Altium Designer를 사용한 소형 DC 모터 구동

이 기사에서는 스키마 생성부터 PCB 레이아웃에 이르기까지 드라이버 IC의 실제 구현을 실행하는 방법을 살펴보겠습니다. 이 프로젝트를 자신의 설계에 복사하여 붙여넣기만 하려면 GitHub에서 오픈 소스 라이선스로 공개된 이 프로젝트를 찾을 수 있습니다.

부품 선택

저는 부하 시 각각 약 1암페어를 소모하는 두 개의 작고 고속 모터를 구동하고자 합니다. 이 모터는 산업용 기계에서 30볼트 전원을 사용해야 합니다. 원래의 전자 장치는 소실되어 현재는 구식이 되었으므로 새로운 제어 보드가 개발되어야 합니다. 일단, 이 프로젝트에서는 모터 드라이버에 대해서만 논의할 것입니다.

요구 사항과 최종 회로 기판에 사용할 제한된 보드 면적을 고려할 때, 저는 Allegro A4954를 선택했습니다. 이는 2암페어 / 40볼트의 등급과 열 패드가 있는 TSSOP-16 패키지를 가지고 있기 때문입니다. 또한, 매우 저렴하여 단일 모터 드라이버, 예를 들어 Allegro A4953와 같은 제품이나 단일 모터만을 구동해야 하는 경우 사용할 수 있는 다른 저가형 단일 모터 드라이버와 거의 같은 가격입니다.

우리 애플리케이션에 단일 IC 드라이버를 사용하는 주요 장점은 회로도를 완성하기 위해 필요한 추가 부품의 수를 줄일 수 있다는 것입니다. 우리가 필요로 하는 추가 부품은 몇 개의 저항, 커패시터, 그리고 3.3v 레귤레이터뿐입니다. 그러나 H-브리지를 손상시키거나 전자기 호환성 인증 문제를 일으킬 수 있는 과도한 전압 스파이크를 줄이기 위해 각 모터 단자에 다이오드와 커패시터를 추가하고 싶습니다.

회로도 설계

보통 데이터베이스 라이브러리와 함께 작업하지만, 이 글의 목적상 그것은 여러분이 작업하기에 매우 이동성이 떨어지는 해결책이 될 것입니다. 따라서, 저는 관련된 pcblib 및 schlib 파일을 프로젝트에 추가했고, 시작하기 위해 스키마틱 심볼에 풋프린트를 포함시켰습니다. 하지만, 이는 우리가 라이브러리의 구체적인 패시브 부품 대신 일반적인 패시브를 배치한다는 의미인데, 이는 제가 선호하지 않는 방식입니다. 일반 부품을 배치하는 것은 실수로 이어질 수 있으므로, 라이브러리를 관리하는 데 도움이 되는 Concord Pro를 사용하는 것이 좋은 방법입니다. 하지만, 제 Concord Pro 팀에 모든 독자를 추가하지 않는 이상, 제가 만들 라이브러리를 아무도 사용할 수 없게 됩니다. 따라서, 제가 소싱할 수 있는 부품을 배치하기 위해, 제조업체 부품 검색 패널에서 필요한 각 구성 요소를 검색한 다음, 각 스키마틱 심볼에 공급업체 링크와 파라미터를 추가할 것입니다. 이는 자재 명세서를 생성할 때뿐만 아니라 공급업체에서 구성 요소를 주문할 때도 도움이 될 것입니다.

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Altium은 공급업체 링크를 추가할 수 있게 해주어, 나중에 일을 더 쉽게 만들어줍니다.

구성 요소를 추가하면서 관리하는 것이 각 부품이 유효하고 주문 가능한 구성 요소인지 확인하는 데 매우 중요하다는 것을 알게 되었습니다. 부품을 배치할 때 각 부품이 유효한지 확인하는 것이 설계 단계의 끝에서 구성 요소를 구할 수 없어 대체 구성 요소를 위해 설계를 다시 작업해야 한다는 것을 발견하는 것보다 훨씬 쉽습니다.

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우리는 유효한 소싱 가능한 구성 요소와 일반적인 패시브 부품을 스키마틱에 추가하면서 시작합니다.

저는 커넥터, 전류 감지 저항기, TVS 다이오드, 주요 IC를 지정하여 디자인을 시작합니다.

또한 일반적인 커패시터, 저항기, 포텐쇼미터 심볼을 추가했으며, 디자인 과정에서 필요에 따라 복사하여 붙여넣은 다음 스키마틱에서 올바른 위치에 있을 때 지정할 것입니다. 간단한 디자인에서 일반 부품으로 스키마틱을 빠르게 배치할 때, 동일한 구성 요소의 또 다른 복사본을 수집하기 위해 매번 라이브러리 패널로 돌아가는 것보다 이 방법이 더 빠르다는 것을 발견했습니다. 심볼을 shift-drag하여 복제하는 것이 동일한 풋프린트의 또 다른 일반 구성 요소를 배치하는 가장 빠른 방법입니다.

그런 다음 배치한 모든 부품을 연결하여 완전한 스키마틱을 만듭니다.

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스키마틱이 완전히 채워진 것은 완전히 통합된 드라이버 IC를 사용할 때 당연히 간단해야 합니다. 저는 마이크로컨트롤러가 드라이버 IC의 입력으로부터 보호될 수 있도록 33옴 저항을 몇 개 추가했습니다. 이는 드라이버에 무슨 일이 생기더라도 마이크로컨트롤러로 흐르는 전류를 용납할 수 있는 수준으로 제한할 것입니다. 저는 앞서 언급한 대로 모터 출력에 100nF 커패시터와 TVS 다이오드를 추가하여 ESD를 완화하고 모터에서 발생하는 순간적인 플라이백 전압을 줄일 것입니다. 또한, 모터 전류를 필요에 따라 설정할 수 있도록 상단 다리에 가변 저항이 있는 저항성 전압 분배기를 추가했습니다. 전압 분배기는 간단한 선형 전압 조정기로 구동되며, 일반적으로 27v의 전압 강하를 사용하고 싶지 않지만, 이 경우에는 전류 소모가 충분히 낮아 조정기가 과열되지 않을 것입니다.

Allegro A4954 IC와 그에 연결된 모든 패시브 부품들이 주석을 달기 전의 모습입니다.

마지막으로, 회로도가 완전히 배치되면, 설계 지정 번호를 완성하기 위해 회로도에 주석을 달았습니다. 저는 개인적으로 새로운 부품을 추가한 직후에 지속적으로 주석을 달기보다는 회로도 캡처의 마지막에 이 작업을 하는 것을 선호합니다. 이는 일반적으로 설계 지정 번호가 더 밀집되어 있게 만들어 줄 수 있기 때문입니다. 이는 설계 지정자를 기반으로 회로도에서 부품의 위치를 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다.

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드라이버 주변에 모인 모든 부품들이 밀접한 설계 지정 번호로 주석 처리되는 것을 주목하세요.

회로도의 각 구성 요소에 실제 부품을 할당했기 때문에, 이제 프로젝트에서 ActiveBOM을 사용할 수 있게 되었으며, 이는 회로도의 비용을 평가하고 모든 구성 요소가 대량 생산에서 사용 가능한지 확인하는 데 사용할 수 있습니다. ActiveBOM은 다양한 생산 수량에서 보드 당 비용을 빠르게 평가하는 것을 매우 쉽게 만들어 줍니다. 글을 쓰는 시점에서, 단일 보드의 구성 요소 비용은 7.99 USD였으며, 1000개 보드에서는 보드 당 단지 3.42 USD로 떨어집니다. 예산 관점에서 이는 예상 생산량에서 가격을 낮추기 위해 회로도에 대한 대안적인 옵션을 살펴볼 필요가 있는지 결정할 수 있게 해줍니다. PCB를 라우팅하는 데 어떠한 시간도 소비하기 전에 이 결정을 내릴 수 있기 때문에, 이는 제 생산성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

PCB 라우팅

모든 PCB 프로젝트와 마찬가지로, 첫 번째 작업은 엔지니어링 변경 주문(ECO)을 통해 구성 요소를 PCB에 넣는 것입니다.

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모든 구성 요소가 추가된 후의 PCB 레이아웃.

스키매틱 데이터를 PCB로 전송한 후에는 몇 가지 작업을 좋아하는데, 첫 번째로 모든 지정자를 PCB 부동산을 차지하지 않도록 '지정자'라고 부르는 기계적 레이어에 넣습니다. PCB 필터 패널에서 다음 필터를 사용합니다:

IsDesignator AND OnLayer('Top Overlay')

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이것은 내 모든 지정자를 선택하고 속성 창에서 빠르게 편집하여 레이어를 변경하고, 진정한 유형으로 만들고, 구성 요소의 중앙에 자동 위치시키는 것을 가능하게 합니다. 이는 나중에 필요한 경우 더 좋은 PCB 도면을 만듭니다.

다음으로, 도구 메뉴에서 교차 선택 모드(Cross Select Mode)를 켜거나 (Shift-Ctrl-X)를 사용하여 스키매틱에서 논리적인 구성 요소 그룹을 선택할 수 있습니다. 이렇게 간단한 스키매틱에서도, 회로 기판에서 구성 요소를 그룹화하여 시간을 절약할 수 있습니다.

스키매틱에서 드라이버 IC와 그 지원 구성 요소를 선택한 다음, PCB로 다시 전환하면 새로 추가된 부품들 사이에서 그 구성 요소들을 선택할 수 있습니다.

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스키마틱에서 구성 요소를 선택하는 것은 PCB 레이아웃에서 하나씩 찾아서 선택하는 것보다 시간을 절약합니다.

그런 다음 도구 -> 구성 요소 배치 -> 사각형 내 정렬(구 Alignment Tools 아이콘 아래의 오래된 유틸리티 툴바에서도 사용 가능)을 사용하여 보드 밖에 사각형을 그리고 이 부품들을 함께 그룹화할 수 있습니다.

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이렇게 하면 구성 요소를 가장 최적의 방식으로 스스로 배치할 수 있는 좋은 작은 블록이 생깁니다. 더 크고 복잡한 프로젝트의 경우, 각 논리 블록을 따로 배치함으로써, 모든 블록을 한 번에 회로 기판으로 가져와 그 블록에 대한 최적의 회전과 위치를 찾을 수 있으며, 보드 부동산 사용을 최적화하기 위해 구성 요소 배치에서 어떤 희생이 필요한지도 결정할 수 있습니다. 저에게 이것은 많은 시간을 절약해 주며, 일반적으로 한 구성 요소에서 구성 요소 레이아웃을 구축하는 것보다 더 나은 레이아웃을 제공합니다.

구성 요소 배치 기능은 스키마틱의 논리 블록을 나타내는 클러스터 내에 구성 요소를 배열할 수 있게 합니다.

몇 분 안에 이것은 상대적으로 컴팩트하고 라우팅 가능해야 하는 보드로 변합니다.

최종 구성 요소 배치는 라우팅 가능하며, 논리적으로 조직되어 있고, 컴팩트합니다.

3D 뷰를 빠르게 확인해보니 이 보드는 손으로 조립하기도 쉬울 것 같아, 저용량 부품을 위한 좋은 확인 작업이 됩니다.

트랙이 추가되기 전의 보드 3D 뷰입니다.

이 보드의 라우팅은 회로도가 매우 간단하기 때문에 꽤 단순합니다! 유일하게 주목할 점은 모터 드라이버 데이터시트가 전류 감지 저항기에서 IC 그라운드로 직접 돌아가는 그라운드 경로를 제공하고, 이 스타 그라운드를 만들기 위해 폴리곤 컷아웃을 사용하도록 제안한다는 것입니다. 저는 상단과 하단에 전체 보드 그라운드 푸어를 추가한 다음, 폴리곤 컷아웃 도구(Place 메뉴 아래)를 사용하여 제안된 컷아웃을 추가했습니다.

보드가 라우팅되고, 그라운드 푸어가 추가되며, 폴리곤 컷아웃이 만들어진 후의 모습입니다.

전기적으로 이 보드는 이제 완성된 것처럼 보이지만, 3D 뷰에서는 시각적으로 매력적이지 않습니다.

트랙이 추가된 후의 보드 3D 뷰는 여전히 다소 부족한 느낌이 듭니다.

저는 제 개인용이라도 보드가 세련되어 보이기를 좋아합니다. 엔지니어로서, 저는 모든 회로 기판을 예술 작품으로 봅니다. 박물관의 걸작품만큼이나 많은 생각과 정성이 들어갔으니까요, 그래서 그 모습을 보여줘야 합니다!

상단 오버레이 레이어에 몇 개의 영역과 반전된 텍스트를 추가함으로써, 보드 사용을 조금 더 쉽게 하고 스타일과 라벨을 추가했습니다.

상단 오버레이의 기능은 보드를 사용하기 더 쉽고 보기 좋게 만듭니다.

보드의 하단도 비슷한 처리를 받아, 작은 ESD 로고와 보드 모델/버전/리비전을 식별할 수 있는 바코드, 그리고 품질 검사자가 이니셜을 추가할 수 있는 몇 개의 영역과 제조 및 설치 날짜를 쓸 수 있는 몇 개의 상자가 추가됩니다.

보드의 하단.

이렇게 하면 보드가 단순하고 평범해 보이는 것에서 세련되고 완성도 있으며 더 기능적으로 보이게 됩니다.

다음 단계

단일 IC DC 모터 드라이버를 구현하려는 경우, 이 프로젝트는 좋은 시작점이 될 수 있습니다. GitHub에서 프로젝트를 다운로드하여 원하는 대로 자유롭게 사용할 수 있습니다. 회로도는 생산 검증된 회로도와 레이아웃을 기반으로 하고 있지만, 설계가 요구 사항을 충족하는지 그리고 회로도/핀이 정확한지 반드시 확인해야 합니다.

다음에는 이 보드를 PDN 분석기에서 살펴보며 H-브리지 IC와 두 모터의 전류 요구 사항에 적합한 크기인지 추적을 결정할 것입니다. PDN 분석기를 이전에 사용해 본 적이 없다면, 회로 보드를 분석하기 위해 도구를 설정하는 방법을 배울 수 있는 소개 프로젝트를 따라 할 수 있습니다.

다음 PCB 설계에서 Altium이 어떻게 도움을 줄 수 있는지 더 알고 싶으신가요? Altium의 전문가와 상담하세요 또는 Altium의 PDN 분석기에 대해 더 알아보세요.