규칙으로 배우는 임베디드 시스템: 회로 설계 및 PCB 설계 규칙

개정 2판

장선웅 지음

북랩 2024년 11월 23일 출간 국내도서 : 2024년 10월 23일 출간

작품소개

책소개

전기 / 전자시스템 개발 전문가 길잡이

베테랑 엔지니어의 전기/전자
임베디드 시스템 개발을 위한 확실한 로드맵!

\"이 책을 읽는 가장 좋은 방법은 소설책 읽듯이 반복하여 읽어 기초 이론과
시스템 개발 규칙 간의 연관관계에 대해 이해하는 것입니다.\"

전자 시스템에 대한 기본적인 이론을 배웠지만, 막상 실무에서는 사용하지 못하는 사람이 많다.
이런 현상은 개별적으로 배운 이론들이 시스템 개발에서 어떻게 사용되는지에 관한 전반적인 내용을 모르기 때문이다. 이 상태에서는 개발 경력이 길어지더라도 진행해온 업무 지식이 온전히 자기 실력으로 쌓이지 않는다.

근래에는 아두이노나 라즈베리파이와 같은 공개 플랫폼으로 기능을 충분히 쉽게 구현할 수 있기 때문에, 혹자들은 전자 시스템 개발이 쉽다고 말한다. 하지만, 기능 구현뿐 아니라 높은 성능, 안정성, 노이즈에 강건한 시스템 개발은 결코 쉬운 일이 아니다. 이런 강인한 시스템을 개발하기 위해서는 많은 이론과 그 이론에 근거한 개발 노하우가 필요하다.

이런 이유로, 이 책은 전반적인 기초 이론을 다시 정리하고 그 이론을 사용하는 방법에 관해 이야기한다. 또한 시스템 개발 규칙을 만들기 위한 이론과 방법에 대해서도 다룬다. 이미 수많은 엔지니어의 경험에 의해 만들어진 경험 규칙(Rule Of Thumb)을 살펴보고 어떤 이유로 어떻게 나오게 되었는지 파악해야 한다. 그래야 자기 시스템에 맞춰 규칙을 수정하고 해석하여 자기 것으로 만들 수 있다.

목차

I. 시스템(SYSTEM) 이론
1. 전기/전자 기초
1.1. 전압과 전류
1.2. 저항, 커패시턴스, 인덕턴스
1.3. 키르히호프 법칙
2. 시스템과 신호의 종류
2.1. 선형 시스템
2.2. 전기 특성의 선형성
2.3. 신호의 종류
3. 신호의 주파수 성분 분해
3.1. 시간 영역과 주파수 영역
3.2. 푸리에 급수
3.3. 푸리에 변환
4. 시스템의 출력 해석
4.1. 시간 영역의 컨볼루션
4.2. 주파수 영역 해석의 푸리에 변환
4.3. 라플라스 변환
5. 전달함수
5.1. 라플라스 전달함수
5.2. 보드선도
5.3. 전기/전자 시스템의 임피던스
6. 시스템의 응답 특성 항목
6.1. 시간 영역의 응답 특성 항목
6.2. 주파수 영역의 특성 항목
6.3. 구형파로 보는 시간과 주파수 영역의 관계
7. 라플라스 전달함수의 표준 형식
7.1. 1 차 표준 시스템
7.2. 2 차 표준 시스템
8. 시스템의 안정성
8.1. 시스템 안정성 판단

II. 전기/전자 기초 이론
1. 전기/전자 소자 기초 특성
1.1. 전기/전자 소자의 구분
1.2. 전기/전자 소자 기초 특성의 이해
2. 전기/전자 기초 소자
2.1. 저항 소자
2.2. 커패시터(콘덴서)
2.3. 인덕터
2.4. 다이오드
2.5. 트랜지스터
2.6. MOSFET
2.7. OPAMP
2.8. CMOS 와 TTL
2.9. MCU

III. 노이즈(Noise) 기초 이론
1. 노이즈 종류
1.1. 노이즈의 형태
1.2. RC 필터로 보는 노이즈 전류 경로
2. 노이즈의 경로에 의한 구분
2.1. 전도성 노이즈
2.2. 유도성 노이즈
2.3. 방사 노이즈(전자파)
3. 노이즈의 방향에 따른 구분
3.1. 노멀 모드 노이즈
3.2. 코몬 모드 노이즈
4. 접지(Grounding)
4.1. 그라운드에 대해
4.2. 접지의 목적 및 종류
4.3. 접지의 방법적 구분
5. 링잉 노이즈의 해석
5.1. RLC 모델링을 통한 링잉 해석
5.2. 전송선로 이론을 통한 링잉 해석
5.3. 전송선로 판단 기준
5.4. 임피던스 매칭 방법
6. 부하의 종류와 노이즈
6.1. 저항성 부하
6.2. 인덕턴스 부하
6.3. 커패시턴스 부하
7. 전기/전자기기 EMC 인증 규격
7.1. EMC 의 의미와 인증 시험
7.2. EMS(전자파 내성)
7.3. EMI(전자파 간섭)
8. 전기안전 인증 규격
8.1. 규격 판단 기준 용어
8.2. 공간거리 및 연면거리
8.3. 전기안전 시험 항목

IV. 회로 및 PCB 설계 절차

V. 회로 설계 규칙
1. 회로 설계 규칙 세우기
1.1. 회로의 기능과 성능
1.2. 회로 안정성
1.3. 회로 안전성
1.4. 기타
2. 상용 전원 회로와 보호 소자
2.1. 과전류 보호 회로
2.2. 과전압 보호 회로
2.3. AC-DC 전원 변환
2.4. 회로 보호 소자

VI. PCB 설계 규칙
1. PCB 기초
1.1. PCB 기본 구조
1.2. PCB 제조 공정
1.3. PCB 설계 순서
2. PCB 레이어 결정 규칙
2.1. PCB 레이어 구조
2.2. PCB 레이어 사용 규칙
3. 부품의 배치(레이아웃) 규칙
3.1. 부품 배치의 분할 계획
3.2. 부품의 배치 순서
3.3. 부품 배치 시 고려사항
4. 신호선 배선 규칙
4.1. 일반적인 배선의 순서
4.2. 패턴의 두께 및 넓이 결정
4.3. 패턴의 간격 규칙
4.4. 배선의 규칙
4.5. 비아의 사용 규칙
4.6. 전원 및 그라운드 배선의 규칙
4.7. 고전류/EMC/발열 등 취약 지역 보강

VII. [참고]기능 및 신뢰성 검사

책 속으로

2.3. 신호의 종류

신호(Signal)란 송신자가 수신자에게 어떤 의미 있는 유용한 정보를 전달하기 위한 전달매체이다. 어떤 몸짓 등의 행위, 소리, 빛 등 정보를 전달할 수 있는 어떤 것이라도 전달 매체가 될 수 있다. 예를 들어, 전기/전자 시스템에서 전달 매체는 전압, 전류, 전자기장 등이 된다.

2.3.1. 신호의 종류

시스템은 결국 신호들의 처리를 통해 원하는 목적을 달성하게 되는데, 여기서는 시스템의 특성을 해석하기 위하여 사용되는 대표적인 신호들의 종류와 특성에 대해서 알아보도록 한다.
이 신호들은 시스템에 입력 신호로 주어 출력 응답을 확인함으로써 시스템의 특성을 해석할 수 있게 하는 중요 신호들이다. 각각의 신호들의 사용에 대해서는 이후 살펴보도록 할 것이다.

가. 주기 신호 vs 비주기 신호
신호는 일정 시간 간격으로 파형이 반복되는 주기 신호(Periodic Signal)와 반복성이 없는 비주기 신호(Aperiodic Signal)로 구분할 수 있다.
일정 시간 간격 즉, 일정한 주기로 똑같은 값을 가지는 주기 신호의 수학적 표현은 아래와 같다.

p. I-42


2.7.4. 비반전 증폭 회로 설계

10KHz 신호에 대해 OPAMP 를 이용한 11 배 전압 증폭을 가지는 비반전 증폭 회로를 설계해 보도록 한다.

가. OPAMP 선정
OPAMP 의 선정에 있어 구동 전압은 신호의 입력 전압, OPAMP 의 출력 전압을 확인하여 OPAMP 전압 범위 내에서 동작될 수 있도록 선정한다.
주파수 응답 대역폭(Bandwidth)은 신호의 최소 2 배를 가지도록 하며, 보통은 위상 지연 등을 고려하여 5 배 ~ 10 배 이상의 대역폭을 선호한다. 만약, 5 배의 마진을 원한다면, GBP(Gain Bandwidth Product) = ACL × Bandwith 이므로, Closed Loop 이득 11 배 × 10KHz × 5 = 550KHz 이상의 GPB 를 가지는 OPAMP 로 선정하면 된다.
이 밖에 앞에서 본 OPAMP 의 특성들인 입력 오프셋 전압, 입력 바이어스 전류, 슬루 레이트, 차동 및 동상 최대 전압 등을 확인하여 적절한 OPAMP 를 선정하도록 한다.

p. II-307


2.4. 회로 보호 소자

앞에서 전원 회로의 ESD, 서지 노이즈에 대한 보호 방법을 살펴보았다. 여기서는 DC 디지털 포트의 보호에 대한 방법을 알아본다.
시스템의 외부와 연결되는 신호 단자 또는 IO 단자들은 반드시 과전압/과전류에 대한 보호를 해야 하며, 보호 방법에는 아래와 같은 방법들이 있다.
IO 포트를 보호하기 위한 방법으로는 시스템의 전원과 분리되지 않은 상태에서 노멀 모드 노이즈에 대한 대책인 비절연(Non-Isolation) 회로와 시스템의 전원과 완전 분리하여 노멀 모드/코몬 모드에 모두 대응 가능한 절연(Isolation) 회로가 있다.
만약, 외부 시스템과 연결해야 하는 포트에 비절연 회로로 보호하면서도 코몬 모드 노이즈에 대한 대응이 필요한 상황이라면, 코몬 모드 코일과 Y 커패시터처럼 접지로 커패시터를 연결한 회로를 사용할 수도 있다.

p. V-543

작가정보

저자(글) 장선웅

1999년도 충남대학교 메카트로닉스학과를 졸업했다. 이후 반도체 팹리스 업체에서 18년 동안 엔지니어로 근무하면서, 특허청장 표창을 받은 이력이 있다.