규칙으로 배우는 임베디드 시스템 : 회로 설계 및 PCB 설계 규칙

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 분해
3.1. 시간 영역과 주파수 영역
3.2. 퓨리에 급수
3.3. 퓨리에 변환
4. 시스템의 출력 해석
4.1. 시간 영역의 컨볼루션
4.2. 주파수 영역 해석의 퓨리에 변환
4.3. 시간/주파수 영역의 라플라스 변환
5. 전달함수
5.1. 라플라스 전달함수
5.2. 보데선도
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 시간 영역과 주파수 영역의 관계
7. 전달함수의 표준 형식
7.1. 1차 시스템
7.2. 2차 표준 시스템
8. 시스템의 안정성
8.1. 시스템의 안정성 이론
8.2. 전기/전자 시스템에서의 안정성

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 필터의 노이즈 전류의 경로
2. 노이즈의 경로에 의한 구분
2.1. 전도성 노이즈
2.2. 유도성 노이즈
2.3. 방사 노이즈(전자파)
3. 노이즈의 방향에 따른 분류
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. 회로 기능
1.2. 회로 성능
1.3. 회로 안정성
1.4. 회로 안전성
1.5. 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. 링잉 및 EMI 대응 이격 거리
3.4. 배선의 용이성
3.5. 전기적 안전 및 발열 안전
3.6. SMT 를 고려한 배치 및 부품 방향
4. 신호선 배선 규칙
4.1. 일반적인 배선의 순서
4.2. 패턴의 두께와 넓이
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 노이즈/발열 등 취약 지역 보강

VII. [참고]기능 검사 및 신뢰성 검사

전기/전자 시스템 개발에 있어 전기/전자 소자, 회로 이론 등 직접적인 관계가 있는 이론들도 중요하지만, 이번 장에서 보는 시간 영역과 주파수 영역의 상관관계, 전달함수의 의미와 모델링, 시스템의 해석 방법 등도 시스템 개발의 근간이 되는 이론이다.
이 시스템 이론은 전기/전자 시스템뿐 아니라, 제어공학, DSP(Digital Signal Processing, 디지털 신호 처리) 영역 등 수많은 공학 영역의 기본 이론이므로 꼭 이해를 해야 하는 학문으로, 어찌보면 이 책에서 가장 중요한 이론이라 할 수 있다.

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노이즈원으로부터 시스템에 노이즈가 유입될 수 있는 경로는 아래와 같이 도선으로 직접 연결되어 전달되는 전도(Conduction), 용량/자기 결합(Coupling)에 의한 유도 노이즈, 공기 중의 전자파에 의한 방사(Radiation)가 있다.
이들 노이즈의 유입 경로는 앞으로 시스템 개발을 하면서 수도 없이 듣게 될 정도로 중요한 것들이며, 유입 경로를 알아야 노이즈를 차단할 수 있는 대책이 세워질 수 있다.
이번 장에서 노이즈의 경로, 종류와 노이즈에 대한 대책을 살펴보도록 한다.

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패턴의 에지, 특히 전류가 모이는 그라운드의 전하가 가장 많이 몰리는 가장자리(에지)에서는 일부 전자기장이 공간으로 방출되어 EMI의 방사가 일어나기 쉽다.
이것을 완화하기 위한 방법으로 보드의 외곽에 Stitching Via를 이용하는 방법이 있으며, Stitching Via는 그라운드 비아를 일정한 간격으로 외곽에 배치한 것으로 바늘땀을 꿴 것같이 생겼다 하여 붙여진 이름이다.
스티칭 비아를 가장자리에 배치함으로써 페러데이 새장(Faraday’s Cage 또는 Faraday Shield)의 효과를 낼 수 있는데, 페러데이 새장 이론에 의하면 신호 파장의 1/8~1/10보다 작은 그물망 또는 도체로 막혀 있다면, EMI 방사를 방지할 뿐 아니라 외부의 전기장이 내부로 흘러 들어올 수 없다.
하지만, 너무 촘촘하게 배치할 경우 내부 시스템에서의 전류의 반사가 일어난다는 연구 결과도 있으므로 적절한 간격으로 배치하는 것도 중요하다.
앞서 전원 Plane과 그라운드 Plane의 EMI 감쇠 규칙인 20H 룰과 함께 사용된다면, EMI 에 긍정적인 효과를 낼 수 있는 방법이다.

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