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강사 – 고준영
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[제조 길잡이] PCB 설계는 어떻게 이뤄지나요? – 카파(CAPA)
PCB 설계는 회로도에 포함된 전자부품 간의 배선을 효율적으로 배치하는 작업입니다. 단순히 부품의 위치를 정하는 수준과는 다릅니다.
Source: blog.capa.ai
Date Published: 10/14/2022
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전자회로 설계 [PCB Solution] – 초급 –
Cadence Allegro & OrCAD PCB Designer v16.2. 전자회로 설계. [PCB Solution]. – 초급 -. 나인플러스EDA(주). 서울특별시 금천구 가산동 481-4 벽산 디지털밸리 6차 …
Source: inc.honam.ac.kr
Date Published: 4/27/2022
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PCB제작은 25000원인데, PCB설계비는 50만원인 이유 > faq
PCB설계는 실제 전자부품을 Board에 꽂는 기판을 만드는 후 과정이라면, 상징적 부품을 불러내서 전자회로 도면을 설계합니다.
Source: www.rndtech.co.kr
Date Published: 7/19/2022
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PCB 설계 프로그램 | Autodesk – 오토데스크
Autodesk EAGLE은 PCB 설계 프로그램입니다. 이러한 도구와 리소스를 사용하여 프로젝트를 위한 인쇄 회로 기판을 작성하고 설계합니다.
Source: www.autodesk.co.kr
Date Published: 8/14/2021
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사업분야 | 회로설계부터 PCB제작까지 글피씨엔에스(C&S)
PCB설계는 회로설계 단계에서 부품선정이 모두 완료되고 나면 기판에 장착되는 솔자의 크기와 역할 등을 고려하여 아트웍(ARTWORK) 등 컴퓨터 프로그램을 활용하여 …
Source: glpicns.com
Date Published: 12/12/2022
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[PCB #1] PCB 설계란? (EMI에 강한 설계)
PCB설계 란? PCB란 Printed Circuit Board의 준말이며, 인쇄회로기판이다. 인체로 비유하면 피가 흐르는 혈관과 신경라인을 만드는 …
Source: openstory.tistory.com
Date Published: 6/10/2022
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- Date Published: 2020. 8. 4.
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[제조 길잡이] PCB 설계는 어떻게 이뤄지나요?
PCB(Printed Circuit Board)는 제품에 특정한 기능을 부여하기 위해 반도체를 비롯해 다양한 부품을 하나의 판 위에 모아놓은 인쇄회로기판입니다. 부품이나 배선 등이 워낙 복잡하게 얽혀있다 보니 무턱대고 만들기에 앞서 철저한 설계 과정이 필수적입니다. 본격적인 제조, 건축에 들어가기에 앞서 ‘설계’를 우선적으로 해야한다는 점에서 집짓기와 비슷하다고 할 수 있습니다.
집을 짓기 위해선 먼저 ‘어떤 집’을 지을지에 대한 큰 그림을 그려놓는 작업이 필요합니다. 평수는 어느 정도로 할 것인지, 방은 몇 개로 할 건지, 방마다 창문은 몇 개씩 배치할 것인지, 층과 층 사이를 연결하는 계단은 어느 곳에 위치시킬 것인지 등등 전체적인 구조가 짜여야만 삽을 들지 포크레인을 부를지도 결정할 수 있겠죠. 창문이 있어야 하는 방인데 사방이 막힌 방으로 만들고 나서 깨닫게 되는 불상사도 방지할 수 있고요.
PCB 역시 마찬가지입니다. 특정 기능을 하는 회로기판을 만들기 위해서는 PCB 기판의 크기, 부품은 몇 가지 종류를 어떻게 배치할지, 레이어(layer)의 수, 부품들을 전기적으로 연결하는 홀(hole)은 어디에 뚫을지 등등 완성된 PCB의 모습에 대한 밑그림을 먼저 그려놓아야 본격적인 제조에 들어갈 수 있습니다.
PCB 제조를 위해 가장 처음 맞닥뜨려야하는 시작 단계지만, 결국 마지막 단계를 염두에 두고 작업해야 하는 단계. 오늘은 PCB 설계에 대해 알아보겠습니다.
PCB 설계란?
PCB 설계는 회로도에 포함된 전자부품 간의 배선을 효율적으로 배치하는 작업입니다. 단순히 부품의 위치를 정하는 수준과는 다릅니다. 부품들이 전기적인 특성을 띠기 때문에 전류의 용량, 전류의 간섭 등 고려해야 할 지점들이 상당히 많습니다. 하나의 부품을 배치해도 주변 부품과의 관계, 전기 배선의 위치 등 수많은 변수를 한 번에 고민해야 합니다. 이 때문에 PCB 설계는 레이아웃(layout)이라고도 표현하지만, 아트워크(artwork)라고도 불립니다.
PCB는 특정한 기능을 하도록 고안된 회로기판입니다. 기기가 원하는 방식대로 작동하려면 수많은 부품들이 설계도에 따라 적정한 위치에 적절하게 배치되어야 할 것입니다. 본격적인 설계에 앞서 각각의 부품이 어떤 역할을 하는지 파악하는 것은 선행되어야 할 것입니다. PCB에 실장되는 주요 부품 가운데, 가장 많이 사용되는 부품 10가지에 대해 먼저 알아보겠습니다.
PCB 부품의 종류
① 저항(기)
다양한 색깔의 저항들. (사진=모션엘리먼츠)
저항(기)은 전류가 과도하게 흐르지 않도록 해줌으로써 과열에 따른 화재나 부품의 파손을 막아주는 기능을 하는 부품입니다. 위 사진 붉은 원 안에 있는 부품이 있는데요, 숫자가 적혀있는 것을 볼 수 있습니다. 여기에 적힌 숫자는 저항값을 의미합니다.
흔히 사용하는 저항 부품에는 아래 그림과 같이 각기 다른 색깔의 띠가 새겨져있습니다. 띠의 색깔은 물론 갯수와 위치에 따라 나타내는 저항값(단위 : Ω ‘옴’)이 달라지게 됩니다. 색깔에 따른 차이는 위 표를 참고하면 됩니다. 그러면 아래 그림을 통해 실제로 저항값을 구해볼까요.
(출처 : www.seeedstudio.com)
위 사진에서처럼 띠가 3개 그어져 있다면 처음 두 밴드는 저항 값의 처음 두 숫자를 나타내고, 세 번째 밴드는 10에 대한 승수를 나타냅니다. 즉, 아래와 같이 표현할 수 있습니다.
AB × C ± 20%
마지막 숫자 20%는 오차를 의미합니다. 오차가 별도로 표기되지 않은 경우엔 기본 허용 오차(± 20%)를 적용합니다.
위 사진에서는 갈색과 검정색 밴드가 사용됐는데요, 표에 대입해 보면 첫 번째 갈색 밴드는 1을, 두 번째 검은 밴드는 0을 의미한다는 것을 알 수 있습니다. 이에 따라 AB는 ‘10’을, C는 10¹을 의미하게 됩니다. 정리하면 아래와 같습니다.
10 × 10¹ ± 20% = 100 Ω ± 20%
색 띠의 갯수에 따른 규칙은 아래처럼 달라집니다.
4개 : AB × C ± D%
5개 : ABC × D ± E%
6개 : ABC × D ± E%, F
*F는 온도 변화 계수(단위 %, 온도 변화에 따른 저항치의 변화율)를 의미합니다.
이제 각기 다른 색깔의 띠가 6개쯤 있더라도 저항값을 읽어내는 건 문제 없겠죠?
② 트랜지스터
트랜지스터는 스위치 혹은 증폭기의 역할을 할 수 있는 반도체 장치입니다. 전도, 절연이 가능하죠. 다양한 기능을 하는 부품으로 PCB 회로 공정에서 매우 중요한 부품으로 꼽힙니다. 크기가 작고 수명이 상대적으로 깁니다.
③ 커패시터 혹은 콘덴서
에너지를 저장하는 부품입니다. 일종의 충전식 배터리 역할을 합니다. 일시적으로 전하를 유지하고 회로의 다른 곳에서 더 많은 전력이 필요할 때마다 에너지를 방출해줍니다.
④ 인덕터
인덕터는 커패시터와 마찬가지로 에너지를 저장하는 기능을 합니다. 인덕터는 커패시터와 달리 에너지를 자기장의 형태로 저장합니다. 인덕터를 둘러싸는 코일의 형태는 다양합니다. 자기 코어를 감싸는 형태가 자기장을 증폭시키는 역할을 해 결과적으로 저장 에너지를 증폭합니다. 인덕터는 무선 장비의 간섭을 차단하거나, 특정 신호를 차단하는 데에 사용되기도 합니다.
⑤ 변압기(트랜스포머)
변압기는 전압을 증가 혹은 감소시키고 한 회로에서 다른 회로로 전기 에너지를 전달하는 역할을 합니다. 변압기를 통해 전압이 ‘변형’된다고 볼 수 있습니다. 인덕터와 마찬가지로 변압기는 적어도 2개 이상의 코일이 감겨있는 철 코어로 구성됩니다. 2개의 코일은 △소스 코일과 △회로 보조 코일입니다.
PCB에 사용되는 변압기의 원리는 길가에 서있는 전신주와 비슷합니다. 다만, 전신주에 사용되는 변압기는 규모가 훨씬 큰 산업용 변압기인데요, 산업용 변압기는 오버헤드 전송선(전력이 생성된 스테이션에서 최종 목적지까지 전력을 보내는 선)에서 보내지는 수십 만 볼트의 전압을 일반 가정에서 사용하는 수준인 수백 볼트의 전압으로 조절할 수 있습니다.
⑥ 다이오드
다이오드(좌)와 발광다이오드 LED(우). (사진=셔터스톡)
다이오드는 전류가 흐르는 방향을 바꿔주는 장치입니다. 전류가 잘못된 방향으로 흐르게되면 보드와 다른 부품이 망가질 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해 다이오드를 설치해 잘못된 전류의 흐름을 차단하는 역할을 하는 것이죠. 요즘 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 LED(발광 다이오드)도 다이오드의 한 종류로, 빛을 내는 것(발광)이 특징입니다.
⑦ 사이리스터
(출처 : ko.pnpmachine.com/)
사이리스터(Thyristror)는 회로의 연결을 제어하는 스위칭 소자입니다. 별칭으로 SCR(Silicon Controlled Rectifier, 실리콘 제어 정류기)라고도 부릅니다. 스위칭 역할을 한다는 점에서 스위치나 트랜지스터와 비슷한 기능을 하지만, 작동 방식에는 다소 차이가 있습니다.
스위치는 손으로 스위치를 눌렀을 때만 회로가 연결되는 데 반해, 사이리스터는 일정 이상의 전압을 가했을 때 회로가 연결됩니다. 더 많은 전력을 사용하도록 전환해야할 때 적합한 부품입니다.
⑧ 전위차계
전위차계(potentiometer)는 저항값을 바꿔주는 기능을 합니다. 저항값을 조절하면, 전압 또한 달라지게 됩니다. 전위차계의 목적은 저항값을 변경해 전압을 제어하려는 데에 있습니다.
직렬로 연결된 두 저항의 스위치를 바꾸면 각 저항에 걸리는 값을 조절할 수 있게 됩니다. 전위차계가 작동하더라도 개별 저항의 값이 달라질 뿐, 연결된 저항의 합산 값이 달라지지는 않습니다. 저항의 합산 총량 안에서, 각 저항에 걸리는 저항값을 키우고 줄여서 조절할 수 있는 것입니다.
⑨ 집적회로(IC)
집적회로(좌, 출처=셔터스톡)와 집적회로의 내부(우, 출처=devicemart.blogspot.com).
하나의 반도체 기판 위에 각각의 회로소자(다이오드, 트랜지스터 등 회로를 구성할 때 사용하는 전자부품)가 분리되지 않은 고밀도의 상태로 집적(集積)된 전자회로를 말합니다. 흔히 IC(Integrated Circuit)라고 불립니다. 형태적으로는 부품, 또는 소자(素子)이지만 기능적으로는 많은 소자로 구성된 회로입니다.
⑩ 수정 발진기
수정발진기는 수정(Crystal)을 이용하여 전기 진동을 일으키는 장치입니다. 전기 진동을 통해 원하는 수준의 ‘주파수’를 만들게 되죠.
수정은 종류·형상·크기 등에 따라 고유 진동 주파수가 달라집니다. 수정 발진기 안에는 극판에 붙은 수정조각이 있습니다. 수정에 압력이 가해지면 전압이 발생하고, 전압이 가해지면 모양이 변형(압전변환작용)됩니다. 전기 진동과 주파수를 만드는 데에는 이러한 수정의 특성이 활용됩니다.
회로는 보통 데이터를 무선으로 송수신할 때 진동이나 주파수가 필요합니다. 수정발진기를 이용하면 보통 수십kHz에서 수십MHz까지 주파수를 만들 수 있습니다.
복잡한 부품 배치, ‘거버파일’로 해결
각 부품별 특성과 고려 사항 등을 검토했다면 이제 직접 PCB를 설계할 차례입니다. 즉, 각각의 특성에 따라 선택한 부품들을 PCB 기판 위에 배치하고 전기 배선을 연결하도록 설계도를 구성하는 것입니다.
PCB 설계 시에는 부품들의 위치, 전선의 배치뿐만 아니라 기판의 크기, 레이어별로 연결되는 홀(hole)과 레이어 층수 등 다양한 변수들이 포함돼야 합니다. 부품이 많을수록 연결해야 하는 전기 배선은 더 많고 복잡해질 수밖에 없습니다.
이렇게 복잡한 요소들을 어떻게 일일이 정리할까요. 너무 걱정할 필요는 없습니다. 부품의 배치부터 전기 배선, 홀과 솔더마스크까지. 복잡하고 다양한 변수를 보기 쉽게 정리해주는 툴(tool)이 있기 때문입니다. 그 역할을 하는 것이 바로 ‘거버파일(Gerber file)’입니다. PCB 설계를 의뢰했을 때 결과물로 받게 되는 것이 바로 ‘거버파일’이죠.
거버파일(Gerber file)이란?
거버파일은 PCB 회로 기판의 구성요소(솔더 마스크, 동박 패턴 등)와 외형 가공 정보(드릴, 라우터 등)를 컴퓨터 상에서 알기 쉽게 표현해주는 대표적인 파일 형식입니다.
*라우터(Router) : 원하는 제품 크기 형태로 가공하기 위해 PCB 외각을 다듬는 방법>
1980년대 오스트리아 출신의 발명가이자 사업가인 조셉 거버(Joseph Gerber)가 발명해서 그의 이름을 따 ‘거버 파일’로 명명되었습니다. 조셉 거버가 경영했던 ‘Gerber Scientific’사는 지난 1998년 벨기에의 ‘Barco’s ETS(Electronic Tooling Systems)’사에 인수됐습니다. 현재는 Barco’s ETS에서 분사한 ‘Ucamco’사가 지속적으로 거버 포맷을 업데이트하고 있습니다.
그렇다면 거버 파일에는 어떤 조건들을 담을 수 있을까요? 거버 파일을 구성하는 핵심 요소들을 살펴보고, 설계 전에 필요한 내용들이 무엇인지 알아보겠습니다.
거버 파일의 핵심 구성요소
거버파일 예시 화면. (출처 : saplepcb.co.kr)
솔더마스크
솔더마스크는 PCB의 구리 트레이스를 보호하고 전기 단락을 방지하기 위해 PCB를 덮는 코팅을 말합니다. PCB 기판을 덮고 있는 초록색 코팅이 솔더마스크입니다. 솔더마스크 코팅을 하면 납땜을 했을 때 납이 주변으로 번지지 않고, 제자리에 잘 머무르게됩니다. 솔더마스크의 기본 컬러는 녹색이지만, 파란색, 빨강색, 흰색, 검정색, 노란색 등 다양한 컬러가 있습니다.
실크스크린
실크스크린은 PCB의 최상위층을 말합니다. 실크스크린에는 PCB 기판위에 실장될 부품의 배치가 흰색 선으로 표현됩니다. 실크스크린에는 PCB에 실장된 부품들의 번호, 테스트 포인트, 극성 등이 표현됩니다. 실크스크린은 인덕터, 저항 등 부품들의 값을 지정해 잘못된 위치에 부품을 배치하는 것을 방지할 수 있습니다. 흰색 잉크 외에도 빨강, 검정, 노랑, 파랑 등 다양한 색상이 사용될 수 있습니다.
실크스크린 위에 표현된 전기 배선(연한 초록색 선)과 부품 위치(C107 등은 부품 번호를 의미).
솔더페이스트
솔더페이스트는 PCB 기판 위에 납땜으로 붙이는 물질을 말합니다. 납땜용 합금이라고도 하는 솔더 페이스트는 ‘접착제’의 역할을 합니다. PCB 기판 위에 솔더 페이스트를 바르고 부품을 배치하고 열을 가하면 고정됩니다. 솔더페이스트는 플럭스(산성 혼합물의 하나로 끈적이는 물질) 중 하나입니다. 솔더페이스트는 파우더 입자처럼 곱게 갈린 납 합금이 포함돼있는 플럭스죠. 솔더페이스트는 PCB 기판 위에 부품을 고정시키는 역할 이외에도 △접촉면을 깨끗하게 하고 △접촉면이 산화되는 것을 방지하는 기능을 합니다.
SMT(표면 실장 기술, Surface Mount Technology)
PCB 기판의 표면에 직접 실장할 수 있는 표면 실장 부품을 PCB 구멍에 삽입하지 않고 전자 회로에 솔더링(Soldering, 납땜)하여 부착시키는 기술을 말합니다. SMT 기술은 고밀도 실장을 실현하는 핵심 기술 중 하나입니다.
메탈마스크
PCB 기판에 SMD(표면 실장 부품, Surface Mounted Device) 부품을 쉽게 납땜하기 위해 SMT 기기에 고정시키기 위한 일종의 지그를 말합니다. SMT 기기를 사용하지 않는 경우라도, 최근에는 손쉽게 부품조립을 하기 위해 많이 사용되고 있습니다.
정교한 표면실장기술(SMT).
자삽
자동 삽입기에 기판을 장착해 부품 삽입 시 부품 좌표의 기준이 되는 홀을 말합니다. PCB에 부품을 실장할 때 자삽이 있으면 자동으로 장비가 인식마크를 인식해서 특정 부품을 삽입할 수 있도록 합니다.
동박
동박은 전기 배선을 형성하는 얇은 구리 판을 말합니다. 단위는 oz(ounce)를 사용합니다. 일반적으로 사용하는 기판에서는 1oz가 많이 사용되고 있습니다.
VIA홀
비아 홀은 부품을 삽입하지 않고 회로를 구성하는 구멍을 말합니다. 비아 홀은 금속(주로 구리, Cu)으로 도금되어 층과 층 사이를 전기적으로 연결합니다.
PCB설계 의뢰, 제작목적과 시나리오 작성이 핵심
거버파일과 함께 PCB 설계를 제대로 의뢰하기 위해서는 파트너(제조업체)에게 필수적으로 전달해야 하는 내용들이 있습니다. 가장 필수적인 요소로 △제작 목적과 △시나리오가 있습니다. 원하는 제품을 정확하게 만들기 위해서는 제작 목적과 시나리오를 어떻게 작성해야 하는지 살펴보겠습니다.
제작 목적이란 어떤 기능을 하는 제품을 만들고자 하는지를 말합니다. 전체적인 제품에 대한 컨셉을 의미하기도 하는데요. 이를 테면 ‘진공관 시계를 만들고싶다’ ‘히터제어 모듈을 만들고싶다’ 등이 예시가 될 수 있습니다.
시나리오는 제품의 기능적인 부분에 대한 설명입니다. 제품이 어떤 식으로 작동됐으면 좋겠다는 내용을 구체적으로 기입합니다.
제작 목적과 시나리오를 명확하게 적어주는 것이 가장 중요하지만, 여기에 더해 제품이 사용할 전원(전압), 실장되는 부품들의 모델명 등 제품(부품) 스펙까지 적어준다면 금상첨화입니다. 이러한 정보를 기입하면 PCB 제작 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.
아래는 실제 현장에서 사용되는 PCB 설계 시나리오의 예시입니다. 구체적인 사례를 통해 어떻게 작성하는 것이 좋을지 살펴보겠습니다.
PCB 설계 시나리오 실전사례
사례 1 ★☆☆☆ : 제작 목적/시나리오 Bad
온도 조절기에 사용하고자 하며, 제품에 열선을 장착해 히팅시키는 ‘히팅 자켓’입니다.
필요한 기능은 아래와 같습니다.
1. 히팅 중 이 회로의 저항 변화를 실시간으로 확인 가능한 제품
2. 4채널, 16채널 이상의 온도 조절 가능한 제품(display 가능한 제품 연결)
이상의 사례는 제작 목적과 시나리오가 명확하지 않습니다. 제품에 대해 너무 포괄적으로 적은 경우인데, ‘히팅 자켓’이 구체적으로 무엇을 말하는지, 어떤 기능을 하는 제품인지 등에 대해 보다 상세히 풀어서 설명할 필요가 있습니다.
사례 2 ★★☆☆ : 제작 목적/시나리오 Good, 스펙 X
진공관 시계를 만들려고 합니다. 진공관과 소켓은 저희가 공급할 수 있습니다. 보내드리는 PDF 도면에는 스위치가 3개 있고, 부저도 있는데요. 저희는 스위치 2개로 시간 수정 변경만 가능하게 프로그래밍 해주시면 됩니다. 프로그램도 짜주셔야 하고요, 진공관이 종류별로 사이즈 등이 조금씩 다르기 때문에 PCB를 이중구조로 만들어서 밑판에는 회로가 있고 윗판에는 진공관만 있는 구조를 생각하고 있습니다. PCB 설계 및 시제품 제작, 프로그래밍까지 하는데 들어가는 제품 개발비용이 어느정도일지 알려주시면 감사하겠습니다.
이번 사례는 첫 번째 사례보다는 제작 목적이 비교적 명확합니다. 다만, 전체적인 방향은 나와있지만 제품에 대한 스펙은 전혀 나와있지 않습니다. 전원은 220V인지, 110V인지, 배터리 방식인지 등에 대한 내용이 추가되는 것이 좋습니다.
사례 3 ★★★☆ : 제작 목적/시나리오 Great, 스펙 OK
PCB 히터제어 모듈을 개발하고 싶습니다. 현재 PLC를 사용하여 SSR로 제어를 하고 있습니다. 부피를 줄이기 위해 PCB 개발이 필요합니다. PCB를 개발하는 이유는 PLC를 대체하고자 함과 PANEL의 사이즈를 줄이고자 함입니다. 17개의 히터를 제어하는 데에 HMI에 모니터링이 가능해야합니다. 온도값 역시 제어가 가능해야 합니다. 또한 중앙 통제실의 모니터에 온도 데이터를 가져가는 방식이고, 중앙통제실에서 TCP/IP로 데이터를 가져가는 방식입니다. 따라서 HMI와 PC의 통신은 이더넷으로 해야하며 각각의 히터단선 및 온도보상도선의 단선도 검출을 해야합니다. 그리고 메인 장비와의 인터록도 해야합니다. 온도가 최저나 최고점이 되었을 때 장비에 신호를 줘서 알람이 울리게 해야합니다.
전원은 110V입니다. 제어할 히터는 모두 17개이고, 히터 각각의 최고 온도는 220도, 상시 150도, 최저 130도입니다. 개발이 완료되면 100여장 정도를 먼저 생산할 예정입니다. 개발비와 100여 장 양산 시 견적을 주시면 감사하겠습니다.
제작 목적과 시나리오가 잘 정리된 모범 사례입니다. 시제품 제작 전문 카파 파트너인 ‘레인메이커’ 김성회 대표는 이번 사례에 대해 “제품을 제작하는 목적, 동작을 위한 시나리오가 잘 적혀있는 사례”며 “전원, 최고 온도 등 주변 스펙을 포함한 내용들이 추가돼있어 잘 작성해주신 시나리오”라고 말했습니다.
사례 4 ★★★☆ : 제작 목적/시나리오 Good, 제품 스펙 Good
토양에 수분이 없을 경우 액정에 표시해 알람을 해주고, 버튼을 이용해 시작정지 타이머를 돌려 15초간 순환모터를 작동시키고 꺼지게 하는 기능을 만들고 싶습니다. 설계 시 PCB 크기와 설계 비용, 샘플 비용 대량생산 시 비용을 알고 싶습니다. 그리고 물통에 일정물이 없어서 액정에 알람을 해주는 기능도 되고 평상 시는 시계와 온도를 표시해주는 기능이 있었으면 합니다.
<구성>
– 12v 순환모터 [워터펌프814A]
– 시작정지타이머 [FK-5102] 9V
– 수위센터 [FK902] 9V
– 토양수분지시계 [FK908] 9V
– 수위지시계 [FK902] 9V
이번 사례는 제품의 스펙을 가장 잘 적어주신 모범 사례입니다. ‘레인메이커’ 김성회 대표는 “부품 하나를 찾는 데에 길게는 한 달까지 걸리기도 한다”며 “모터나 타이머 등 부품들의 스펙을 상세히 적어주시면, 부품을 하나하나 찾는 시간과 비용을 줄일 수 있다”고 설명했습니다.
디자인·기능·회로설계 난이도
지금까지 PCB 설계에 앞서 PCB에 사용되는 구체적인 부품들, 거버파일, 설계 의뢰시 필요한 시나리오 작성방법 등에 대해 알아봤습니다. 이밖에도 PCB 설계에 앞서 고려해야 할 사항으로 PCB 전문가들은 △제품 디자인 △제품 기능 △회로 설계 난이도를 공통적으로 꼽습니다. 구체적인 내용을 살펴보겠습니다.
제품 디자인
소형 PCB부터 가로가 긴 PCB, 넓적한 PCB까지, 제품 디자인에 따라 달라지는 PCB 크기 (사진=모션엘리먼츠)
PCB가 장착될 제품 자체가 얇고 긴 직사각형 모양의 디자인이라면 PCB 기판을 정사각형 모양으로 만들 수 없겠죠. 이처럼 제품의 디자인은 PCB 기판의 크기를 결정하는 가장 명확한 요인입니다. 이처럼 제품디자인은 PCB 설계에 영향을 줄 수밖에 없습니다.
얇고 길쭉한 제품 안에 들어갈 PCB를 설계한다면 PCB 기판 역시 얇고 긴 형태로 만들어야 할 것입니다. 이때 회로가 복잡하다면 PCB 기판의 크기를 줄이되 레이어가 추가돼야 합니다. ‘핸텍’의 노진문 대표는 “(PCB 기판의) 크기만 키우면 크게 자르기만 하면 되지만, 레이어를 늘리면 적층 과정과 추가 공정이 생긴다”며 “쌓을 때 전선이 조금만 틀어져도 안 맞고 비용도 높아지기 때문에 숙련된 노하우가 필요하다”고 말했습니다.
제품 기능
제품의 기능이 고도화될수록 PCB 설계는 복잡해집니다. 단순히 ‘껐다, 켰다’만 가능한 랜턴과 밝기 조절이 가능한 랜턴은 PCB 설계 단계에서부터 다르게 접근해야 합니다. 전원을 켜면 작동만 하는 공기청정기와 공기 오염도를 감지해서 바람 세기까지 조절하는 공기청정기의 경우에도 마찬가지입니다.
이처럼 기기의 작동 수준을 조절하거나 센서가 감지한 데이터를 바탕으로 명령을 내리거나 연산이 필요한 기능 등은 펌웨어(firmware, 하드웨어의 제어와 구동을 담당하는 운영체제) 소프트웨어를 통해 제어합니다. 설계시 펌웨어 소프트웨어를 담는 MCU(Mciro Controller Unit), CPU(Central Processing Unit)와 같은 칩(chip)을 염두에 두고 설계를 진행해야 합니다.
김성회 레인메이커 대표는 “최근 IoT(사물인터넷)가 생활 가전 곳곳에 적용됨에 따라 기기가 작동하는 데이터가 애플리케이션에 연동되는 경우가 많다”며 “대부분의 제품에 펌웨어가 활용되고 있는 셈”이라고 설명했습니다.
회로 설계 난이도
(사진=모션엘리먼츠)
PCB 설계 과정에서 난이도를 높이는 변수들은 다양합니다. 대표적으로 ‘집적도’가 있습니다. 최근 대부분의 제품은 크기가 작습니다. PCB 크기는 작은데 고기능의 부품들을 실장하는 기술이 필요한 만큼 설계 난도는 높아집니다.
노진문 핸텍 대표는 PCB 회로 설계를 도로 설계에 비유해 설명합니다. 노 대표는 “(좁은 면적 위에) 도로를 설계하는데 차량(전류)의 흐름이 원활하고 교차(합선)가 안 되도록, (그러면서) 데이터를 많이 싣고 가는 덤프 트럭이 지나갈 수 있는 수준의 도로를 따로 만들려면 훨씬 어렵지 않겠나”라며 “데이터의 신뢰성을 (높이기) 위해 전파가 충돌하지 않게 하려면 설계 난이도가 높아진다”고 말했습니다.
이 밖에도 △패턴 모양 △전송해야 하는 데이터의 양 △전류의 양 △전파 △신호의 종류(전원 신호, 클럭 신호) 등은 설계의 난이도를 결정하는 요인들입니다. 노진문 대표는 특히 데이터가 필요한 제품의 경우, 데이터 신뢰성을 위해서는 클럭 신호의 길이가 중요하다고 강조했습니다. 그는 “데이터들은 운동장 트랙처럼 병렬로 들어오는데 동시에 결승점을 통과하지 않으면 데이터를 신뢰할 수 없게 된다”며 이런 부분을 고려해 설계하려면 ‘노하우’가 필요하다고 말했습니다.
지금까지 PCB 설계에 대한 필요한 개략적인 내용들을 정리해봤습니다. 이해에 도움이 되셨나요? PCB 설계 이후 단계인 제조와 조립(SMT) 편으로 다시 찾아뵙겠습니다.
제조업체 매칭플랫폼 카파(CAPA)가 5월 2일부터 PCB 서비스를 출시합니다. 카파에서는 PCB를 비롯해 다양한 제조 분야에서 최고의 전문성을 갖춘 제조업 파트너들을 만나실 수 있습니다.
PCB제작은 25,000원인데, PCB설계비는 50만원인 이유 > faq
PCB제작비는 25,000원인데 PCB설계비가 최소 500,000원 이라고 하면 꽤 놀라시는 분들이 많습니다.
PCB설계와 PCB제작의 가격차이에 대해 비교하며서 설명드리고자 합니다.
[ 1 ] 문서 작성과 출력
관공서 양식이나 법원, 제안서를 일례로 들어보겠습니다.
일반인이 관공서에서 쓰는 양식이나 법원등에서 사용하는 문서양식은 쉽게 쓰기가 쉽지 않죠.
양식에 따라 내용도 법무사나 변호사, 제안서 전문가들이 시간을 할애해서 문서를 만들게 됩니다.
전문가들이 만들어준 문서는 상담과 미팅을 통해 작성되고, 수십만원~ 수백만원의 값어치를 갖게 됩니다.
반면에 출력은 A4한장당 몇십원 하지 않죠.
[ 2 ] 디자인과 출력우리가 흔히 주변에 볼 수 있는 브로셔나 카달로그, 회사 웹사이트는 디자인에 수백만원이 들어갑니다.
반면에 막상 출력하거나 퍼블리싱에는 상대적으로 낮은 금액이 책정됩니다. 디자인에 많은 시간과 노력이 소요되기 때문입니다.
[ 3 ] 전자설계와 출력전자제품을 설계하는것 또한, 문서작성이나 디자인과 별반 다르지 않습니다.
설계도 단순하게 복사하는 수준은 최소 500,000원(1일)정도지만 정보가 없는 상태에서 설계하고 디자인은 최소 몇백만원부터
시작합니다. 왜냐구요? 그만큼 시간과 노력이 많이 들어가기 때문입니다. 결과물인 PCB는 막상 25,000원밖에 안하는데 말입니다.
위에서 설명드린 전자쪽 설계와 제작을 비유해드렸는데요, 여기서부터는 구체적인 내용을 언급해보도록 하겠습니다.
물론 개발이나 설계를 하시는 분들은 충분히 이해하지만, 상상하는 아이디어만 있으면 Maker는 쉽게 할 수 있지 않을까? 하는 일반인을 위한 설명입니다.
[ 설계 과정 ]먼저 전자 제품을 제작하려면 설계를 먼저 해야 합니다.
PCB제작은 말그대로 공장에서 PCB원판에 깍고, 구멍뚫고, 인쇄하고 하는 명함과 같은 최종 제품을 만들어 주는 과정입니다.
반면, 설계는 명함에서 디자인과 만든 제품을 주문 요청자에게 매 과정마다 Confirm을 받게 됩니다.
요청자에게 허락을 구하지 않으면, 만들어 놓고 나서 왜 이렇게 만들었냐고 하기 때문입니다.
설계는 많은 시간이 소요되고, 이중에 제품에 대한 이해와 부품선정 그리고 디버깅과정이 개발자에게 시간이 소요되고 고된 시간입니다.
설계요청 -> 제품 이해 -> 회로설계 -> 부품선정 -> PCB설계 -> PCB제작 -> 프로토타입(샘플제품) – > 디버깅
[ 제작의도 이해 ]예를 들어, ” 스위치 달고 LED다는 간단한 건데요, 대충 만들어 주시면 되요 ” 이렇게 말씀하시면 정말 난감합니다.
간단한거를 파악하는데도 꽤 많은 제품 자체를 이해하는데 시간과 노력이 소요됩니다.
주문자의 제품의 제작의도를 파악해, 어떤 제품을 만들려고 하고, 어느정도의 수준의 부품을 사용해야 하며 여기에 수천개 스위치중, LED를 찾고 검색하고
샘플만을 만들것인지, 양산을 고려해 가격과 성능을 개발자는 확인해야 하고, 시간과 노력이 소요됩니다.
물론 만들고 나면 주문자에게 맞는지 feedback을 받고 설계에 들어가게 됩니다.
[ PCB설계 ]설계라고 하면 PCB설계만을 생각하게 되는데요, 단순한 회로는 물론 PCB를 바로 설계할 수 있습니다.
그러나 각종 부품에 전압, 전류를 조절해서 나오는 값을 다음부품에 줘서 동작하게 하는 등 고려해야 하기 때문에 전자회로설계가 들어갑니다.
PCB설계는 실제 전자부품을 Board에 꽂는 기판을 만드는 후 과정이라면, 상징적 부품을 불러내서 전자회로 도면을 설계합니다.
보통 전자회로 도면설계에 사용되는 CAD가 OrCAD, PADS, Altium같은 전문 소프트웨어를 사용해 부품(라이브러리)를 불러내 선으로 연결하고
동작을 Simulation하기도 합니다.
PCB설계는 보통 전자부품의 Pin당 X \1,200~ 이상 시작되며 설계의 난이도, 부품BGA( Ball Grid Array )같은 촘촘한 부품이나, RF임피던스 설계
(PCB패턴의 길이에 따라 전류흐름이 방해)되는 요인들이 들어가는것에 따라 가격이 상승됩니다.
이렇게 설계된 PCB기판을 제작하는데 사용되는 파일이 Gerber입니다.
전자CAD툴의 원소스 파일은 제공하지 않는 경우가 많습니다. 사용자 편의를 위해 PDF파일 등으로도 제공하게 됩니다.
[ 소프트웨어 설계 ]PCB에 붙어있는 전자부품만으로 동작되는 제품들도 있지만, PCB에 CPU와 메모리나 ARM같은 칩(Processor)이 들어가서,
다양한 경우에 모터를 얼마만큼 회전할지, LED를 어떤 색상으로 얼마동안 키게될지, 그림이 나오는 그래픽 LCD에 어떤 내용을 표현할지 등의
하드웨어만으로 구성되지 않고, 소프트웨어 코딩으로 설계가 요구되는 경우도 있습니다.
첫번째, 소프트웨어는 주문자, 요구자의 기능에 따른 설계자의 시간과 비례합니다. 통산 몇백만원에서부터 수천만원까지 비용이 발생합니다.
또한 디버깅과 유지보수 비용또한 비용을 결정하는 원인입니다. 소프트웨어 설계는 생각치 못한 부분에서 error가 발생하면 이를 수정하는 것또한 만만치 않은데, 개발자는 일반적으로 대략적인 코딩난이도와 기간에 따라 디버깅을 감안하여 견적을 제공합니다.
[ 프로토타입 제작 ]PCB까지 땜해달라고 하는 경우도 종종 있습니다.
부품이 실장되서 동작되는 최초 제품을 샘플 혹은 Prototype제품이라고 합니다.
시중에 유통되어 양산되기 전에 동작이 제대로 되는지 확인하는 과정입니다.
보통 PCB기판이 나오면 끝이 아닙니다. 각종 전자부품을 검색하고 확인하고 주문해서 오는데 꽤 많은 시일이 소요됩니다.
앞서 설명드린대로 전자회로도면 설계- > PCB제작-> 부품 검색 및 주문-> 납땜하고 동작제품 제작
[ 개발 비용 ]이 모든 과정은 개발자의 경험치에 따라 비용이 차이가 많이 납니다.
초보 개발자에게 개발의뢰를 맡기는 경우는 간단하거나 비용이 저렴하지만 매우 드물고 위험합니다.
제작의도 파악 -> 설계 -> 부품검색 ->제작하는 단순화된 과정에 주문자에게 매번 확인을 해야하는데 최소 1일정도 소요됩니다.
앞서 언급한 초보개발자이상의 비용이 \500,000(1일기준)입니다.
개발 발주자가 비용을 낮추려면
1. 발주자의 명확한 제품
2. 발주자의 전자회로도면 / PCB / 사용전자부품 정보
이렇게 되면 설계가 아니라 단순하게 PCB만을 설계하기 때문에 \500,000(1일기준)이 발생하게 됩니다.
그러나, 엔지니어 난이도나 숙련도 시간 비용산정되기 때문에 중급 개발자나 고급 개발자의 경우는
개발 경험이 많기 때문에 좀더 안정적인 성능과 기능을 구현할 수 있습니다. 그러나 만만치 않은 개발 비용이 많이 발생합니다.
여기에 PCB제작에 칩에 메모리에 펌웨어나 소프트웨어가 장착되어야 한다면 최소 \5,000,000~이상 소요됩니다.
모든 기준은 난이도와 시간에 비례되어 산정됩니다.
따라서 발주자의 회로도로 구두로 설명해야 하고, 볼펜으로 드로잉을 하더라도 구체적으로 제품이 명확해야 하며,
도면, PCB도면,사용부품이 정해져야 비용을 낮출 수 있습니다. 개발자의 시간을 할애하지 않도록 말입니다.
[ 개발 예시 ]1. 무선 충전기
1-1. 회로도가 없는 경우 : 기간 1달~2달
무선충전기 개발 경험이 없는 경우, 기술적인 동향, 부품 스펙확인, 회로도 구상 설계, PCB설계->동작확인
워킹데이만 참여비중따져서 2달( 1달 열일하는 비용, 인건비 5백만원, 부품 ) 최소 7,000,000원 ~ 10,000,000원
1-2. 회로도 있으면 부품도 100%있다면 : 500,000원 ~ 1,000,000원
이 경우는 왜 충전이 잘 안되요? 성능이 잘 안나와요…하는 질문은 곤란합니다.
2. 소형 드론
2-1. 회로도 없는 경우
기간 사람에 따라 차이가 많이 나게 됩니다.
설계-> 모터구동-> 마이콤사용방법 -> 설계자 코딩 -> RF안테나 ->
기간 : 최소 3개월 (월, 인건비 5,000,000원 + 재료비 3,000,000원) = 21,000,000원
~ 최장 6개월 :개발자 월 시간 참여도 따라 60%~70%할 경우 = 32,000,000원
2-2. 회로도가 있는 경우
부품리스트가 있다 아트웍 비용 : 점당가격 + 드론 형상 + 추가비용 +조립비+부품구매비 = 1,800,000원
위의 내용은 하드웨어에 기반한 PCB설계와 전자회로설계, 그리고 제작에 초첨을 맞춰 작성되었으며 소프트웨어는 기초적인 부분만 언급하여
작성되었음을 알려드립니다.
아울러, PCB제작은 25,000원이지만, 설계비가 아무리 작아도 500,000원인 이유는 설계후 주문자에게 맞는지 확인하고 feedback을 받을 동안,
개발자는 다른 B작업을 시작하고, 먼저번의 A설계요청 수정이 들어오면 집중하는데 이 모든 루틴이 감안되어 시간이 최소 1일걸리기 때문입니다.
정말 많은 질문을 주시기에 개발의뢰시에 참고에 도움되기를 바라며 작성합니다.
#샘플PCB#양산PCB#PCB제작#PCB설계비용#PCB아트웍#전자설계비용#개발비용산정#하드웨어개발비#소프트웨어개발비#프로젝트개발비
#이지피씨비#알앤디테크
PCB 설계 프로그램
PCB(인쇄 회로 기판) 설계에서는 전자 회로를 물리적인 형태로 구현합니다. PCB 설계 프로세스에서는 배치 프로그램을 통해 구성요소 배치와 라우팅을 결합하여 제조된 회로 기판의 전기적 연결을 정의합니다.
회로설계부터 PCB제작까지 글피씨엔에스(C&S)
PCB는 크게 단면(Single Side)과 양면(Double Side), 다층(Multi Layer)PCB로 구분됩니다.
단면은, 기판 한쪽 면에만 전기회로가 형성되어 있는 형태를 말하며 실장밀도가 낮고, 제작기간이 짧은 저가형 제품입니다.
양면은, 기판 양면에 회로가 형성된 PCB로 단면 PCB 2개가 하나로 붙어있는 형태로 생각하면 됩니다. 양면PCB는 단면PCB에 비해 고밀도의 부품실장이 가능합니다.
다층 PCB는, 내층과 외층 회로를 가진 입체구조의 PCB를 말하며, 고밀도 부품실장은 물론, 전선 거리를 단축(EMI 감소효과)할 수 있지만 COST가 가장 비싸고 설계변경이 불가능합니다.
[PCB #1] PCB 설계란? (EMI에 강한 설계)
해당 자료는 아래 링크에서 발췌한 것입니다. (원본)
http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=boomwin&logNo=220205988803
원본 데이터에서 보충할 부분들이 있습니다. 보충되는 부분을 빨간색으로 처리하였습니다~
안녕하세요.
시간을 거듭하고 기술에 발전이 일어날 수록, 고속시스템으로 바뀌고 그에 따라 주파수가 점점 높아집니다.
이에 대응하여 PCB 설계기술이 더욱 대두되고 있는 것이 사실이고 현실입니다.
아래 내용은 PCB설계에 대해 전반적으로 설명해놓았으며, 숙지하시면 매우 좋은 자료들이 많습니다.
원본 링크에서 퍼온 자료가 너무 길어서 줄여서 Step# 1과 Step# 2로 나뉘었습니다.
참고해주세요~
그리고 추가로 포스팅한 자료가 있습니다. 아래 내용도 같이 참고하면 좋을 것 같습니다 ^^
[PCB #3] PCB VIA 전류 허용치와 역할(EMC)PCB패턴 굵기에 따른 전류 계산
PCB설계 란?
PCB란 Printed Circuit Board의 준말이며, 인쇄회로기판이다. 인체로 비유하면 피가 흐르는 혈관과 신경라인을 만드는 것이다.
일반적으로 PCB라고 하면 Rigid type의 PCB 즉 Rigid PCB를 말한다. 가전제품을 뜯어보면 초록색 판이 바로 이 Rigid PCB이다. 보통 초록색인 이유는 PSR INK색이 초록색이라서 그런데 최근에는 빨간색, 노락색, 흰색, 검정색 등 PSR INK도 다양한 색상이 나온단다.
일본에서는 PCB를 PWB라고도 한단다. PWB는 Printed Wired Board의 약자로 인쇄배선기판 정도로 알고 있으면 된단다.
>> 위 설명은 무척 어려운 말이다. PCB 설계란 쉽게 표현하자면, 절연기층(절연기판) 위에 도선(도체)를 배치(도선 or 도포) 하는 기술이다.
PCB 소개
PCB는 여러 종류의 많은 부품을 페놀 수지 또는 에폭시 수지 평판 위에 밀집 탑재하고, 각 부품들을 서로 연결하는 회로를 수지 평판 표면에 고정시킨 회로 배선 기판이라고 보면 된다.
>> 에폭시란, 열경화성 플라스틱의 종류로 물과 날씨 변화에 잘 견디고, 빨리 굳으며, 접착력이 강하다.
>> 유리 섬유란, 단열성이 뛰어나고 녹슬지 않는데다 가공이 쉽다.
>> 기본적으로 PCB는 위 2가지 성분을 혼합하여 FR-4라고 칭하여 제작한다.
>> 위 2가지를 혼합하며 PCB에는 이러한 종이 성분(유리 섬유)이 있기 때문에 손으로 압력을 가하면 휘어진다.
PCB의 역할은 크게 두 가지가 있는데 하나, 회로배선 둘, 부품지지이다.
전자부품에서 DIP type, SMD type을 많이 들어 봤을 것이다.
DIP type은 Dual In-line Package의 준말이며, 실제 제품에는 크기가 중요하지 않은 큰 제품 TV나 세탁기, 에어콘 등에는 비교적 가격이 싸고 고용량을 가져갈 수 있으므로 사용하고 있다. DIP type는 PCB 기판을 관통하여 설계 된다. 이 때문에 Through Hole을 형성하게 되고 설계시에 많은 제약을 준다.
>> PCB의 Through hole(via)은 Top layer와 bottom layer를 연결해주는 통로로서 역할을 한다.
>> 또한, 빌드업 기술이라는 것이 있어 기판의 필요한 층에만 홀을 가공할 수 있는 기술도 있다.
>> Through hole(via)은 반드시 고속 신호 근처에 배치하면 안된다. (Noise의 근원)
SMD type은 Surface Mount Device의 약자로 넓은 의미로 표면실장 부품을 실장하는 PCB의 제조에 필요한 생산설비 및 부대장치, 관련 설비를 뜻한다. SMT라는 말도 있는데 SMT는 Surface Mount Technology의 약자로 실장기술을 뜻한다. SMD는 장비를 통칭, SMT는 실장 기술!
>> 작은 형태의 모듈이 등장하면서, SMD Type의 수동소자(R,L,C)를 많이 사용하게 되었다.
PCB 분류
PCB의 분류 및 용도는 정형화되고 규정된 방법이 없다. 하지만 용도나 제작 자재, 제작 기법등에 따라 일반적으로 분류를 할 수 있으며, PCB제조사들은 제작 방법에 따른 분류와 기종에 따른 분류를 혼용하고 있다.
층 수에 따라 분류를 하자면 Single Side PCB, Double Side PCB, Multi Layer PCB 로 분류 할 수 있다.
형태에 따른 분류를 하자면 Rigid PCB, Flexible PCB, Rigid-Flexible PCB 3가지로 분류 가능하다.
>> PCB는 크게 단면(Single Side), 양면(Double Side), 다층(Multi Layer)가 존재한다.
>> 단면은 한쪽 면에만 전기회로가 형성된 PCB. (페놀 계열 재질)
>> 양면은 2개의 층에 전기회로가 형성된 PCB. (양쪽 부품 실장 가능(에폭시 계열 재질))
>> 다층은 4개 이상 층에 전기회로고 형성된 PCB. (에폭시 계열 재질)
서로 반대의 성질을 가진 L성분과 C성분이 존재할 때 같은 복소수 값을 가지며 두 성분의 합이 ‘0’이 될 때, 공진이 발생. 즉 두 에너지 성분은 존재하는데, 임피던스로 보면 두 개의 합이 0이 되어 마치 없는 것처럼 보이지만 에너지는 보존되고 있음.
>> 모든 도선(도체)에는 저항성분이 존재한다. 저항 성분이 존재한다는 것은 “L”값이 존재한다는 것이다.
>> L은 인덕턴스로, L 값이 커지면 임피던스도 커진다.
>> 임피던스가 커지면 주파수는 흐르기 힘들고 다른 기기와 연결 및 접촉 시 이상 문제를 야기할 수 있다.
임피던스란 ?
교류저항. 일반적인 저항 값 R에, 복소수의 jX를 첨가하면 Z(Impedance)가 된다. 주파수에 따라 달라지는 저항이라고도 함.
임피던스란 말은 19세기 AC회로의 복소수 전압과 전류비를 표현하기 위해 최초로 사용
전송선로는 R로 표현. 선로 즉 배선 자체가 저항성분을 뛰는 것이기에 Impedance도 저항의 일부 혹은 저항이라고 봐도 틀린 말은 아니다.
하지만 Impedance수식을 보면 알 수 있듯이. 임피던스는 L과 C로 표현되는 부분. 즉 주파수 성분을 갖고 있다. 그래서 주파수 성분을 갖는 저항이다라고 알고 있는 것이 더욱 정확한 말이다.
즉, 실제로는 위와 같은 회로로 표현 할 수 있는 L과 C성분도 존재한다.
>> 모든 전송 선로에는 R, L, C의 성분이 존재한다.
>> PCB 배선으로 사용하는 재질이 “구리”이다. 구리는 도체이기 때문에, 그것만으로 R성분과 L성분이 존재한다.
>> 즉, 이말은 주파수가 낮으면 L성분이 작고 R성분이 커지며 이를 임피던스가 작다. 라고 표현한다.
>> 그리고 주파수가 높으면 L 성분이 커지고 R 성분이 작아진다. 이를 임피던스가 크다. 라고 표현한다.
공진과 임피던스의 관계?
공진이란 특정 주파수의 에너지가 집중되는 현상이고, 그로 인해 주파수에서는 입력임피던스가 커진다는 사실.
Resonance = High Impedance
입력 임피던스가 높다는 사실은 작은 전류 성분의 Noise가 발생하더라도 다른 주파수보다 큰 전압 Noise 성분으로 나타난다. 그래서 불필요하게 높은 임피던스는 그 주파수에 Noise가 쉽게 발생한다는 뜻.
PCB Noise 해석을 위해서는 입체형상의 구조와 크기 및 재질을 그대로 이용하여 가장 원초적인 전자기 수식인 Maxwell equation으로 풀어냄으로 전자장 해석을 통한 공진주파수를 찾아낼 수 있다.
>> 임피던스가 높아졌다는 말은, L성분이 높아졌다는 의미이다. 이 말은, L성분을 가진 배선이 길게 형성되었다고도 표현할 수 있다.
>> 여기서 높은 임피던스를 줄일 수 있는 방법으로는, 배선을 짧게 구성해주는 방법과, Capacitor를 부착하는 방법이 있다. (Decoupling)
signal integrity, power integrity
모든 선로가 하나의 Inductor이고, Resistor이면서 모든 선로와 선로 사이의 공간은 Capacitor라는 개념이 필요.
>> 위 개념이 매우 중요하다.
>> 위 개념이 이해가 되면 PCB를 보는 각도가 달라질 것이다.
모든 선로는 Inductor이다. 선로가 길어지면 그 회로 주변에 자기장이 생성되고, 이렇게 생성된 자기장이 교류 성분의 흐름을 막게된다.
모든 금속과 금속 사이는 Capacitor이다.
>> 모든 도선(도체)와 도선(도체)사이에는 Capacitance가 존재하여, 서로 간섭 영향이 생길 수 있다.
Power Integrity(전원무결성)
SSN은 Simultaneous Switching Noise의 약자인데. 동시에 Switching될 때 생기는 Noise라는 의미이다.
PDN은 Power Distribution Network의 약자인데, PCB의 Stackup이나 Decoupling Capacitor의 Mount Pad 혹은 Plane Design이 어떻게 되어 있느냐에 따라 발생될 수 있는 Power Drop이나 Ground Bounce를 말한다. 일종의 Power Noise이다.
>> Ground bounce는 해결하기 매우 어렵다. 따라서, 최대한 Ground bounce가 생기지 않게 설계를 하는 것이 중요하다.
Decoupling Capacitor 배치?
일반적으로 낮은 주파수대의 Noise는 큰 용량의 Capacitor(전해, 탄탈)로 Noise를 Filtering해준다. 간혹 전원을 공급해주는 IC의 한 PIN에 여러 종류의 Capacitor가 배치되어야 하는 경우가 있는데 이럴 때는 가장 용량 값이 큰 Capacitor를 부품에 가장 가깝게 배치.
>> 더욱 중요한 것은 로직 IC의 근처에 EMC, noise 방지를 위해 반드시 Decoupling Capacitor를 부착한다는 것이다.
>> 고주파 성분을 Filtering 하기 위해 로직 IC의 바로 앞에 Ceramic capacitor를 부착해주고,
>> 그 다음에 저주파 성분 제거를 위해 전해 or 탄탈 Capacitor를 부착한다.
>> Ceramic Capacitor는 100nF(0.1uF)을 많이 사용하는데, 그 이유는 10 ~ 40Mhz 정도의 공명주파수를 가지고 있기 때문이다.
>> 이 주파수는 1 ~ 수백 Mhz 대역의 중심부에 있기 때문에 자주 사용하는 주파수 대역을 거의 커버가 가능하다.
>> 전해 Capacitor는 주파수 특성이 낮기 때문에, 1Mhz 이하의 주파수 대역을 커버하여 제거할 수 있다.
>> 만약, 캐패시터를 부착했음에도 불구하고 Noise가 있다면, 추가적으로 Capacitor를 부착해주면 된다.
>> 0.01~0.1uF(세라믹 콘덴서) –> 수백KHz~수10MHz의 노이즈 디커플링
>> 10 ~ 1000uF(전해 콘덴서) –> 수Hz~수십KHz의 낮은 주파수 디커플링
이 공식에서 보듯이 L값은 작을수록 좋고, C값은 클수록 좋다. Loop가 크게 형성된다는 것은 Power Noise에 취약하다는 의미가 된다. Loop 면적만큼 L값이 존재하기 때문이다.
>> 모든 회로든 Loop가 형성되어 있다. Loop는 잘못하면 안테나가 되어 버린다. 그러면 이로인해 방사 및 전도가 쉽게 발생하게 된다.
>> Loop에 면적만큼 L값이 존재한다는 의미는 그만큼 임피던스가 높아지기 때문이다.
>> 만약, 저주파 사용 회로라면 이는 큰 의미가 없다.
>> 근데, 고속 신호선을 사용하는 회로나, RF 회로에서는 임피던스가 크다는 것은 매우 치명타이다.
>> 그래서 Loop를 최대한 제거하는 것이 좋다.
IC 근처에 Decoupling Capacitor를 배치하면 위 그림과 같이 Decoupling Capacitor에 축적된 전원을 가져와 사용할 수 있으므로 멀리 있는 전원 IC까지 Loop가 형성되지 않게 되어 Noise가 제거 된다.
>> 위 설명처럼 로직 Ic에 혹은 전원단에 캐패시터를 부착하는 이유는 Loop면적을 최소화할 수 있다는 의미를 가진다.
>> 다시 말하지만, Loop 면적을 최소화 한다는 것은 L 값을 최소화 하는 것이고, 이는 임피던스 최소화에도 깊은 연관이 된다.
>> 위 회로는 로직 Ic 바로 앞에 Capacitor를 부착함으로써 Loop면적을 최소화 시킨다.
>> 그러면 최소화된 Loop 면적으로 인해 작은 L 값을 가지게 된다. (그만큼 방사가 적어진다.)
다음 Step2에서는 EMC에 관한 설명과 PCB 전체적인 설계 방법에 대해 논의해보겠습니다.
Step2 자료는 아래 링크 클릭해주세요 ^^
[PCB #2] PCB 설계란? (EMI에 강한 설계)
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