이글캐드(Eagle Cad)를 활용한 회로설계, PCB설계/제작, 제품제작 (4.-1회로계산_전원회로)

Eagle Cad를 활용한 회로설계, PCB설계/제작, 제품제작   

  (4.-1회로계산_전원회로)  

 

안녕하세요.

지난 시간에 회로도 작성을 했었는데요, 오늘시간에는 왜 이렇게 설계를 했는지에 관해서 설명드리겠습니다.

*지난시간 궁금하신 분들은 아래 링크 확인하세요.

2023.07.26 - [회로설계] - 이글캐드(Eagle Cad)를 활용한 회로설계, PCB설계/제작, 제품제작 (3. 회로도 작성하기)

이글캐드(Eagle Cad)를 활용한 회로설계, PCB설계/제작, 제품제작 (3. 회로도 작성하기)

전원회로

 전원회로라기에는 별것이 없네요. 입력전압이 12V라서 그냥 그대로 사용하면 되니깐요.

하지만 전원회로는 대단히 중요합니다. 이번 회로에서는 아두이노를 사용하다 보니 아두이노 보드 자체에서 9~12V의 입력전압을 5V로 출력해주는 Regulator를 별도로 사용하고 있기 때문에 이 회로에서는 필요가 없는 겁니다. 5V출력이 필요한 이유는 아두이노의 MUC전압(Vcc)이 5V 이기 때문입니다. 3.3V 전압을 사용하는 MUC라면 3.3V Regulator가 필요하겠죠. 출력이 큰 Regulator가 필요하다면 DC-DC 컨버터를 사용하구요, 고객으로부터 별도의 요구사항이 있다면... 예들 들어 Regulator의 입출력을 MCU에서 제어해야 한다면 Inhibit핀이 있는 Regulator를 선정해야 하구요, Hardware Reset기능을 요구한다면 이 기능을 가지고 있는 Regulator를 선정하거나 별도로 Hardware Reset회로를 구성해서 Regulator와 연결한다든지 또는 Regulator를 사용하지 않고 용량이 큰 전해캐패시터를 이용해서 평활회로를 설계해 Cost down된 회로를 설계한다든지... 여러가지 방법이 있습니다. 나중에 기회가 된다면 별도 설명하도록 하겠습니다. 

 

여기에서 사용하고 있는 부품은 2가지 입니다. 커넥터(J1)와 캐패시터(C22)입니다. 그럼 왜 이 부품을 선택했는지 고려해야 하는 내용이 무엇인지 설명드리도록 하겠습니다.

 

커넥터(J1) 선정

• 커넥터에서 가장 중요한 것은 사용전류입니다.
• 전 WAGO사의 2060 커넥터를 사용하였습니다.
• 데이터 시트를 확인하겠습니다. 데이터 시트 확인 방법 알려드릴게요.
• 작성한 회로도를 연 후, 커넥터 위에 커서를 올리고 마우스 오른쪽 버튼을 클릭해 주세요. 그리고 아래와 같이 "Open Device"를 클릭해 줍니다.

• 그러면 아래와 같은 창이 뜨는데 데이터 시트를 클릭해 주면 커넥터의 데이터시트가 열립니다. 다른 부품들도 이렇게 확인하시면 됩니다.

• 그럼 데이터 시트상에 나와 있는 내용을 확인해 봅시다.
  • 사용핀수: 2핀
  • SMD Type (칩마운트 타입)
  •  Ratings(정격): 160 V, 2.5 kV/2 (III), 9 A

• 저희 사양은 12V, 10A 였습니다. 10A에 못미치는 사양이지만 넉넉하게 10A로 잡았기 때문에 9A를 사용해도 문제가 없을 것 같습니다.
• 그리고 저희는 수컷커넥터를 사용하지 않고 그냥 전선피복을 까서 삽입하는 형태로 가기때문에 이 Type의 커넥터를 선택하였습니다.
• 참고로 전 WAGO커넥터를 좋아합니다. 집에 전기배선을 할 때도 완벽 그 자체입니다. 불량이 없거든요. 한가지 흠이 있다면 비싸요 ㅠㅠ
• 커넥터를 선정하는 조건에 대해 정리해 보겠습니다.
  1. 핀수
  2. 사용전류
  3. Type (DIP/SMD): DIP타입은 PCB에 핀을 꽂아서 사용하는 부품입니다. SMD 타입은 칩마운팅 개념으로 사용하는 커넥터입니다. 구멍없이 크림솔더를 PCB 랜드부에 바르고 Reflow하는 방식으로 작업하는 방식입니다.
  4. 수컷 커넥터의 삽입 방법에 따라 (TOP형/SIDE형)로 나뉩니다.
  5. 사용전류가 핀마다 각각 다를 경우 하이브리드 커넥터를 사용하기도 합니다.

 

캐패시터(C22) 선정

• 12V 전원 입력단에 캐패시터를 실장하였습니다.
• 용도는 3가지 입니다.
  1. 전원단으로 부터 오는 노이즈 제거 (CI)
  2. 공기중으로 유입되는 노이즈 제거 (RFI)
  3. 정전기 보호
• 그럼 사양서를 한번 봐 볼까요? 사양서 보는 방법은 위와 동일합니다. 헉... 데이터 시트가 링크가 없네요. 이럴 경우에는 구글링으로 데이터 시트를 찾아야합니다.
• GRM216R11H103KA01D   이 사양을 찾아보죠. 다음과 같습니다.

캐패시터 사양

• 용량은 0.01uF을 사용하였습니다. 통상적으로 이 용량값을 사용합니다. 왜냐구요? 평가사양은 제품마다 다르지 않아요. 가전제품이든 자동차든 선박이든 항공기든 요구하는 사양은 조금 다를 수는 있어요. 하지만 큰 틀에서 평가사양은 동일합니다. 그렇다 보니 그냥 공식처럼 이 용량값을 사용합니다.
• 그렇다면 캐패시터 선정시 확인해야 하는 내용을 알려드리겠습니다.
  • 용량 (용량이 커질수록 비싸요)
  • 사이즈 (사이즈가 클수록 비싸요)
  • 정격전압 (정격전압이 높을수록 비싸요)
  • 오차
  • 사용온도범위

앞서 설명한 캐패시터의 선정 이유 3가지에 대해서 좀더 상세하게 설명드릴게요.

 

 전원 노이즈 제거

앞서 설명드린대로 DC 12V 전원이 전선을 타고 들어옵니다. 이때 완전히 깨끗한 12V가 그대로 들어오는게 아니고 교류 성분을 가진 노이즈가 섞여서 들어옵니다. 캐패시터는 교류 파형이 들어오면 저항이 됩니다. 임피던스라고 합니다. 공식은 Xc = 1/(2π·f·c) 입니다. Xc의 단위는 [Ω]입니다. 학교다닐때 캐패시터의 특성에 대해서 공부를 하면 직류는 차단, 교류는 통과 이런식으로 공부를 합니다. 즉 교류라는 노이즈가 발생을 할 경우 그 순간 캐패시터가 저항값을 가지면서 전류가 흐르는 통로가 됩니다. 회로도에서 본 것 처럼 캐패시터는 GND단에 연결합니다. 노이즈를 GND로 바이패스 시키기 위해서죠. 바이패스(bypass)라는 의미는 그냥 통과한다는 의미로 해석하시면 됩니다. 이런 경우 캐패시터를 Decoupling capacitor라고 표현합니다. 디커플링이란 의미는 노이즈와 커플이 되지 않겠다. 즉 깨끗한 직류는 통과시키고 교류 성분을 갖는 노이즈(에너지)는 노이즈 발생 순간 캐패시터가 저항(=인덕턴스 Xc)이 되면서 GND로 필터링 해 버리겠다는 의미입니다. Xc = 1/(2π·f·c)를 다시한번 해석해 보면 f는 주파수 이고 c는 캐패시터의 용량입니다. C는 고정된 값이라고 하면 f(주파수) 즉 노이즈의 교류성분의 주파수가 높아지면 높아질수록 저항값은 0에 가까워 집니다.(수렴한다라고 표현하기도 합니다.) 0에 가까워 질수록 노이즈가 더 잘 GND로 필터링 되겠죠? 이해가 되시나요???

 

 RFI 노이즈 제거

실제 이 캐패시터는 큰 역할을 하지는 못합니다. RFI라는 것은 대기(공기)중에서 발생한 노이즈(전파)가 PCB상으로 날아 들어오는 경우 발생합니다. 제품 주위에 고속 주파수를 사용하는 전자제품이 있는 경우 대기중에 날아오는 노이즈를 필터하기 위해 사용합니다. 제가 앞서 큰 역할을 하지 못한다고 적은 이유는 캐패시터의 실장 위치때문입니다. 이 캐패시터는 가능한 커넥터 단에 가깝게 설계해야 합니다. 가장 큰 용도가 전원 노이즈 제거와 정전기 보호이기 때문입니다. 그렇기 때문에 이 회로 라인(PCB패턴)이 길어지면 길어질수록 RFI에 노출되는 라인이 늘어나는데 실제 RFI를 보호해 주는 라인이 커넥터 라인부터 캐패시터의 실장위치까지만 보호해 주기 때문이죠. 이런 이유로 이 전원라인의 끝 부분에 캐패시터를 하나 더 달아줍니다.

 

 정전기 보호

사람의 몸에는 정전기가 충전되어 있습니다. 제품에서 정전기의 유입경로를 보면 사람 신체가 제품에 닿을 때 정전기가 발생합니다. 정전기는 전하량 즉 전자의 수는 많지는 않지만 전압(전위=전기적 위치에너지)이 18KV나 될 정도로 높습니다. 그러다 보니 이 높은 전압이 전자제품에 그대로 노출이 되면 회로부품이 파손되어 결국 제품의 고장으로 이어지게 됩니다. 그래서 0.01uF의 캐패시터를 달아주게 되면 정전기를 완전히 막아주지는 못하고 전위을 낮춰주는 역할을 하게 됩니다. 즉 18KV정도의 정전기르 수백V(볼트)수준으로 낮춰주는 완충제 역할을 합니다. 이 완충된 수백V(볼트)의  전압을 뒷단의 회로부품들이 견뎌 낼 수 있도록 부품을 선정해 주면 되는 것입니다. 이해가 되시나요? 정전기 관련해서는 제가 별도 포스팅을 통해서 이론적으로 설명해 드리도로 하겠습니다.

 

여기까지가 전원회로 설계에 대해서 설명드렸습니다. 별거 아닌 회로지만 설명할 게 너무 많네요. 충분히 설명 드리지 못한 부분도 있구요. 그렇습니다. 제가 회사 다닐 때 신입사원들을 교육시키면서 항상 하는 얘기가 있었습니다. 회로설계는 일주일만 배우면 제품 설계가 가능하지만 10년의 경력이 쌓여도 잘 모르겠는게 회로설계인 것 같다구요.

 

그럼 다음 포스팅에서 만나요~

 

2023.07.28 - [분류 전체보기] - 이글캐드(Eagle Cad)를 활용한 회로설계, PCB설계/제작, 제품제작 (4.-1회로계산_전원회로-캐패시터의 노이즈 필터 원리)

이글캐드(Eagle Cad)를 활용한 회로설계, PCB설계/제작, 제품제작 (4.-1회로계산_전원회로-캐패시