퀴를 다시 만드는" 이유는 동일한 팬 컨트롤 불량 사례를 인터넷에서 종종 발견했으므로,
이 칩 자체에 설계결함 내지 제조결함으로 인한 내구성 문제가 있는 것으로 판단되기 때문에..
작동방식은 간단하다.
1. 냉각팬 제어 신호는 3V(3.3V) 로 구동되는 제어 CPU 에서 DAC (0~3.3V) 으로 출력됨.
2. 이 전압은 냉각팬 컨트롤러 IC 입력에 연결되고 1.6 배 곱해져 팬을 구동한다.
따라서 팬은 0V 부터 최대 5V 로 작동하게 된다.
적당한 OP-AMP 와 구동용 트랜지스터를 생각해보는데, 이미 세트로 갖춰진 소출력 오디오 앰프인 LM386 을 응용해도 되겠다는 생각이 스쳤지만 팬의 작동 정격이 0.25W 를 초과(돌입전류로 인한 순간 소모전력은 이보다 더 높을 것)이므로 LM386 출력 스테이지의 한계로 응용불가 판단. 따라서 OP-AMP 로 전압이득 1.6 배 증폭하고 출력 버퍼로 MOS-FET 를 쓰는 회로를 만들기(설계)로 한다.
이제부터는 조금 골아픈 얘기가 나온다.
OP-AMP 는 여러가지가 있다.
BJT.. 범용 741, 358, 324.. 4558.. etc
JFET 입력 저잡음, 071, 072, 074, 082, 084.. etc
MOS-FET 입력, CA3401... etc
FULL MOS-FET(Rail to Rail) TLC2272, 2274 etc..
책 또는 학교에서 배울 때에는 OP-AMP 는 다 같은 것처럼 나오지만 실제로는 품번에 따라 전혀 다른 특성을 가지고 있고 특히 단일전원(Single supply) 에서 DC 증폭에 사용할 때는 훨씬 더 까다롭다.
고려해야할 것은 크게 두 가지로 입력단에서의 DC offset 문제, 출력단에서의 Raill to Rail 지원 여부가 있다.
여기서는 5V 단일전원이므로 Rail To Rail(TLC....) 이 되는 신형 OP-AMP 를 쓰는게 가장 간단하지만..
이런 소규모 응용회로에 굳이 이 좋은걸(?) 쓸 필요는 없을거 같아서 부품상자에 쌓여있는 LM358 을 쓰기로 한다.
전술한대로 OP-AMP 마다 특성이 다르며 LM 358 은 입력 오프셋 문제는 둘째치고 Rail to Rail 도 아니므로 단일전원에서 Output swing 에 한계가 있다.
단일전원 5V 에서 부하저항이 충분히 높으면(데이터 시트상 10K) GND 쪽으로는 거의 0V 까지도 내려가지만 VCC 방향으로는 3.3~3.5V 가 한계이다. 결론은 5V 단일 전원으로 구동할 때 0~3.5V 범위의 출력만 갖는다. 이것은 나중에 출력 버퍼를 구동할 때 문제가 된다.
설계시에 "공학용 계산기" 등을 쓸 수도 있으나 요즘 같은 시대에 굳이 어렵게 그럴 필요는 없고 적당한 SPICE 툴을 쓴다. 여기서는 가장 구하기 쉬운 LT SPICE (리니어 테크롤로지사에서 공짜로 배포하는 SPICE) 를 쓴다.
이외에도 PSPICE 등 여러가지 프로그램이 있으며 이런 프로그램을 사용하지 않고 계산기만 가지고 하려면 일이 더디게 진행된다. LT SPICE 에서는 자사의 부품만 제공하므로 최대한 비슷한 규격의 부품을 선정, 구성한다.
다시한번 얘기하지만, 교과서 혹은 책에서 나오는 이상적인 OP-AMP 와 실제 부품의 작동은 차이가 있다.
간단히 설계 완성된 회로, 부하는 R4 가 대신한다.
입력범위는 0~3V 를 상정하고 U1 은 1.6 배 증폭, U2 는 P-CH MOS-FET 구동을 위한 반전 버퍼(유니티게인)
출력전압을 유지하기 위한 피드백은 부하에서 U1 의 (-) 입력으로 전압 분할(1.6 분할)되어 공급되고 (+) 입력에 공급되는 입력 전압과 비교되어 최종적으로 출력 전압이 조정된다.
입출력을 시뮬레이션 해보면 완벽한 선형은 아니지만 0~2.X V 범위 입력에서 출력이 0~5V 까지 가변 되므로 충분하다.
이것은 오디오 증폭기가 아니므로 slew rate 도 고려 사항이 아니다, 오히려 고속 광대역 opamp 는 발진 가능성 때문에 이런 용도에는 적합하지 않다.
여기서 부터 또 조금 골아픈 내용이다.
실제로는 LT1413 이 아니라 LM358 이므로 출력 전압이 5V 까지 올라가지 못하게 된다.(약 3.3~3.5 부근)
실제 사용될 P-MOS 인 AO3401 의 경우 Vgs(th) 가 약 -1V 이므로 최소 4V 이상 공급되어야 완전히 OFF 시킬 수 있다.
여기서 약간의 트릭으로 LM358 출력에 1K 를 직렬로 P-MOS 게이트로 가고 P-MOS 게이트와 +5V 사이에 1K 저항을 병렬로 연결한다. 이렇게 하면 게이트가 1K 저항으로 Pull-UP 되므로 LM358 에서 3.5V 만 출력되더라도 5V 에 도달하고 완전히 꺼질 수 있다.
실제로는 게이트 전압이 스레시홀드 전압인 4V 전후 의 좁은 구간에서 피드백이 발생하고 팬이 ON-OFF 될 것이므로 5~4V 사이의 좁은 구간만 Gate 에서 유지되면 작동에 전혀 문제가 없다.
완성된 제어 모듈이 노트북 메인보드에 장착되기 전 모습. (SMD type LM358을 사용하여 변환기판 위에 구성)
※ 문제 없이 잘 작동함.