전자 회로 설계는 특정 작업을 수행하는 회로를 계획, 테스트 및 구축하는 프로세스입니다. 여기에는 요구 사항 정의, 신뢰할 수 있는 부품 선택, 회로도 생성, 성능 시뮬레이션 및 최종 설계 테스트가 포함됩니다. 신중한 단계를 따르면 회로는 안전하고 효율적이며 신뢰할 수 있습니다. 이 문서에서는 설계 프로세스의 각 단계에 대한 자세한 정보를 제공합니다.
씨1. 전자 회로 설계 개요
씨2. 기술 사양에 대한 요구 사항
씨3. 시스템 아키텍처 및 블록 다이어그램 설계
전자 회로 설계 개요
전자 회로 설계는 특정 작업을 수행할 수 있는 회로를 계획하고 구축하는 프로세스입니다. 브레드보드에서 작은 실험을 하거나 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 아이디어가 작동하는지 확인하는 것으로 시작됩니다. 그 후 각 부품이 어떻게 연결되어 있는지 보여주는 개략도에 디자인이 그려집니다. 디자인은 인쇄 회로 기판(PCB)으로 전송되어 생산 및 작업 시스템으로 조립될 수 있습니다.
이 프로세스는 종종 다양한 유형의 신호를 결합합니다. 아날로그 회로는 부드럽고 연속적인 신호로 작동하는 반면 디지털 회로는 두 상태 사이를 전환하는 신호로 작동합니다. 때로는 시스템을 보다 완벽하게 만들기 위해 두 가지를 동일한 설계로 결합하기도 합니다.
전자 회로 설계의 목표는 기능적일 뿐만 아니라 신뢰할 수 있고 실제 조건에서 사용할 수 있는 최종 제품을 만드는 것입니다. 신중한 설계는 회로가 제대로 작동하고 안정적으로 유지되며 안전 요구 사항을 충족하는지 확인하는 데 도움이 됩니다.
기술 사양에 대한 요구 사항
| 카테고리 | 사양 예시 |
|---|---|
| 전기 | 입력 전압: 5–12 V, 전류 소모: <1 A, 대역폭: 10 MHz |
| 타이밍 | 대기 시간 < 50ns, 클럭 지터 < 2ps |
| 환경 | -40°C - +85°C, 90% 습도 작동 |
| 기계 | PCB 크기: 40 × 40mm, 무게 < 20g |
| 규정 준수 | CE/FCC, EMC Class B |
| 비용/생산 | BOM 비용 <\$5, 조립 수율 >95% |
시스템 아키텍처 및 블록 다이어그램 설계
이 블록 다이어그램은 전자 시스템을 상호 연결된 하위 시스템으로 나누어 전자 시스템의 핵심 구조를 보여줍니다. Power Subsystem은 배터리, DC-DC 컨버터 및 레귤레이터를 통해 안정적인 에너지를 공급하여 다른 모든 블록의 기반을 형성합니다. 중앙에는 데이터 흐름 및 의사 결정 관리를 담당하는 마이크로컨트롤러, FPGA 또는 프로세서가 있는 제어 하위 시스템이 있습니다.
아날로그 하위 시스템은 센서, 증폭기 및 필터를 사용하여 실제 신호를 처리하는 반면, 디지털 I/O는 USB, SPI, UART, CAN 및 이더넷과 같은 표준을 통해 외부 장치와의 통신을 가능하게 합니다. 별도의 클로킹 및 타이밍 블록은 발진기, PLL 및 낮은 지터 성능을 위한 정확한 라우팅과의 동기화를 보장합니다.
신뢰성을 유지하기 위해 시끄러운 디지털 신호를 민감한 아날로그 회로로부터 멀리 유지하여 간섭을 줄이고 시스템 안정성을 향상시키는 격리 구역이 강조됩니다.
전자 회로 설계의 기본 구성 요소
저항기
이는 전류의 흐름을 제한하고 제어하는 데 사용됩니다. 저항을 추가함으로써 회로의 민감한 부분이 너무 많은 전류로 인해 손상되지 않도록 합니다.
커패시터
작은 에너지 저장 장치 역할을 합니다. 전하를 보유하고 필요할 때 빠르게 방출할 수 있습니다. 따라서 전압을 안정화하거나 신호를 필터링하거나 짧은 버스트를 공급하는 데 유용합니다.
트랜지스터
스위치 및 증폭기 역할을 합니다. 제어된 게이트처럼 전류를 켜거나 끄거나 약한 신호를 더 강하게 만들 수 있습니다. 트랜지스터는 회로가 정보를 처리하고 제어할 수 있도록 하기 때문에 현대 전자 제품의 일부입니다.
다이오드
전류의 방향을 안내합니다. 전기가 한 방향으로만 흐르도록 하고 다른 방향으로 차단합니다. 이는 손상을 일으킬 수 있는 역전류로부터 회로를 보호합니다.
전자 회로 설계의 부품 연구 및 선택
성능 고려 사항
회로의 부품을 선택할 때 가장 먼저 확인해야 할 것 중 하나는 성능입니다. 이는 구성 요소가 설계에서 어떻게 작동하는지 살펴보는 것을 의미합니다. 필요한 세부 정보에는 노이즈가 추가하는 양, 시간이 지남에 따라 얼마나 안정적인지, 얼마나 많은 전력을 사용하는지, 신호를 얼마나 잘 처리하는지가 포함됩니다. 이러한 요소는 회로가 예상대로 작동하는지 여부를 결정합니다.
패키지 선택
구성 요소의 패키지는 구성 요소가 빌드되고 크기가 조정되는 방식입니다. 이는 보드에 얼마나 많은 공간을 차지하는지, 얼마나 많은 열을 처리할 수 있는지, 조립 중에 배치하는 것이 얼마나 쉬운지에 영향을 미칩니다. 작은 패키지는 공간을 절약하는 반면, 큰 패키지는 작업하기가 더 쉽고 열을 더 잘 처리할 수 있습니다. 올바른 패키지를 선택하면 공간, 열 및 사용 편의성의 균형을 맞추는 데 도움이 됩니다.
가용성 및 공급망
부품이 잘 작동하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 또한 필요할 때 사용할 수 있어야 합니다. 부품을 둘 이상의 공급업체로부터 구입할 수 있는지, 앞으로도 계속 생산될 것인지 확인해야 합니다. 이렇게 하면 부품이 갑자기 찾기 어려워질 경우 지연이나 재설계의 위험이 줄어듭니다.
규정 준수 및 표준
전자 제품은 안전 및 환경 규칙을 따라야 합니다. 부품은 RoHS, REACH 또는 UL과 같은 표준을 충족해야 하는 경우가 많습니다. 이러한 승인은 구성 요소가 사용하기에 안전하고 환경에 해를 끼치지 않으며 다양한 지역에서 판매될 수 있는지 확인합니다. 규정 준수는 구성 요소 선택의 주요 부분입니다.
신뢰성 및 경감
신뢰성은 구성 요소가 정상적인 사용 상태에서 얼마나 오래 그리고 얼마나 잘 작동할 수 있는지를 의미합니다. 부품을 더 오래 사용하려면 최대 한계까지 밀어붙이지 않아야 합니다. 이 관행을 디레이팅이라고 합니다. 부품에 안전한 여유를 제공함으로써 고장 가능성이 낮아지고 전체 시스템의 신뢰성이 높아집니다.
전자 회로 설계의 회로 시뮬레이션 유형
| 시뮬레이션 유형 | 회로 설계의 목적 |
|---|---|
| DC 바이어스 | 모든 장치가 올바른 전압 및 전류 지점에서 작동하는지 확인합니다. 트랜지스터가 의도치 않게 포화되거나 차단되는 것을 방지합니다. |
| AC 스윕 | 주파수 응답, 이득 및 위상 마진을 평가합니다. 증폭기, 필터 및 안정성 분석의 기본입니다. |
| 과도 | 스위칭, 시작 응답, 상승/하강 시간 및 오버슈트와 같은 시간 도메인 동작을 분석합니다. |
| 노이즈 분석 | 전기 노이즈에 대한 회로 민감도를 예측하고 저잡음 애플리케이션을 위한 필터링 전략을 최적화하는 데 도움이 됩니다. |
| 몬테카를로 | 구성 요소 허용 오차(저항기, 커패시터, 트랜지스터)의 통계적 변화를 테스트하여 제조 확산 전반에 걸쳐 설계 견고성을 보장합니다. |
| 열 | 열 방출을 추정하고 전력 회로 및 소형 설계에 필요한 잠재적인 핫스팟을 식별합니다. |
회로 설계의 전력 공급 및 신호 무결성
PDN(Power Delivery Network) 관행
• 스타 접지: 스타 연결을 사용하여 접지 루프를 최소화합니다. 이렇게 하면 소음이 줄어들고 전반적으로 일관된 참조 전위가 보장됩니다.
• 짧은 복귀 경로: 항상 전류에 대한 직접 및 낮은 임피던스 복귀 경로를 제공합니다. 긴 루프는 인전턴스를 증가시키고 민감한 회로에 노이즈를 주입합니다.
• 디커플링 커패시터: 작은 값의 디커플링 커패시터를 IC 전원 핀에 최대한 가깝게 배치합니다. 이는 국부적인 에너지 저장소 역할을 하며 고주파 과도 현상을 억제합니다.
• 벌크 커패시터: 전원 진입점 근처에 벌크 커패시터를 추가합니다. 이는 급격한 부하 변화 시 공급을 안정화합니다.
신호 무결성(SI) 고려 사항
• 제어된 임피던스 라우팅: 고속 트레이스는 정의된 임피던스(일반적으로 단일 종단 50 Ω 또는 차동 100 Ω)로 라우팅해야 합니다. 이렇게 하면 반사 및 데이터 오류가 방지됩니다.
• 접지 관리: 간섭을 피하기 위해 아날로그와 디지털 접지를 분리하여 유지합니다. 깨끗한 참조 평면을 유지하기 위해 단일 점에서 연결합니다.
• 누화 감소: 평행 고속 라인 사이의 간격을 유지하거나 접지 가드 트레이스를 사용합니다. 이는 결합을 최소화하고 신호 품질을 보존합니다.
• 레이어 스택업: 다층 PCB에서는 전원 및 접지를 위한 연속 평면을 전용으로 사용합니다. 이는 임피던스를 줄이고 EMI를 제어하는 데 도움이 됩니다.
회로 설계의 PCB 레이아웃
구성 요소 배치
기능 및 신호 흐름에 따라 구성 요소를 배치합니다. 관련 부품을 함께 그룹화하고 특히 고속 또는 민감한 아날로그 회로의 경우 트레이스 길이를 최소화합니다. 발진기나 레귤레이터와 같은 기본 구성 요소는 지원하는 IC 가까이에 배치해야 합니다.
신호 라우팅
임피던스 불연속성과 잠재적인 EMI를 줄이기 위해 90° 트레이스 굽힘을 피하십시오. USB 또는 이더넷과 같은 차동 쌍의 경우 타이밍 무결성을 유지하기 위해 트레이스 길이를 일치시킵니다. 간섭을 방지하기 위해 아날로그 신호와 디지털 신호를 분리합니다.
레이어 스택업
균형 잡힌 대칭 레이어 스택업은 제조 가능성을 개선하고 뒤틀림을 줄이며 일관된 임피던스를 제공합니다. 전용 접지 및 전원 평면은 노이즈를 낮추고 전압 전달을 안정화합니다.
고속 고려 사항
제어된 임피던스로 고속 신호를 라우팅하고, 연속 기준면을 유지하며, 스텁이나 불필요한 오버홀을 피합니다. 인덕턴스를 최소화하고 신호 무결성을 유지하기 위해 리턴 경로를 짧게 유지하십시오.
열 관리
전력 장치 아래에 열 오버홀을 배치하여 내부 구리 평면이나 PCB의 반대쪽으로 열을 분산시킵니다. 고전력 회로에는 구리 주입 및 열 확산 기술을 사용하십시오.
회로 개발의 원리도 설계 및 ERC
회로도 설계 단계
• 계층적 시트: 설계를 전원, 아날로그 및 디지털 하위 시스템과 같은 논리적 섹션으로 나눕니다. 이렇게 하면 복잡한 회로를 체계적으로 유지하고 향후 디버깅 또는 업데이트를 더 쉽게 할 수 있습니다.
• 의미 있는 네트 이름 지정: 일반 레이블 대신 설명이 포함된 네트 이름을 사용합니다. 명확한 이름은 혼란을 피하고 문제 해결 속도를 높입니다.
• 설계 속성: 정격 전압, 전류 요구 사항 및 허용 오차 정보를 회로도에 직접 포함합니다. 이렇게 하면 검토 중에 도움이 되며, 구성 요소가 올바른 사양으로 선택되도록 할 수 있습니다.
• 풋프린트 동기화: 프로세스 초기에 구성 요소를 올바른 PCB 풋프린트에 연결합니다. 불일치를 포착하면 이제 PCB 레이아웃 중 지연과 비용이 많이 드는 재작업을 방지할 수 있습니다.
• 예비 BOM(Bill of Materials): 회로도에서 드래프트 BOM을 생성합니다. 이는 설계를 완료하기 전에 비용을 추정하고, 부품 가용성을 확인하고, 조달 계획을 안내하는 데 도움이 됩니다.
전기 규칙 점검(ERC) 위생
• 정의되지 않은 동작을 유발할 수 있는 부동 핀을 감지합니다.
• 기능 장애를 초래할 수 있는 단축된 네트에 플래그를 지정합니다.
• 설계 전반에 걸쳐 전원 및 접지 연결이 일관되게 유지되도록 합니다.
회로 테스트 및 검증
• 중요한 신호 및 전원 레일에 테스트 포인트를 추가하여 디버깅 및 생산 테스트 중에 쉽게 측정할 수 있습니다.
• 개발 중에 펌웨어를 로드하고, 신호를 확인하고, 시스템과 통신하기 위해 JTAG, SWD 또는 UART와 같은 프로그래밍 및 디버그 헤더를 제공합니다.
• PCB에 처음 전원을 공급할 때 전류 제한 전원 공급 장치를 사용하십시오. 이는 단락이나 설계 실수가 있는 경우 구성 요소가 손상되지 않도록 보호합니다.
• 전체 시스템을 함께 실행하기 전에 각 하위 시스템의 전원을 켜고 개별적으로 검증합니다. 이렇게 하면 문제를 더 쉽게 격리하고 해결할 수 있습니다.
• 모든 측정 결과를 원래 설계 사양과 비교합니다. 열 제한, 타이밍 성능 및 전력 효율성을 확인하여 회로가 의도한 대로 작동하는지 확인하십시오.
• 자세한 가져오기 메모 및 테스트 결과를 보관하십시오. 이 설명서는 향후 개정, 문제 해결 및 프로덕션 팀에 대한 핸드오프에 도움이 됩니다.
결론
전자 회로 설계는 계획, 시뮬레이션 및 테스트를 결합하여 신뢰할 수 있는 시스템을 만듭니다. 사양 설정부터 PCB 레이아웃 및 검증에 이르기까지 각 단계는 실제 조건에서 회로가 의도한 대로 작동하는지 확인합니다. 좋은 디자인과 표준을 적용하면 안전하고 효율적이며 오래 지속되는 전자 솔루션을 개발할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
1분기. 전자 회로 설계에는 어떤 소프트웨어가 사용됩니까?
Altium Designer, KiCad, Eagle 및 OrCAD는 회로도 및 PCB 레이아웃에 일반적입니다. LTspice, Multisim 및 PSpice는 시뮬레이션에 자주 사용됩니다.
2분기. 접지는 회로에 어떤 영향을 줍니까?
적절한 접지는 소음과 간섭을 줄입니다. 접지면, 스타 접지, 아날로그 및 디지털 접지 분리는 안정성을 향상시킵니다.
3분기. 회로에 열 관리가 필요한 이유는 무엇입니까?
과도한 열은 구성 요소 수명을 단축시키고 성능을 저하시킵니다. 방열판, 열 구멍, 구리 주입 및 공기 흐름은 온도 제어에 도움이 됩니다.
4분기. PCB를 만들려면 어떤 파일이 필요합니까?
정확한 PCB 제작 및 조립을 위해서는 거버 파일, 드릴 파일, BOM(Bill of Materials) 및 조립 도면이 필요합니다.
5분기. 신호 무결성은 어떻게 테스트됩니까?
오실로스코프, TDR(Time-Domain Reflectometry) 및 네트워크 분석기는 임피던스, 누화 및 왜곡을 확인합니다.
6분기. 제조 가능성 설계(DFM)란 무엇입니까?
DFM은 표준 풋프린트를 사용하고 PCB 제한을 준수하며 조립을 단순화하여 생산하기 쉬운 회로를 만드는 것을 의미합니다.