1. Micro Controller Unit (MCU)
마이크로프로세서와 입력, 출력 모듈을 하나의 반도체 Chip으로 구성되어있고 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터. CPU 코어, 메모리, 프로그램 가능한 입력, 출력을 가지고 있다.
1-1. CPU
C언어 명령어를 실행하는 중앙처리장치, 제어장치, 연산장치, 레지스터로 구성된다.
1-2. 발진자
반도체 Chip이 작동하기 위해 필요한 일정주파수와 전기신호를 만들어주는 장치. MCU의 Chip Enable (CE) 포트를 이용하여 구동한다.
1-3. 메모리
MCU에 따라 ROM만 가능한 타입이 있고, EEPROM도 사용가능한 타입이 있다. RAM은 공통적으로 사용가능하다. Read 또는 Write가 MCU사양에 따라 CE, Output Enable (OE), Write Enable (WE) 조합에 의해 동작하기 때문에 Datasheet를 확인하자.
1-3-1. Read Only Memory (ROM)
전원 공급이 끊긴 상태에서도 기억가능한 비휘발성 메모리. 한번 기록한 데이터를 빠른 속도로 읽을 수 있지만, 다시 기록할 수 없다.
1-3-2. Random Acess Memory (RAM)
전원이 공급된 상태에서 기억된 정보를 읽어내기도 하고 다른 정보를 기어시킬수 있는 메모리로써, 데이터의 일시적인 저장이 가능한 휘발성 메모리.
1-3-3. Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (EEPROM)
전원 공급이 끊긴 상태에서도 기억가능한 비휘발성 메모리. ROM과 RAM에 비해 저장 영역이 적으며 전기적인 기능을 통해 저장된 데이터를 지울수 있다. Variant Code 또는 Tuning 데이터, 일부 진단 데이터, 사이버보안 데이터 등을 저장하고 불러오기 위해 사용한다.
1-4. 유의사항
Datasheet상 RTC 공차(일반기능 ±2%, 고주파수 사용시 ±10%), 메모리용량, Clock수가 동일하더라도 제조업체가 다른경우 기능표출 Timing이 다를 수 있기 때문에 동일한 Code를 적용하였을때 실제로 기능이 동작하는 Timing이 상이할 수 있다. 따라서 Full Function Check를 통해 각 기능별 정상동작 유무를 확인해야 한다.
2. Capacitor 캐패시터
오작동을 방지하고 기능의 안정성을 위해 사용하는 소자로 정전용량(F), 정밀도(%), 온도특성, 크기(mm)를 계산하여 선정한다. 사용목적에 따라 여러가지 재질 및 구조를 가진다. 용량은 모든 캐패시터의 품명에서 확인이 가능하며 품명중 3개의 숫자로 용량이 산정된다. 3개의 숫자중 앞의 2개는 2자리 숫자의 pF값이며, 마지막 숫자는 10^n이 된다. 예를 들어 CL10221JB81PNC의 품명을 가지는 220pF용량의 MLCC가 있다고 가정했을때, 221은 22x10^1=220pF이 되는것이다. 이해를 돕기위해 여러개의 용량값을 예로 들어놓을테니 참고하도록 하자.
Ex) 10 -> 10x10^0 = 10pF
47 -> 47x10^0 = 47pF
102 -> 10x10^2 = 1000pF -> 1nF
104 -> 10x10^4 = 100000pF -> 100nF -> 0.1uF
2-1. Noise Filter
전원 혹은 입력 신호에 포함된 고조파성분을 걸러내기위한 필터로써 입력회로에 병렬로 연결하여 접지한다.
2-1-1. 전원회로 Noise Filter
전원회로에 사용되는 용량은 0.1uF이 주로 사용되며, 연결된 능동소자 타입 혹은 0.1uF이 걸러내지 못한 추가적인 고조파성분을 걸러 내기 위해 적절한 용량을 선정하여 추가 Filter(ex) 10nF)를 사용하기도 한다. 또한 전원회로에 사용되는 경우 Noise Filter의 구성은 2EA를 사용하여 1EA가 소손으로 Short가 되더라도 Filter 역할을 수행할 수 있도록 2EA를 사용하기도 하고 1EA의 용량을 높여서 사용하기도 하니 참고하자.
2-1-2. 입력신호 Noise Filter
기능과 연관된 Port부를 모니터링해보고 입력 신호에서 고조파성분이 확인된다면 포함된 고조파성분을 걸러내기위해 필요한 용량의 Capacitor를 시뮬레이션 또는 실험을 통해 선정하여 사용하면 된다. 다만 고조파성분 중 Inrush 신호가 포착되는 경우 아래의 두가지 Case를 참고하도록 하자.
ADC를 사용시 Software로 범위 입력 판정 Table을 재설정하면 된다. ADC 기본개념을 알고 싶으신분은 아래의 링크를 참고하시기 바랍니다.
3. Resister 저항
전류의 흐름을 방해하는 소자이며 저항치(R), 용량(W), 정밀도(%), 온도특성, 크기(mm)를 계산하여 선정한다. 주로 칩저항을 사용하며 아래의 칩저항 크기 Table을 참고하자.
3-1. Pull up 저항
내부전원 Source를 사용하는 Low Active 입력 회로 또는 Analog 입력 회로를 사용할때 입력 대기 상태에서 MCU가 Floating없이 Low 레벨로 인식할 수 있도록 구성된 저항.
3-2. Pull down 저항
외부전원 Source를 사용하는 High Active 입력 회로를 사용할때 입력 대기 상태에서 MCU가 Floating없이 High 레벨로 인식할 수 있도록 구성된 저항.
3-3. 전류 제한 저항
스위치 동작시 순간전류 또는 모터등의 Inrush 전압 또는 전류의 영향을 방지하기 위해 부하의 전단에 직렬로 연결하는 저항.
3-4. 분압저항
MCU 전단 혹은 부하 전단에 사용하여 입력되는 전압을 분압하여 사용하기 위해 직병렬로 연결하는 저항. 전류 제한 저항을 적용하여도 Inrush의 영향으로 오작동하는 경우 부하에 병렬로 분압저항을 연결하여 해결하기도 한다. 예를 들어 LED부하의 순간점멸이 확인된다면 LED측에 병렬로 저항을 연결하면 해결되는 경우가 있으니 참고하자.
4. RC 필터 (Low Pass Filter)
Low Pass Filter는 적은 주파수 대역을 통과시키는 필터로써 -3dB 또는 0.707배 출력을 얻는 시점이 Cut off Frequency (fc)이고 구하는 공식은 아래와 같다.
수동소자를 사용하여 구하는 방식이며 2차 Low Pass Filter는 RC필터에 RC필터를 직렬로 추가한것으로 생각하면 된다. 앰프(OP-AMP)를 사용하기도 하니 참고하자.
5. Diode 다이오드
입력단으로부터의 써지(EOS 또는 ESD) 및 Inrush Current 순간돌입전류를 방지하고 출력단측 상대 전자제어기기로부터의 역전압을 방지하기 위해 사용하는 소자.
5-1. 일반 Diode
입력단측 순간돌입전류, 순간돌입전압을 방지하기 위해 사용하고 출력단측 역전류, 역전압을 방지하기 위해 사용하며 전압, 전류, 온도특성을 Datasheet에서 확인 후 적합한 Model을 선정한다.
5-2. Zener Diode
써지의 요소인 EOS, ESD로 부터 회로를 보호하기 위해 사용하며 전압, 전류, 온도특성을 Datasheet에서 확인 후 적합한 Model을 선정한다. EOS를 방지하기 위해 FET와 Zener Diode가 혼용으로 사용되기도 한다.
* Electrical Over Stress(EOS) : 전기적 과부하로써 정확히 어느 위치에서 발생한지 알수 없지만 주로 외부에서 발생하여 해당 전자제어기기의 오작동 또는 고장을 초래할 수 있는 Surge 써지. ESD를 포괄하는 개념이다.
* Electrostatic Discharge(ESD) : 정전기 과부하로써 정확히 어느 위치에서 발생한지 알수 없지만 주로 전자제어기기 내부에서 발생하여 해당 전자제어기기의 오작동 또는 고장을 초래할 수 있는 써지.
6. Transistor 트랜지스터
3단자로 형성된 반도체 소자이며 평상시 절연체로 스위치 Off와 동등한 상태를 유지하고 BJT의 Base단자에 전류를 인가 또는 MOSFET의 Gate단자에 전압을 인가해주면 스위치 On과 동등한 상태로 전압과 전류를 통전한다. 릴레이 대비 소모전류가 낮고 스위칭 속도가 빠르기 때문에 사용한다. Noise로 인한 오작동을 방지하기 위해 Software로 판정 Table의 High 또는 Low 전류 또는 전압 Level을 조정하여 사용한다. Noise 크기가 Software로 조정하기 어려울 경우 Capacitor의 적정 용량을 찾아서 Noise Filter를 사용하자.
6-1. Bipolar Junction Transistor(BJT)
3단자로 형성된 양극성 반도체 소자이며 평상시 절연체로 스위치 Off와 동등한 상태를 유지하고 BJT의 Base에 전류를 인가하여 Base와 Emitter사이에 0.7V의 전압이 형성되면 Corrector -> Emitter로 전류를 통전시켜 스위치 On과 동등한 상태로 전압과 전류를 통전한다. NPN TR은 Base단자에 +전류가 인가되면 Corrector -> Emitter로 전류를 통전시키고 PNP TR은 Base단자에 -전류가 인가되면 Corrector -> Emitter로 전류가 통전되니 참고하자. BJT의 심벌은 +전류 인가시 통전 전류가 흐르는 방향으로 표기되어 있으니 참고하자. 정확한 Operating Current는 Datasheet의 Characteristics graph를 참고하자.
* 양극성 : 전자와 정공이 함께 운반되어 전류를 통전
6-2. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(MOSFET)
3단자로 형성된 단극성 반도체 소자이며 평상시 절연체로 스위치 Off와 동등한 상태를 유지하고 MOSFET의 Gate에 전압을 인가하여 Gase와 Source사이에 2~3V의 전압이 형성되면 Drain -> Source로 전류를 통전시켜 스위치 On과 동등한 상태로 전압과 전류를 통전한다. N채널 MOSFET는 Gate단자에 +전압이 인가되면 Drain -> Source로 전류를 통전시키고 P채널 MOSFET는 Gate단자에 -전압이 인가되면 Corrector -> Emitter로 전류가 통전되니 참고하자. MOSFET의 심벌은 N채널의 경우 화살표가 들어오는 방향이고 P채널의 경우 화살표가 나가는 방향으로 표기되어 있으니 참고하자. 정확한 Operating Voltage는 Datasheet의 Characteristics graph를 참고하자.
* 단극성 : 전자 또는 정공중 한가지만 운반되어 전류를 통전
6-3. 트랜지스터 사용용도
NPN TR 및 N채널 MOSFET의 경우 부하 아래측에서 스위치 동작이 필요할때 사용한다. 즉 BJT의 Emitter 단자와 MOSFET의 Source 단자가 GND와 연결되는 경우 사용한다.
PNP TR 및 P채널 MOSFET의 경우 부하 위측에 스위치 동작이 필요할때 사용한다. 즉 BJT의 Collector단자와 MOSFET의 Drain 단자가 전원 Source와 연결되는 경우 사용한다.
해당내용을 연계하여 High Active 입력, High Side Driver(HSD)와 Low Active 입력, Low Side Driver(LSD)의 동작은 아래의 회로도를 참고하도록 하자. High Active 입력, HSD의 경우 전원 Source측에 직렬로 연결되어 스위치로 동작하고 스위치가 On이면 전원 전압이 되고 스위치가 Off이면 GND 또는 외부 부하와의 연결상태에 따라 전압 Level을 가지기도 한다. Low Active 입력, LSD의 경우 외부 부하와 연결되어 스위치로 동작하고 스위치가 On이면 GND가 되며 스위치가 Off이면 외부 부하로부터 전달되는 전압 Level을 가진다. 보통 전원 전압을 공유하기도 하고 Pulse로 공급하기도 한다. 중요한것은 High Side 스위치의 경우 스위치가 On되면 전원 전압을 통전하고 Low Side 스위치의 경우 스위치가 On되면 GND를 통전한다는것을 알아두자.
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