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 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

1.3.4. CPU 버스 구조

CPU 가 메모리에서 데이터를 취득하고 기록하는 전기적 과정을 알기 위해서는 버스 구조를 알아야 한다.
버스(BUS)는 동일한 목적을 가진 신호선들의 묶음을 의미하는 것으로, 일종의 데이터 교환을 위한 통신 선로로 정의된다.
물론, 데이터 전송을 더 효율적으로 처리하기 위해 설계된 표준 인터페이스인 ARM CPU에서 사용되는 AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) 버스와 같은 경우 이 장에서 볼 단순한 SRAM 버스보다 복잡한 구조와 프로토콜을 가지는데, 결국 데이터를 주고받는 목적으로써의 개념은 동일하므로, CPU 동작의 이해 측면에서는 이 전통적인 SRAM 버스의 동작을 이해하는 것만으로도 충분할 수 있다.
이 버스 구조는 비단 CPU 와 메모리 사이의 연결 통로일 뿐 아니라, CPU 와 디지털 입/출력과 같은 주변 장치들과의 연결 통로가 된다.

4.1.3. PWM(Pulse Width Modulation)

앞에서 디지털 신호를 전압으로 만들어 주는 DAC 컨버터를 보았다. 이보다 간단한 개념인 PWM(Pulse Width Modulation)은 펄스의 주기를 고정한 상태에서 HIGH 상태의 시간을 바꾸어 가며 평균 전압을 제어하는 것을 말한다.
이런 PWM 구동 방식은 특정 전압을 출력하기 위하여 DAC 나 저항 분압 등의 방식을 사용하지 않고도, 디지털 포트 제어로 듀티비(HIGH 기간)를 조절하여 전압을 제어할 수 있어 간단하고, 낮은 전력 손실로 동작시킬 수 있기 때문에 많이 사용되는 방법이다.
PWM 의 ON/OFF 스위칭 동작에서 스위칭 주파수 노이즈와 그의 하모닉(정수배) 노이즈를 유발하고 작은 링잉 노이즈가 계속 발생하게 되는 단점도 가지고 있지만, 단점보다 장점이 훨씬 크기 때문에 인버터, DC-DC 컨버터, LED 밝기 제어, 모터 제어 등 많은 곳에서 사용되는 기술이므로 알아 둘 필요가 있다.
아래는 ON 구간과 OFF 구간의 폭이 다른 디지털 펄스 출력에 대한 평균 전압을 나타낸 그림이다.