#5 회로 설계 규칙

1. 회로 설계 규칙 세우기

1장에서는 전자 회로의 설계를 크게 기능, 성능, 안정, 안전, 예외처리로 구분해서 살펴본다.

 

(1) 회로 기능

기능(Function) 항목은 회로가 수행해야 기본적인 동작을 하기 위한 기초적인 회로 설계를 의미한다.

 

• 기본 기능의 회로 설계

전자 시스템이 원하는 동작을 하도록 하기 위한 하나의 회로 설계는 여러 가지 방법으로 구현될 수 있다.

 

• 기본 회로의 동작 검토

시뮬레이션 소프트웨어는 회로의 각 부분의 전압/전류, 주파수 특성 등을 확인해 볼 수 있으므로 원하는 동작을 하는지에 대한 확인이 가능하다.

 

• 응용 회로 예

차단 주파수 : 1/(2πRC) Hz로 동작하는 저주파 통과 필터

R = 100Ω C = 0.1uF=> 1.6KHz의 차단 주파수로 동작

 

(2) 회로 성능

성능은 비용, 안정성, 안전 등의 요소들과 모두 Trade off 관계에 있다.

 

예시)

• 모터 제어의 제어 시스템의 응답을 빠르게 하기 위해 DSP연산이 빠른 시스템을 사용해야 한다면, 하드웨어의 가격은 상승한다.
• 빠른 응답을 위한 넓은 대역폭을 가지기 위해 제어기 게인을 높이면 위상 마진이 부족해 안정성이 떨어진다.

 

(2)-1 성능과 다른 항목들과의 상충관계

• 성능과 상충관계의 예

위 그림은 스위칭 레귤리이터의 예로 성능 중 부 하의 소비 전류 변동에 의한 전압 강하에 대해 얼마나 빨리 대응되는가에 대한 전압 출력 그림이다.

부하의 소모 전류 변동에 따른 레귤레이터의 전압 강하에서 빨리 복원될수록 좋은 성능을 가졌다고 한다.

빠른 응답을 가지기 위해 스위칭 레귤레이터의 대역폭이 넓어야 하므로 구동 주파수가 빨라야 한다.

스위칭 주파수가 빨라지면 작은 용량의 인덕터와 커패시터를 사용할 수 있어 소형화가 가능하는 장점이 있지만 높은 구동 주파수를 위해서 코일 스위칭의 펄스의 상승 시간이 짧아져야 한다.

 

빠른 상승 시간으로 오버슈트 및 링잉이 발생해 안정성이 저하되며, 스위칭 노이즈의 증가와 EMI 방사가 커지고 스위칭 손실과 데드타임등으로 손실 전력이 커져 효율이 저하되는 문제도 생길 수 있다.

 

(2)-2 소자의 전기적 특성 규격서-데이터시트

데이터시트(Datasheet)는 제조사가 해당 소자의 전기적 특성을 서술해 놓은 규격서이다.

전기/전자 소자 제조사들은 자신들이 설계한 IC의 전기적 특성에 대한 설명들과 수많은 시뮬레이션과 시험을 통해 자신의 IC가 안정적으로 최상의 성능을 낼 수 있는 레퍼런스 회로를 데이터 시트에 제공한다.

 

(2)-3 소스/부하와의 전기적 상관관계 해석

전기/전자 회로 설계를 위해 소스의 출력 임피던스가 설계하는 회로에 주는 영향이 고려되어야 하며 소스가 공급 가능한 전압/전류 내에서 동작 가능하도록 설계되어야 한다.

또한, 부하에 대해서는 부하가 소비하는 소비 전류를 충분히 공급할 수 있도록 설계되어야 하며, 회로 출력 임피던스와 입력 임피던스와의 결합의 영향도 고려하여 설계해야 한다.

=> 소스/부하의 상관관계를 따져 설계해야 하므로 소스와 부하로 분해해 분석하고 해석해야 한다.

 

• RC 저주파 통과 필터 예

출력 임피던스 : 50Ω

소스 전압 : 3.3V

소스 전류 : 20mA

부하 입력 임피던스 : 100MΩ

소모 전류 : 100nA

• 소스의 출력 임피던스가 회로에 주는 영향이 없는가?

차단 주파수가 1/(2πRC) Hz의 RC 저주파 통과 필터의 회로를 원했지만, 소스의 출려 임피던스 Zs로 인해 차단 주파수는 

1/(2π(R+Zs)C) Hz로 바뀌게 된다.

출력 임피던스 50Ω으로 인해 1.6KHz의 차단 주파수 -> 1KHz의 차단 주파수를 가지게 된다.

 

따라서 입/출력 임피던스에서 보앗듯이 입/출력 임피던스에 대한 회로의 경험규칙은 소스의 출력 임피던스 대비 10배 이상의 입력 임피던스를 가져야 한다.

반대로 부하의 입력 임피던스 대비 1/10배 이하의 출력 임피던스를 가지도록 설계해 90% 이상의 신호 전달율을 유지하는 것이다.

=> 소스의 출력 임피던스의 영향을 줄이기 위해 저항 R을 10배 이상인 500Ω이상으로 크게 하고 커패시터의 용량을 조정하는 방법이다.

 

• 소스 전류 이내에서 소비하는가?

소스가 공급할 수 있는 전류 내에서 동작되도록 설계되야 한다.

부하 전류는 100nA로 무척 작으므로 무시하고, 커패시터 C는 고주파에서 임피던스가 작아져 0Ω으로 두고 계산한다.

R의 선택 방법 중 출려 임피던스보다 10배 이상의 값을 가지는 저항 용량 중 R = 1KΩ과 C = 0.1uF로 선정할 수 있다.

 

• 부하의 임피던스와 입력 전압/전류

부하의 임피던스가 무한대에 가깝고, 전류는 무시할 수 있을 정도로 작기에 무시하고 설계 가능하다.

하지만 그렇지 않다면 앞의 필터 저항 선택에 전력 손실, 전압 강하 등의 전기적 영향을 충분히 고려해 설계해야 한다.

 

• 수동 필터(Passive Filter)와 능동 필터(Active Filter)

ω = 1000rad/sec 차단주파수를 가지며, ω = 10000rad/sec에서부터 -40dB/decade로 감쇠율을 당하게 하는 2차 필터의 구현

 

• 능동필터(Active Filter)

능동필터는 OPAMP 등을 사용한 회로로 구성되며 입력 임피던스가 크고 소스 입피던스가 작기 때문에, 소스와 부하의 입/출력 임피던스의 영향을 거의 받지 않는다는 장점이 있다.

 

• 수동 필터(Passive Filter)

수동 필터의 직렬 연결에서는 수동 필터 자체의 입력 임피던스가 무한대가 아니고 출력 임피던스가 0이 아니기 때문에 능동 필터와 같은 이상적인 구현이 되지 않는다.

 

직렬로 연결된 수동 필터의 입/출력 임피던스가 상호 영향을 미치게 되어 소자의 용량에 따라서 주파수 특성이 달라진다.

 

(2)-4 커패시터의 주파수 특성 고려

1. 자기 공진 주파수 SRF

커패시터, 탄탈 커패시터 대비 세라믹 커패시터의 주파수 특성이 이상적인 커패시터에 가장 근사하다.

디지털 회로에서 커패시터의 ESL과 커패시턴스와의 공진 주파수인 자기 공진 주파수(Self Resonant Frequency, SRF)부터는 임피던스가 다시 상승하기 시작하므로, 커패시터 선정에 있어 디지철 펄스의 무릎 주파수(0.35/tr or 0.5/tr)보다 SRF가 충분히 높은 소자를 선택해야 커패시터의 충분한 주파수 응답 성능을 낼 수 있다.

 

2. SMD 크기/용량과 주파수 특성

커패시터의 주파수 응답에 영향을 주는 기생 ESR과 ESL은 단자(리드선)부분에 의존성이 많기 때문에, 보통은 단자 크기가 작은 커패시터가 ESR, ESL도 작아 공진 주파수가 높아지므로, 주파수 응답 특성이 좋다.

 

하지만, 패키지가 작은 만큼 내압이 작고 DC 바이어스의 영향을 더 받는 단점이 있으므로, 해당 응용에 맞는 적당한 커패시터를 사용하는 것이 좋다.

 

3. 커패시터의 병렬 연결로 주파수 응답 개선

ESR(Equivalent Series Resistance), ESL(Equivalent Series Inductor)
: 캐패시터나 인덕터에 존재하는 직렬 저항이다.

 

• ESR, ESL을 줄이기 위하여 동일 용량으로 나누어 병렬 연결

커패시터의 용량을 똑같은 용량으로 나누어 병렬 연결하면, ESR, ESL이 줄어들어 주파수 특성을 개선할 수 있다.

이렇게 사용시 주의할 점은 되도록 동일한 용량과 같은 타입의 커패시터를 사용해야 한다.

타입이 다른 같은 용량의 커패시터로 나누어 병렬 장착했을 경우 위 그림처럼 한쪽 커패시터의 인덕턴스와 다른 쪽 커패시터의 커패시턴스로 인해 반공진(Anti Resonance)이 생겨 고주파에서 응답 특성이 선형적이지 않을 수 있기 때문이다.

 

• 고주파 주파수 특성 개선을 위한 병렬 커패시터는 용량 20~100배 차이ㅗ

같은 패키지 크기의 커패시터에서 용량이 작을수록 고주파수에서 임피던스가 작으므로, 이를 병렬 연결하면 커패시터의 병렬 합성은 고주파수에서 더 작은 것에 의존된다.

이를 이용하여 주용도의 커패시터에 1/20~1/100배 작은 용량의 커패시터를 병렬로 사용해 고주파수 응답을 개선하는 방법으로 많이 사용되는 방법이다.

커패시터 병렬 연결에서 적은 용량의 커패시터는 주 커패시터보다 작은 크기의 패키지를 사용하는 것이 같은 크기 패키지 조합보다 주파수 응답이 더 좋을 수 있다.

 

(2)-5 잡음 노이즈 대응

• 열 잡음(Thermal Noise)

열 잡음은 저항에 전류가 통과할 때 발생되는 열에 인해 전하가 불규칙적으로 움직이며 발생하는 불규칙적인 노이즈를 의미한다.

전원 라인에는 수십 mV ~ 수백 mV의 열 잡음 노이즈가 존재한다.

저항이 크고 전류가 높을수록 크게 나타나는 특성을 감안하면, PCB 설계에서 전류가 많이 흐르는 곳인 전원/그라운드 패턴을 굵고 짧게 배선해 저항 성분을 줄이는 것이 도움이 된다.

 

• 저주파 리플 노이즈

리플 노이즈는 물결 모양의 주기를 가진 노이즈를 말하는 것으로, 저주파 리플 노이즈는 평할 회로에 의한 전원 노이즈에서 많이 발생된다.

리플을 줄이기 위해 충분한 용량의 커패시터를 선정하도록 하며, 필요시 전원의 입구에 LC 저주파 통과 필터나 비드의 장착을 통해 저감시킨다.

 

• 고주파 노이즈

디지털 시스템 내에서 생성되는 고주파 노이즈는 디지털 회로의 스위칭 동작에서 많이 밟생되며, 배선 간의 간섭 노이즈(크로스토크), 신호의 오버슈트 및 링잉 등이 원인이 된다.

고주파 노이즈는 펄스 주파수의 하모닉(정수배) 성분으로 많이 나타나며 비교적 크기가 작은 것이 특징이다.

IC내의 디지털 스위칭 노이즈에 대한 대응은 디커플링 커패시터나 LC필터, 비드르 사용해 절감 가능하다.

PCB설계에서 디커플링 커패시터나 사용된 필터를 IC의 전원 핀에 최대한 가깝게 배치하고, 짧고 굵은 배선을 통해 전류 루프를 작게 하여 IC 내의 스위칭 노이즈가 보드 전체로 전도되지 않도록 한다.

 

• IO 부하 구동 노이즈

보통 부하 구동 노이즈는 1MHz이하의 저주파 노이즈로 노이즈의 크기가 비교적 크다.

스위칭 레귤레이터의 스위칭 노이즈도 이에 포함한다.

 

• EMI RF 전자기장 노이즈 대응 회로

 

(2)-6 클럭 오차율 및 타이밍 마진

• 오실레이터와 오차

오실레이터(Oscillator)는 일정 주기의 진동 신호를 만들어 내는 발진기 회로를 의미한다.

이 오실레이터는 궤한 시스템의 안정 조건이 아닌 불안정 조건을 만들어 지속적으로 발진하게 하는 장치라 할 수 있다.

 

• 오실레이터의 발진 원리

위의 전달함수에서 루프 전달함수인 G(s) = -1이 되면 불안정한 시스템으로 발진이 일어나는 것을 알고 있다.

이는 G(s)가 -180도의 위상을 갖고,Gain이 1 일 때를 의미한다.

부궤한 시스템에서 루프 전달함수가 Negative Feedback(- )으로 연결되기 때문에 -180도의 위상 차이가 더 발생하므로 결국 -360도의 위상 차이가 발생된 궤한 신호를 더하면 불안정해져 발진이 발생한다는 의미가 된다.

이는 정궤한(Positive Feedback)으로 표현할 수 있다.

즉, Gain = 1 이고, 위상 지연이 -360일 때 정궤한에서 발진이 일어난다.

이를 발진기의 조건인 바르크하우젠(Barkhausen)조건이라 한다.

 

• 클럭의 오차

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• 통신 타이밍 마진

타이밍 마진이란 통신에서 약속된 전기적 신호를 주고받는 시간적 규약에 대해 얼마나 시간적 여유가 있는가를 의미한다.

 

디지털 통신 회로 설계에 있어 진행성 신호 지연에 대응하기 위해 최소 필요한 타이밍 시간보다 더 짧게 하여 충분한 타이밍 마진을 가지도록 설계해야 한다.

 

(2)-7 리셋(Reset) 회로

리셋 신호는 CPU 등의 디지털 회로에게 동작을 모두 초기화하고 처음부터 시작할 것을 알리는 신호이다.

안정적인 리셋 동작이 중요하며 이를 위해 전원 및 클럭이 안정화되어 모든 내부 로직이 동작을 할 준비가 된 후 리셋 신호를 인가할 수 있도록 전원 안전화 시간이 필요하다.

안정된 전원, 클럭 이후 리셋 신호가 인가되어야 제대로 된 초기화 동작을 수행하여 정상적인 동작이 수행된다.

 

전원을 OFF 상태에서 ON 할 때 발생되는 리셋을 POR(Power On Reset)이라 하며, 전원과 클럭이 안정화될 때까지의 안정화 시간 동안 리셋 신호를 지연시킬 필요가 있다.

이 시간 지연을 위해 보통 위 그림처럼 CPU의 리셋 핀에 RC회로를 구성하여 리셋 신호를 지연시키게 된다.

 

CPU 내부 리셋 로직에서 슈미트 트리거로 이 리셋 핀의 신호를 검출하는데, 리셋 로직에서는 더 확실한 동작을 위해 추가의 지연 기능이나 노이즈를 제거하기 위한 필터 기능을 가질 수 있다.

 

불안정한 전원에서 리셋 동작의 문제는 비단 POWER ON순간에만 문제가 되는 것이 아니라, 노이즈나 순간적인 부하의 과전류 소비로 인해 CPU의 정상 동작 전압 범위 이하로 공급 전압이 떨어졌을 때도 문제가 된다.

이런 짧은 순간의 저전압 현상을 브라운 아웃(Brown Out)이라 하며, 이때에도 CPU는 오동작을 할 수 있기 때문에, CPU에 리셋 신호를 주어 다시 초기화하고 처음부터 시작할 것을 알려야 한다.

짧은 순간의 전압 강하에 대한 검출을 한 후 리셋 신호를 주는 기능을 브라운 아웃 리셋(BOR)기능이라 하며, 많은 MCU들이 이 기능을 지원한다.

 

(3) 회로 안정성