강박사의 전자기술자료센터

유비쿼터스(Ubiquitous)는 언제, 어디서나 네트워크에 접속되어 어떤 기기를 통해서라도 컴퓨팅을 할 수 있는 환경을 말한다.
그 동안, 정부의 e-코리아에 대한 적극적인 투자는 한국을 세계적 수준의 정보화 국가로 만들었고, IT 산업발전의 원동력이 되었다. 정부는 e-코리아를 넘어 새로운 정보화 시대를 대비하여 u-코리아를 구상하고 유비쿼터스 프로젝트를 시작하여, 다양한 유비쿼터스 사업이 정부 주도하에 추진되고 있다. 또한 여러 기업들이 차세대 핵심 사업으로 유비쿼터스 사업을 선정하고 전략적으로 육성하고 있다. 이러한 유비쿼터스 컴퓨팅의 핵심 기반기술 중 하나가 RFID(Radio Frequency Identification)라 불리는 비접촉 무선주파수 인식기술이며, IT 산업은 물론 국방, 조달, 건설, 교통, 의료 등 공공부분과 물류, 유통, 제조, 서비스 등 산업 전반에 걸쳐 가장 큰 영향을 미쳐, 기존의 산업 구조 및 인간의 생활 방식까지도 변화시킬 수 있는 중요한 산업으로 인식되고 있다. PC 진화의 견인차 역할을 한 것이 CPU였던 것처럼 유비쿼터스의 견인차는 RFID인 것이다.
RFID는 무선통신방식으로 데이터를 자동으로 인식/처리하는 시스템이다. 흔히 유사 기술인 바코드를 대체하는 기술로 인식되고 있지만 RFID만의 장점과 무궁한 응용 가능성을 감안할 때 RFID는 새로운 생활 방식을 여는 Disruptive Technology로서, 1985년 무렵에 등장했지만 주목을 받지 못하다가 2000년부터 ISO에서 표준화가 추진되기 시작하며 2003년 CEBIT에서 주목을 받기 시작하면서 짧은 기간에 급속히 확대되고 있다.
RFID 시스템은 무선 트랜시버와 안테나로 구성된 리더(Reader/Writer)와, IC칩과 안테나로 구성된 태그(Transponder)가 핵심이며, 태그에 고유한 정보를 내장하여 사람이나 사물, 동물에 부착하고 리더에 의해 이 정보를 읽고 처리하는 것이다. 이렇게 리더를 통해 읽은 정보는 네트워크, WiFi, 인공위성, 이동통신망 등과 연계하여 정보시스템으로 구성되어 사용된다. 이것이 유비쿼터스의 핵심이다.

현재, 대부분의 전문서나 문헌에서는 RFID 시스템의 활용면에 주안점을 두고 있지만, 본서는 RFID 시스템 회로 설계자와, 입문하려는 초급 엔지니어를 대상으로, 무선통신기기 설계와 RFID의 핵심기술인 초소형 안테나 설계 등, 고주파회로 설계를 RFID 시스템에 초점을 두고, 앰프렛사의 시제품을 예로 들어 해설해 나가고 있다.
특히, RFID 시스템의 고유의 특징인, 리더로부터의 질문에 대하여, 모든 사물에 정보가 기입된 초소형 RFID 칩이 부착되어 있는 태그는 그 정보를 반송함으로써 사물로부터 정보를 얻는 방법, 유비쿼터스 무선통신의 지근거리 통신을 위한 태그에는 소형 안테나 기술과 효율이 좋은 고주파회로 기술, 초소형이므로 전지 탑재 불가능으로 리더로부터 송신되는 전파를 이용하여 전원을 재생하는 기술 등, 초소형 RFID 칩 특유의 기술 과제, 그리고 리더와 태그가 좋은 효율로 통신을 하기 위한 쌍방의 안테나 설계 기술 등을 실제로 시험제작한 제품을 소개하면서 설계의 기본을 해설한다.

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주요 내용

제1부: RFID 시스템 설계 입문

제1장: 유비쿼터스의 기초지식

■ 유비쿼터스를 이해하기 위한 기본 개념
■ 유비쿼터스를 실현하기 위한 관련 기술(네트워크 기술, 보안과 인증기술, 소프트웨어 어플리케이션 기술, 디바이스 기술)
■ 전파의 개념과 주파수 호칭

제2장: 고주파의 용어 해설과 기본지식

■ 데시벨(dB)의 정의와 이론 정리
■ 임피던스의 정의와 이론 정리
■ 스미스차트(Smith Chart), S 파라미터

제3장: 임피던스 정합회로의 설계

■ 집중정수회로에 의한 임피던스 정합(임피던스 정합이란, 저항성분의 임피던스 정합, 리액턴스 성분의 임피던스 정합)
■ 공식으로 정리한 임피던스 정합회로 설계
■ 스미스차트를 이용한 임피던스 정합회로 설계
■ 분포정수회로에 의한 임피던스 정합
■ 스타브 회로의 구성(오픈 스타브(open stub) 회로, 쇼트 스타브(short stub) 회로, 1/4 파장 스타브 회로
■ 저항성분의 임피던스 정합

제4장: RFID 시스템의 무선통신회로

■ 서큘레이터(circulator), 고주파 스위치(PIN 다이오드에 의한 스위치, FET 스위치)
■ 고주파 발진회로, 주파수 변환회로, 감쇠기(attenuator)
■ 전력합성과 분배회로(저항 전력합성과 분배회로, 윌킹슨형 전력합성과 분배회로, 브랜치드 하이브리드 전력합성과 분배회로, LC에 의한 전력합성과 분배회로, Q 매치섹션 전력합성과 분배회로, 커플러 회로)
■ 정전파괴 보호회로의 사례

제5장: RFID 시스템의 안테나 설계

■ RFID 시스템에 있어서 안테나의 고찰, 안테나의 형상에 의한 분류, 안테나의 편파에 의한 분류(태그의 안테나 편파면을 정할 수 있는 경우, 태그의 안테나 편파면을 정할 수 없는 경우, 멀티패스파의 영향을 억압하려는 경우)
■ 유비쿼터스 구상의 소형 안테나(소형 안테나에 관한 문제점, 소형 안테나의 이득, 안테나의 절대이득과 빔 폭의 관계, 실용 안테나의 전기길이와 이득의 관계)
■ 안테나를 연결하는 급전선의 종류와 구조(평행선로, 동축선로, 스트립 선로, 도파관)
■ 안테나의 설계(안테나의 임피던스 정합, 전압 정재파비(VSWR)와 반사손실(Return loss))
■ 패치 안테나의 기본 설계
□ 패치 안테나의 소형화, 고유전율 기판의 사용에 의한 소형화, 한쪽 단락형 패치 안테나에 의한 소형화
□ 패치 안테나의 주파수대역
□ 패치 안테나의 임피던스 정합법(배면 급전방식에 의한 임피던스 정합법, Q 매치섹션 급전방식에 의한 임피던스 정합법
□ 원편파 패치 안테나
■ 금후의 안테나 기술

제6장: RFID 시스템의 증폭기 설계

■ OP앰프에 의한 저주파 증폭기의 설계
■ 고주파 증폭기의 설계(모놀리딕 마이크로파 IC)
■ 트랜지스터에 의한 고주파 증폭기의 설계(트랜지스터의 선택, 트랜지스터의 기본적인 2가지 성질, 콘덴서 값의 결정, 바이어스 저항치의 결정, 입출력의 임피던스 정합 설계, 입력 임피던스 정합회로, 출력 임피던스 정합회로

제7장: 필터의 종류와 설계

■ 저주파 액티브 필터의 설계(로우패스 필터(Low-pass filter), 하이패스 필터(High-pass filter), 밴드패스 필터(Band-pass filter), 밴드 엘리미네이트 필터(band eliminate filter), 올패스 필터(All-pass filter)
■ 저주파 패시브 필터의 설계(로우패스 필터의 정수 설정, 하이패스 필터의 정수 설정)
■ 고주파 필터에 대하여

제8장: 변복조와 정보의 전송방식

■ 아날로그 변조와 디지털 변조
■ 디지털 변조방식의 종류와 해설(ASK(Amplitude Shift Keying), FSK(Frequency Shift Keying), MSK(Minimum Shift Keying), PSK(Phase Shift Keying), UWB에 사용되는 변조방식), 다치 변조방식
■ 통신방식과 다중화 방식(단신통신과 복신통신)
■ 다중화 방식(공간분할 다중화 방식, 편파면 분할 다중화 방식, 주파수 분할 다중화 방식, 시분할 다중화 방식, 부호분할 다중화 방식(직접 확산 방식, 주파수 호핑 방식, 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 방식)

제9장: 무선 주파수 인식(RFID) 시스템의 설계

■ 유비쿼터스의 산물 초소형 RFID 칩이란, RFID 시스템의 회선 설계
■ RFID의 요소 기술(전원 재생회로(렉테나: Rectenna), RFID 태그(Transponder)의 변조방식, 태그 내부의 메모리, 리더(Reader/Writer)의 변조방식)
■ 안테나의 설계 사상(외부 안테나 부착의 RFID, IC칩에 구성한 안테나)
■ 저가격의 리더(스캐너), 소프트웨어 무선을 의식한 리더/라이터의 고주파 회로
■ 안티콜리전(anti-collision: 충돌 방지), RFID 시스템의 공존, RFID 칩 내부의 클록 발진회로

제10장: RFID의 금후 동향과 문제점

■ 과대 평가되고 있는 RFID, RFID 도입에 따른 프라이버시 문제, 인체에 대한 영향, 가격적인 문제점, 환경문제와 리사이클
■ 기대되는 UHF대 RFID, 차세대의 RFID 시스템
■ 안티콜리전(anti-collision) 기능의 강화(비트 콜리전 방식, 슬롯 마커 방식, 타임 슬롯 방식, 마젤란 방식, 편파면 분할 다중화 방식, 직접확산 CDMA 방식)
■ 멀티프로토콜, 멀티주파수 RFID 시스템용 리더와 RFID 칩, 광대역 안테나

제2부: FUJITSU사의 연구개발 최전선

제1장: 유비쿼터스 기술의 전개와 금후의 동향

■ 유비쿼터스화의 의미
■ 유비쿼터스 기술과 그 효과(현실세계의 움직임을 검지하는 기술, 현실세계에 정보를 표현하는 기술, 현장의 정보환경을 통합하여 정보세계와 현실세계를 중개하는 기술, 유비쿼터스 정보를 처리하는 정보세계의 신기술)
■ 향후 유비쿼터스 사회의 발전

제2장: RFID 태그와 스마트카드용 LSI칩 기술동향

■ FRAM의 동작원리와 특징(FRAM의 동작원리, FRAM과 다른 비휘발성 메모리의 비교)
■ RFID 태그용 LSI(RFID의 무선 인터페이스, 안티콜리전(Anti-collision), RFID 태그용 LSI)
■ 스마트카드용 LSI(스마트카드의 분류와 용도, 스마트카드의 요소 기술, 스마트카드에 대한 연구)

제3장: 후지쯔의 RFID 미들웨어 RFIDCONNECT

■ 미들웨어 RFIDCONNECT의 개발 배경과 특징
■ 미들웨어 RFIDCONNECT의 기능(IC 태그의 가상화, 디바이스의 가상화, 유연한 디바이스 제어 기능, RFIDCONNECT의 데이터 암호화 기능, 필터링 기능, 세션 관리, 유틸리티 기능 소개)
■ RFID 네트워크 기반에 대한 대응

제4장: 후지쯔의 다용도 유선센서 네트워크 S-wire

■ 센서 네트워크의 개념과 요건(실용화를 위한 문제점, 실용화를 위한 요건), 후지쯔사의 센서 네트워크 개요
■ 유선식 센서 네트워크 모델(경로 검색, 센서 정보의 전송 방법, 네트워크의 전원용량 산출, 노드의 관리)
■ S-wire의 실장과 검증, S-wire의 어플리케이션

제5장: 유비쿼터스 지원의 RFID 태그 관련기기

■ 실용화하기 위한 요건(RFID 태그에 요구되는 요건, 리더 라이터에 요구되는 요건)
■ UHF대 RFID 태그의 소개(RFID 태그 칩, RFID 태그)
■ UHF대 RFID 태그용의 각종 기기(장거리 통신이 가능한 리더 라이터, 게이트 안테나, CF 리더 라이터, 라벨 프린터, 재기입이 가능한 시트 프린터)
■ RFID 태그 관계 기기의 시스템 적용 사례(린네르, 물류, 자산관리)
■ 금후의 과제(코스트, 메모리 용량, RFID 태그의 최적화)

제6장: RFID 시스템의 고속처리 기술

■ RFID 시스템의 고속처리 개요
■ RFID 시스템 및 태그 LSI 기술 동향(RFID 시스템의 개요, RFID의 기술 동향과 후지쯔사의 RFID 태그 LSI 개발, 고속 라이트 FRAM 탑재 RFID 태그 LS)
■ RFID 시스템의 고속처리 기술(통신속도의 고속화, 정보처리 시간의 단축, 고속의 안티콜리전(anti-collision) 방식의 적용, 판독 환경의 개선)

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자료제공: 국제테크노정보연구소 http://www.ktechno.co.kr

[회로설계] 전력소자 IGBT,IPM 응용실무

2007-11-08T10:22:51Z

파워 MOSFET,IGBT,지능형 파워모듈(IPM)의 해설과 응용

전력소자 IGBT,IPM 응용실무

동역메카트로닉스연구소 기술정보분석팀 편저 B5/210P

파워 디바이스(전력용 반도체)는 명확한 정의는 없지만 1W 이상의 전력을 제어할 수 있는 능력을 가진 반도체를 일컫는다. 파워 디바이스는 수W에서 GW급까지의 전력변환이나 제어를 하는 반도체로, 정류 다이오드, 바이폴러 트랜지스터, 사이리스터, GTO, 다이액, 트라이액, 파워 MOS FET, IGBT, IPM(지능형 파워모듈) 등이 널리 알려져 있다.
파워 디바이스는 반도체 중에서도 매우 오랜 역사를 가지고 있으며, 그 탄생은 약 50년 전으로 거슬러 올라간다. 이를테면 바이폴러 트랜지스터 발명은 1947년, 사이리스터는 1957년으로, 당초에는 저내압, 소용량에서 출발하였고, 그후 눈부시게 진보를 거듭하여 고내압, 대전류, 고속 고주파, 고기능화로 발전되었다. 1990년 이후 파워 MOS FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), IPM(Intelligent Power Module) 등, 고속 MOS계 파워 디바이스 및 그들의 모듈 제품이 출현함으로써 그 응용분야가 단숨에 확대되었다.
파워 디바이스의 응용 사례를 살펴보면, 우선 가정에서는 에어컨, 냉장고, 세탁기, 청소기, 조광장치 등의 인버터 장치, IH(Induction Heating: 유도가열) 조리기에는 고주파 인버터용 IGBT가 사용된다. TV 수상기의 전원부에는 MOS FET, 소자회로에 사이리스터, 카메라 플래시에는 IGBT 또는 IPM이 널리 사용되고 있다. 그리고 요즘에는 PDP(플라즈마 디스플레이 패널)에는 수많은 MOS FET가 사용되고 있다.
교통 관련분야에서도 살펴보면, 파워 디바이스의 응용은 너무 많다. 하이브리드 카(Hybrid Electric Car) 모터의 인버터와 발전기의 컨버터 제어용으로, 종류에 따라 수백에서 수천 VA급의 IGBT와 IPM이 사용되고 있다. 자동차 엔진의 점화장치에는 바이폴러 트랜지스터나 IGBT, 제어용 IC를 1패키지에 수용한 파워 IC(몰드파워)가 사용되고 있다. 그 외에 바이폴러 트랜지스터, 파워 MOS FET 등을 박막 기판상에 조립한 HIC 및 1칩화된 스마트파워 IC 등, 파워 디바이스가 차량 제어계통과 헤드램프, 파워 윈도우, 파워시트, 미러 등 곳곳에 사용되고 있다. 도로에는 교통신호 램프의 점등 제어를 비롯하여, 도로 표시판의 램프 제어에 IGBT, 사이리스터 등이 사용되고 있다. 항공과 철도관련의 전동차와 전철의 제어에는 고내압 IGBT(HV IGBT) 모듈, GTO, 구동과 보호 및 자기진단회로를 내장한 HV IPM 등의 MOS계 파워 디바이스가 주류이다.
사무실과 공장에도 도처에 파워 디바이스가 사용되고 있다. 예를 들면, 엘리베이터 제어에는 IGBT 모듈이나 IPM이 불가피하다. 초고층 빌딩에서 분속 750~900m의 엘리베이터 제어에는 1200V, 600A급의 IGBT 모듈이 사용되며, 빌딩의 옥상에 제어실을 갖추지 않은 기계실 에리베이터에는 제어반을 슬림으로 설계할 수 있는 IPM이 사용되고 있다.
형광등의 인버터에는 MOS FET, 안전 보안용의 화재경보기, 누전차단기, 비상등, 무정전장치(UPS, CVCF 인버터), 전력을 절약하기 위한 목적의 파워세이브 회로, 심지어 프린터 CRT 모니터, FAX, 전화에도 IGBT, IPM 등의 파워 디바이스가 사용되고 있다. 공장에서는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 로봇 관련 제어장치, 컴퓨터 제어 공작기계(CNC), 크레인, 호이스트, 벨트컨베이어, 자동반송기계 등의 모터 제어용 인버터에는 IPM과 IGBT는 필수적이다.
이 외에 제련소나 제지공장의 압연기에는 수천 kW 이상의 인버터가 필요하며, 여기에는 대용량 GTO, IGCT, 고내압 IGBT 모듈이 사용되고 있다. 유도가열과 고주파 가열장치, 다이본딩, 와이어본딩 장치, 플라스틱 성형기, 풍력발전 및 태양광 발전의 컨버터에는 1200V~1700V, 800A급의 IPM이나 IGBT가 사용되며, 마이크로가스터빈이나 연료전지 등에도 IPM 또는 IGBT 모듈 등의 파워 디바이스가 사용되고 있다. X선장치, MRI, CT와 같은 의료기기의 전원부에는 고속 IGBT 모듈 등이 사용되고 있다. 이와 같이, 일부에 지나지 않은 사례를 들었지만, 고전압 대전류를 취급하는 전기응용 기기류는 대부분이 파워 디바이스가 핵심 부품으로 사용되고 있다.
지금까지의 파워소자라고 하면 사이리스터나 트라이액, 파워 트랜지스터 등이 일반적이었다. 현재의 파워소자는 파워 MOS FET나 IGBT, IPM으로로 변화되어가고 있다. 더구나 사용하기 쉬워진 IPM과 트렌치 IPM이 새로운 제품 설계의 주류로 자리잡아가고 있다.
이렇게 무궁무진한 파워소자의 응용에 대한 전문서는 지금까지 거의 찾아 볼 수 없었다. 본서에서는 최근 파워소자의 주류인 IGBT와 IPM을 중심으로 기본 설계법과 시스템 응용설계 기법에 대해 실례를 통하여 심도깊게 해설한다.

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주요 내용

■ 파워 디바이스의 제품 기술 동향

정류 다이오드의 제품 기술 동향, 사이리스터, GTO, GCT의 제품 기술 동향, 바이폴러 트랜지스터의 제품 기술 동향

파워 MOS FET의 제품 기술 동향(ON저항의 저감, 파괴 내량의 향상, 로직 구동 대응, 내장 다이오드의 개선)

IGBT의 제품 기술 동향, 모듈화의 제품 기술 동향, 파워 디바이스의 지능화와 IPM(Intelligent Power Module)의 동향, 와이드 밴드갭 파워 디바이스에 대한 기대, [칼럼] 파워 디바이스의 기호

■ Power MOS FET와 IGBT의 구조 해설

파워 MOS FET의 동작과 특징(파워 MOS FET란, MOS IC와 파워 MOS FET의 차이, 파워 MOS FET의 종류, n채널과 p채널의 차이, Depletion형과 Enhancement형의 차이, 파워 MOS FET의 구조, 파워 MOS FET의 동작, 파워 MOS FET의 새로운 흐름, n형 반도체와 p형 반도체의 형성, 파워 MOS FET의 포밍)

IGBT의 기술 동향과 특징, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)의 개요

IGBT의 구조(IGBT의 대부분은 n채널 세로형 이중확산 구조 현재의 IGBT 구조, ON전압 저감의 한계: Trench 기술

IGBT의 동작원리와 사용상의 포인트(IGBT의 Turn-on, IGBT의 Turn-off)

IGBT의 새로운 흐름

□ 논 펀치스루(NPT)형 IGBT와 펀치스루(PT)형 IGBT

□ 캐리어 축적형 트렌치 IGBT(CSTBT)

□ 전자주입 촉진형 트랜지스터(IEGT: Injection Enhanced Gate Transistor)

□ 역저지 IGBT

■ MOS계 전력소자의 특성을 보는 방법

MOS FET의 주요 특성과 사용법(파워 MOS FET의 ON저항 특성, 게이트 임계치 전압의 특성, 파워 MOS FET의 각 단자간 용량, 파워 MOS FET의 게이트 전하량 특성, 파워 MOS FET의 스위칭 특성

IGBT의 주요 특성과 사용법(IGBT의 출력 특성, IGBT의 각 단자간 용량 및 게이트 전하, IGBT의 스위칭 시간, 턴오프 스위칭 SOA(Safe Operating Area), 단락 SOA(SCSOA)

게이트 조건의 의존성(게이트 플러스 바이어스에 의존하는 특성, 게이트 마이너스 바이어스에 의존하는 특성, 게이트 저항에 의존하는 특성)

■ MOS FET, IGBT의 드라이브 회로 설계법

게이트 드라이브 회로의 조건, 게이트 전압을 정하는 방법(게이트 플러스 전압, 게이트 마이너스 전압)

게이트 저항을 정하는 방법, 게이트 드라이브 전류를 정하는 방법, 드라이브 회로의 배선, 제어전원의 설계 사례

MOS FET의 게이트 드라이브 회로의 예(TTL에 의한 게이트 구동회로, 하이브리드 IC에 의한 드라이브 회로, 하이브리드 IC(M57918L)의 사용 예, 하이브리드 IC를 사용한 대용량 MOS FET 드라이브 회로의 예)

개별 부품에 의한 회로 예, 고속 동작을 위한 구동회로의 예, IGBT의 게이트 드라이브 회로의 예

■ 파워 디바이스의 보호와 대전력화 기법

주회로의 배선 방법과 스나버(Snubber) 회로 설계(서지 전압의 발생 원인, 기생 인덕턴스를 저감시키는 방법, 서지 전압을 흡수하는 방법, 충전형 스나버 회로의 설계법)

파워 디바이스의 보호회로, IGBT의 병렬접속 동작(소자 특성, 포화 전압의 차, 소자의 온도, 주회로의 배선, 드라이브 회로 배선)

전력손실의 계산법과 열설계(전력손실의 계산법, 정상 손실의 계산법, 스위칭 손실, 1펄스의 평균 손실, 삼상 인버터에서 전력손실 등의 계산 예), 열 설계 방법, 냉각장치의 선정 방법

■ 파워 디바이스 응용회로의 기본

파워 일렉트로닉스의 각종 전력 변환 방식, 교류전력 제어회로, 매트릭스 컨버터 회로와 그 동작

전압형 인버터 회로의 회로방식(2레벨 인버터의 회로 동작, 3레벨 인버터의 회로 동작, Switched Reluctance 모터(SR 모터)의 제어회로)

초퍼 회로(DC 초퍼)의 기본형, 회생회로의 기본형

■ 형광등 회로에 파워 MOS FET의 응용

형광등의 인버터화 이점과 특성(인버터화의 이점, 램프 특성), 형광등이 점등하기까지의 동작(형광등의 예열, 방전)

안정기의 역할(자기식 안정기의 역할, 전자 안정기의 역할)

2석식 안정기의 설계(사양 결정, 스위칭 주파수의 선정, 코일 L의 선정, C의 선정, 스위칭 소자의 선정, 게이트 저항 , 게이트 드라이브 회로, 제어회로)

형광등용 인버터 제어 HVIC

■ 전력제어용 인텔리전트 파워소자의 사용법

인텔리전트 파워 IC의 종류와 용도(지능(Intelligent)화된 파워 디바이스의 구성과 분류, 저내압, 대전류 IC의 용도, □ 고내압, 저전류 IC의 용도, 고내압, 대전류 IC의 용도

인텔리전트 파워 IC(Intelligent Power IC)의 구조(pn 접합 분리(Junction Isolation)의 구조, 자기 분리(Self Isolation)의 구조, 유전체 분리(Di-electric Isolation)의 구조)

접합 분리와 유전체 분리의 비교, 인텔리전트 파워 모듈(Intelligent Power Module: IPM)의 용도와 구성

IPM은 내부 파워 칩으로 IGBT를 사용, IPM을 사용한 응용 제품, IPM의 내부 구조와 IGBT와의 특성 비교(IPM은 IGBT의 우수한 성능을 더욱 향상, 단락 내량의 향상에 의한 파괴 방지)

IPM의 내부는 하이브리드 구성, IPM의 입출력 회로(IPM 신호 입력부의 회로 구성, IPM 출력부의 회로 구성)

이상 검출회로(과전류 검출회로, 온도 검출회로, 제어 전원전압 검출회로)

IPM의 기능과 각종 보호회로(보호의 종류, 과전류 보호회로(OC 단자), 단락 보호회로(SC 단자), 과열 보호회로(OT 단자), 제어 전원전압 저하 보호회로(UV 단자)

사용의 편리성을 향상시킨 HVIC 내장의 IPM, DIP-IPM의 구성과 외형

DIP-IPM의 사용 방법(고압 레벨 시프트 회로의 역할, 부트스트랩(Bootstrap) 회로의 역할), 제어 입력단자의 접속 방법

■ IGBT, IPM의 범용 인버터에 대한 응용

범용 인버터의 개요, 범용 인버터 장치의 구성

인버터용 파워 디바이스의 특징과 응용(각종 파워 디바이스의 특징과 장단점, 파워 디바이스의 전력손실과 스위칭 속도, 집적형 파워 모듈)

파워 디바이스의 정격 선정법(전압정격의 선정 사례, 전류정격의 선정 사례)

범용 인버터 회로에서 파워 디바이스의 사용상 포인트(파워 디바이스의 구동회로, PWM(Pulse Width Modulation) 제어의 방법, 동시에 ON 상태를 방지하는 Dead time의 설정, 프리휠 다이오드(freewheel diode: FWD)의 필요성, 보호회로의 중요성

범용 인버터 회로에 있어서 열설계 방법(1칩당 IGBT의 전력손실, 1칩당 프리휠 다이오드의 전력손실, 칩 온도의 계산, 냉각장치(히트싱크)의 선정법)

IPM을 인버터에 실장한 사례(교류 입력 전원, 출력회로부)

IPM 제어회로의 실장과 노이즈 대책, IPM 제어 전원 전압의 개념

■ 인버터 에어컨의 IPM 응용기술

인버터 에어컨의 특징과 이점, 로터리 컴프레서와 스크롤 컴프레서의 특징

인버터 에어컨의 시스템 구성, 에어컨 인버터부의 회로 구성, 에어컨의 컨버터부 회로의 구성, 팬 모터부의 회로 구성

인버터 에어컨용 파워 디바이스

■ 세탁기에 IPM을 응용한 시스템 구성과 해설

인버터 전자동 세탁기의 시스템 구성(인버터 세탁기의 구동 방식과 특징, 인버터 전자동 세탁기의 구성과 제어회로 해설, 인버터부의 회로 구성과 회로 해설

인버터 전자동 세탁기용 파워 디바이스

■ 태양광 발전 시스템에 IPM 응용기술

태양광 발전 시스템의 구성과 동작 해설(태양광 발전의 원리와 변환효율, 파워 컨디셔너(Power conditioner)의 기능)

잉여 전력의 매전제도의 구조

파워 컨디셔너의 회로 구성과 IPM 적용 기술(파워 컨디셔너의 회로 방식, 시판중인 파워 컨디셔너의 회로 구성과 성능, 파워회로를 구성한 Trench형 IPM 적용)

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자료제공: 국제테크노정보연구소 http://www.ktechno.co.kr

[회로설계] 반도체 레이저 기술입문과 동향

2007-11-08T10:15:38Z

기본기술과 차세대 DVD용 적·청자색 레이저 기술 해설

반도체 레이저 기술입문과 동향

동역메카트로닉스연구소 기술정보분석팀 편저 B5/130P

레이저(LASER)란, L: Light(빛), A: Amplification by(증폭), S: Stimulated(유도), E: Emission of(방출), R: Radiation(전자파)의 머리글자를 딴 복합어로서, 직역하면 유도방출에 의한 빛의 증폭작용이지만, 일반적으로는 그 작용에 의해 생긴 간섭성이 양호한 빛, 또는 그 광원이라고 하는 의미로 사용된다. 빛이 가진 진동으로서의 성질을 보았을 경우, 일반적인 빛, 즉 태양광이나 램프의 빛은 여러 가지 파면을 가진 불규칙한 빛이 랜덤하게 서로 겹쳐 간섭성이 나쁘고, 파장도 불규칙적이므로 렌즈로 조여도 광원의 실상 이하로는 수속되지 않는다.
이에 대해, 레이저광은 파장이 단일로 파면이 갖추어져, 공간적 및 시간적으로 규칙적인 빛이다. 렌즈에 의한 수속성도 양호하고, 거의 일점(파장의 수배 정도까지)으로 좁힐 수 있다. 이러한 레이저광의 특징을 이용하여 다량의 정보를 레이저광에 싣거나, 미소 스폿으로 집광해서 신호를 검출하여, 높은 에너지 밀도를 미소 열원으로서 응용하고 있다.
레이저 전체적으로 보면 반도체 레이저는 아직 역사가 오래되지 않았지만, 반도체 레이저의 특징인 단색성, 집광성, 지향성, 가간섭성에 더하여, 소형 경량으로 저소비전력, 장수명, 또 직접 변조가 가능하다는 등의 이유로 반도체 레이저의 응용 분야는 넓어지고 그 수요가 확대되고 있다.
예를 들면, 레이저 자이로(자세제어 등에 사용), 속도계, 미소 변위계, 거리측정계, 레이저 침(금속침, 뜸 대신에 레이저광을 사용), 조명(LED에 의한 각종 조명이 실용화 단계에 도달하고 있지만, LED보다 출력이 높고, 고효율의 반도체 레이저를 사용하는 검토가 진행중) 등, 계측분야에서 두드러진 변화를 볼 수 있다.
근래에는 가시광선 영역에 발진파장을 가진 적색이나 청자색 레이저의 실용화, 레이저 자체의 성능 향상과 수명의 진보 등으로 레이저 광통신, 정보처리는 말할 필요도 없고, 의학, 에너지 등, 다양한 분야에서 이용되고 있다. 특히, 반도체 레이저의 가격이 저렴해짐에 따라, 대용량 저장매체인 광디스크 장치용 광픽업의 광원으로 사용되고 있다. 이상과 같이 반도체 레이저는 민생, OA, 통신, 계측, 의료 등, 다양한 분야에서의 응용을 전제로 한 연구/개발이 진행되고 있다.

본서에서는 실무적인 면에 중점을 두어, 제1부에서는 반도체 레이저의 원리와 구조, 제조 방법, 특성, 홀로그램의 구조와 원리, 반도체 레이저의 측정방법과 취급법, 응용 사례를 중심으로 평이하게 기본 지식을 해설하고, 제2부에서는 세계 광픽업용 반도체 레이저 시장을 이끌어가고 있는 TOSHIBA, SHARP, SANYO의 제품을 중심으로 심층 분석한 최신 기술을 소개한다.

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주요 내용

제1부: 반도체 레이저의 기술 입문

제1장: 반도체 레이저의 원리와 구조

■ 레이저의 개요, 발광 및 반도체 레이저의 원리(발광의 원리와 빛의 에너지, 레이저 발진의 3가지 요소, 반도체 레이저의 동작원리)
■ 반도체 레이저의 구조(이득 도파형 반도체 레이저, 굴절률 도파형 반도체 레이저)

제2장: 반도체 레이저의 제조 방법

■ 단일체 레이저(기상 성장법, 에피택셜 성장, 전극 형성, 공진기 형성, 단면 보호막 형성, 칩 분할, 조립)
■ 2파장 레이저(하이브리드형과 모놀리딕형, 모놀리딕형 2파장 레이저의 제조 방법, 금후의 2파장 레이저)

제3장: 반도체 레이저의 특성과 사용법

   ■ 순방향 전압-순방향 전류 특성, 순방향 전류-광출력 특성
   ■ 발진 파장, 방사 특성, 비점격차, 잡음 특성, COD(Catastrophic Optical Damage), 드룹 특성
   ■ 반도체 레이저의 기본적인 사용법

제4장: 홀로그램 레이저(Hologram LASER)

■ 단일체 레이저와 홀로그램 레이저
■ 홀로그램 레이저의 동작 원리

제5장: 반도체 레이저의 광출력 측정과 취급방법

   ■ 포토다이오드를 사용한 간이 측정방법, 펄스 구동했을 경우 광출력의 측정방법
   ■ 반도체 레이저의 취급 방법(전기적인 주의점, 광학적인 주의점, 작업할 때의 주의점
   [참고] 레이저용 보호 안경, 적외광 가시 스크린(형광판), IR 스코프

제6장: 반도체 레이저의 응용 사례

   ■ APC 구동회로
   ■ 광디스크에 대한 응용 사례(CD, CD-ROM, CD-R/RW, 광학 자기 디스크, MD, DVD, 기록형 DVD
   ■ 레이저빔 프린터에 대한 응용 사례, 그 외의 응용 사례

제2부: 반도체 레이저의 심층분석과 기술동향

제1장: DVD용 프레임 타입 적색 반도체 레이저

   ■ 고성능 적색 레이저의 개발 배경, 프레임 타입 레이저의 구조
   ■ 적색 반도체 레이저의 개발 기술
   □ 레이저 소자의 저전류화 기술(• 왜곡 보상형 다중 양자우물 활성층의 채택 • 소자 구조의 최적화)
   □ 고감도 수광소자의 개발, 신형 프레임 구조의 채택
   ■ 프레임 타입 적색 레이저의 소자 특성

제2장: 빔 근원형 DVD용 고출력 적색반도체 레이저

   ■ 기록형 DVD용 고출력 적색 반도체 레이저의 개발 배경
   ■ 적색 반도체 레이저의 구조, 소자의 제작 공정
   □ 고출력화를 위한 요소 기술(• 왜곡 보상 다중 양자우물 활성층 • 단면 창 구조)
   ■ 빔 근원화(Near-Circular Beam) 기술
   □ 빔 근원화시의 내부손실 검토(• 내부손실의 평가 방법 • 평가 결과), 빔 형상의 최적화
   ■ 결과 및 고찰

제3장: 기록형 DVD용 홀로그램 레이저 유닛

   ■ 홀로그램 레이저 유닛의 개발 배경, DVD/CD 콤보 픽업, 광 이용효율이 높은 홀로그램 레이저 유닛
   ■ 위상 시프트 DPP(Phase Shift Differential Push-Pull)법(기본 원리, 실험 결과)
   ■ 투과율 경사형 그레이팅(Gradient Grating: GG)법(□ 기본 원리, 해석 결과, 실험 결과)

제4장: 고온동작 대응 2파장 홀로그램 레이저

   ■ 고온동작 대응 2파장 홀로그램 레이저의 개발 포인트, 광픽업 광학계의 구성, 2파장 홀로그램 레이저의 구성
   ■ 신호검출의 원리, 최적화 설계
   ■ CD, DVD 양측 재생이 가능한 2단 적충 편광 홀로그램 소자의 적용
   ■ 차량탑재 환경(Tc=90℃)에서의 온도특성 개선 레이저 칩의 개발
   ■ 2파장 홀로그램 레이저의 시제 결과

제5장: 청자색 반도체 레이저 기술

■ 청자색 반도체 레이저의 개발 배경, 청자색 반도체 레이저 구조
■ 소자의 연속발진 특성, 소자의 펄스 발진 특성

제6장: 기록형 차세대 DVD용 고출력 청자색 레이저

   ■ 고출력 청자색 레이저의 개발 배경
   ■ 고속기록·다층기록 시스템과 빔 근원화(近圓化) 기술고속기록·다층기록 시스템과 디스크판면상 광강도의 관계, 레이저 빔 근원화 기술)
   ■ 결과 및 고찰(소자의 제작 공정, 소자의 특성)

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자료제공: 국제테크노정보연구소 http://www.ktechno.co.kr

[회로설계] 디지털 영상과 사운드 규격 해설

2007-11-08T10:10:40Z

JPEG,TIFF,DIB(BMP),GIF,PNG,WAVE,MP3 구조와 응용

디지털 영상과 사운드 규격 해설

동역메카트로닉스연구소 기술정보분석팀 편저 B5/154P

본서는 최근의 인터넷 보급과 함께 그 중요성을 더하고 있는 PC와 멀티미디어 기기에 관련된 다양한 데이터 포맷 규격을 실무 개발자 입장에서 해설하고 있다. 전반에는 JPEG, TIFF, DIB(BMP), GIF, PNG 등의 화상 데이터와, 후반에는 WAVE, MP3 등의 음성관련 사운드 데이터에 대해 소개한다. 지금은 동영상과 사운드를 통합한 MPEG, AVI, WMV, ASP 등의 동영상 포맷도 매우 중요하지만, 대량의 페이지를 할당하여 해설해야 하는 관계로 별도로 다루기로 했다.

■ 디지털 이미지 포맷

디지털 화상 포맷은, 크게 나누어 라스터 그래픽스(이른바 비트맵 화상)와 벡터 그래픽스로 나눌 수 있다. 일반적인 화상 포맷에서는 이 라스터 그래픽스가 가장 많이 사용되고 있다. 본서에서 채택한 JPEG, TIFF, DIB(BMP), GIF, PNG은 모두 이 라스터 그래픽스의 포맷이다. 이들의 포맷은 각각 다르지만, 화상을 비트맵으로 나타내고 있는 것은 공통이다. 또, 이 중에서 PNG은 그래도 근래(90년대 후반)에 만들어진 포맷이지만, 그 외는 모두 80년대 후반에 골격이 만들어진 비교적 오래된 포맷이다.
최초의 버전이 출시된 해는 TIFF가 1986년, GIF가 1987년, DIB가 1990년(Windows 3.0용), JPEG이 1990년(최종 드래프트), 그리고 PNG가 1996년으로 되어 있다. 즉 PNG를 제외하면 모두 80년대 후반에 만들어져 15년 이상에 걸쳐 계속 사용되고 있는 것이다. 대응 어플리케이션도 풍부하게 갖추어져 있다. 또 모두 용도를 한정하지 않는 범용 포맷이며, DIB를 제외하면 모두 멀티플랫폼의 데이터 교환 포맷을 의식하여 만들어졌다. 한편, 벡터 그래픽스는 데이터량이 작고, 확대해도 화상이 거칠어지지 않는 등의 뛰어난 특징을 가지고 있다. 벡터 그래픽스는 주로 DTP의 페이지 기술이나, CAD 데이터 등, 특정 전문분야에서 사용되고 있으며,그 분야에서는 이미 오랜 실적을 가지고 있다. 그러나, 범용의 화상 포맷으로서는 아직 별로 사용되지 않기 때문에, 여기서는 다루지 않기로 했다. 하지만, 근래에는 인터넷상에서 벡터 그래픽스를 취급하기 위한 사양(SVG)의 표준화가 진행되어, 장래적으로는 좀 더 보급될 가능성도 있다. 그 주변 사정에 대해서도 언급한다.

■ 라스터 그래픽스와 데이터 압축

라스터 그래픽스는 화상을 미세하게 분할하여 점의 집합으로서 각 점(도트 또는 픽셀이라 부른다)에 1비트 또는 복수 비트의 정보를 대응시킨 것이다. 점의 집합에 비트의 집합을 사상(매핑)한다는 뜻에서 비트맵이라 부르고 있다. PC의 화면 표시는 이 방식이며, VRAM(그래픽 메모리)에 기입된 1화면분의 비트맵 데이터가 CRT 등의 디스플레이에 표시된다. 텍스트 데이터도, 캐릭터 폰트를 이용하여 비트맵 데이터로 변환되어 VRAM상에서 그래픽 데이터와 합성된다. 게다가, 간단한 형식의 화상 데이터는 이 VRAM에 기입하는 비트맵 데이터를 그대로 파일화한 것이다. 베타 형식 등으로 불린다.
라스터 그래픽스에서는 화상의 분할은 열(세로), 행(가로)의 격자 모양으로 분할하는 것이 보통이다. 화상 전체를 P열, Q행으로 분할했을 경우, 전체의 도트수는 P×Q가 된다. 화상의 물리적 사이즈를 일정하게 하면 분할수가 클수록 1도트의 물리적 사이즈는 작아져, 보다 매끄럽게 세부까지 표현할 수 있다. 따라서, 이 분할수를 해상도라고 부른다.
각 도트가 1비트라면, 표시하거나,표시하지 않는 2치 데이터이므로, 흑백의 2치화상 표시로 된다. 선화(線畵)와 칠하기만의 단순한 화상이나, 문자의 표시에 적합하다. 단, 흑백이라고는 할 수 없지만, 배경색과 전경색의 2색 표시로 하는 것은 가능하다. 또, 각 도트에 N비트(N?2)가 할당되어 있으면, 2N 종류의 색(또는 계조)을 표현할 수 있다. 단순한 화상에서도, 선이나 칠하기에 다양한 색을 사용할 수 있게 된다. 게다가 사진 등의 자연화상을 표현할 수 있게 된다. 비트수(N)가 많을수록 색 가지수를 늘릴 수 있어 표현력이 향상된다.
라스터 그래픽스는 원리가 단순하여 간단하게 처리할 수 있는 것이 장점이지만, 한편으로 데이터량이 커져 버리는 결점이 있다. 예를 들어, VGA 상당의 640×480 도트의 해상도로 풀컬러(도트당 24비트=3바이트)의 화상을 표시한다고 하면, 1화면분은 640×480×3=900K 바이트의 데이터량으로 된다. 근래의 PC 성능에서 보면, 이 정도의 데이터량은 전혀 문제되지 않는 것처럼 생각된다. 그러나, 인터넷 등을 통해서 화상 데이터를 교환한다고 하면, 만일 64k비트/s로 전송한다고 해도,

t=640×480×24/64000=115.2(s)

즉, 2분 미만의 시간이 소요되어 버린다. 1화면의 재기입마다 2분이나 기다려야 하는 것은, 유저에게는 대단한 스트레스가 된다. 그 때문에, 라스터 그래픽스의 화상 포맷에서는 데이터의 압축 기술이 매우 중요하게 된다. 대부분의 화상 포맷은 어떤 데이터 압축 수법을 규격에 도입하고 있다.
JPEG, GIF, PNG에서는 화상 데이터는 반드시 정해진 방법으로 압축, 부호화하여 보존한다. 모두 약 1/2~1/10이라고 하는 높은 압축 효율이 얻어지고 있다. 인터넷상에서 웹사이트에 화상을 표시하기 위한 표준 포맷으로 이 3가지가 채택되고 있다. 특히, JPEG은 시각적으로 눈에 띄지 않는 미세한 정보를 교묘하게 솎아내는 방법을 적용하여, 다른 압축 방식에서는 압축이 어려운 사진 등의 자연화상을 매우 고효율로 압축할 수 있는 것이 특징이다. 그 대신, 한번 압축하면 완전하게는 원래대로 되돌릴 수 없는 비가역 압축(손실 압축)이라 불리는 방식으로 되어 있다. 또한, JPEG의 규격에는 가역 압축(무손실 압축)의 방식도 포함되어 있지만, 실용적으로는 거의 비가역 압축만이 사용되고 있다. DIB(BMP)과 TIFF는 화상 데이터를 압축하여 보존할 수도 있지만, 비압축 그대로 사용되는 경우가 많은 포맷이다. 또 TIFF에서는 복수의 압축 방식이 지원되고 있으며, 그 중에서 용도에 맞추어 선택할 수 있다.

■ 라스터 그래픽스와 벡터 그래픽스의 차이

라스터 그래픽스에는 또 하나 기본적인 결점이 있다. 라스터 그래픽스에서는 화상을 점(도트)의 집합으로 취급한다. 도트의 물리적 사이즈가 충분히 작지 않으면 톱니 모양이 눈에 띄는 화상으로 되어 버린다. 근래의 프린터는 해상도가 충분히 높고, 도트의 물리적 사이즈도 상당히 작기 때문에, 톱니 모양에 신경 쓰이지 않는 깨끗한 화상을 볼 수 있다. 디스플레이의 해상도는 그보다 1자리 정도 떨어지지만, 그저 만족할 수 있는 레벨이라고 해도 좋을 것이다. 그러나, 작은 화상을 확대했을 때는 이야기는 달라진다. 비트맵 화상을 확대 표시하려면, 도트 구성은 그대로 도트 사이즈가 확대되기 때문에 확대하면 할수록 거친 화상(톱니 모양이 눈에 띄는 화상)으로 된다. 한편, 화상을 축소할 때는 도트를 솎아내지 않으면 안되므로 미세한 정보가 없어진다. 그래서, 라스터 그래픽스와는 완전히 다른 화상의 표현 방법으로 벡터 그래픽스가 사용되고 있다.
벡터 그래픽스는 화상을 점의 집합으로 나타내는 대신에, 직선, 원호 등의 기본 도형의 집합으로 나타낸다. 그리고, 각 기본 도형은 직선이라면 (시점, 종점) 또는 (시점, 방향, 길이), 원호라면 (시점, 종점, 중심점) 또는 (시점, 중심점, 중심각)이라는 식으로 파라미터의 조합으로 나타낼 수 있다. 더구나, 단순한 기본 도형뿐만 아니라, 베제 곡선 등의 수식(함수)을 사용하여 곡선을 나타낼 수도 있다. 이들의 데이터는 디스플레이나 프린터에서 직접 표시할 수 없기 때문에, 벡터 그래픽스를 표시할 때는 반드시 최종적으로 비트맵으로 전개하고 나서 표시를 하게 된다.
화상을 점의 집합으로 나타내는 라스터 그래픽스에 비해, 소수의 파라미터만으로 나타낼 수 있으므로, 데이터량은 훨씬 작아진다. 게다가 표시 시스템의 해상도와는 관계없이, 파라미터만을 이용하여 고정밀도로 확대/축소의 조작을 할 수 있다. 확대한 화상을 표시할 때는 표시 시스템의 최대 해상도로 비트맵 전개할 수 있으므로, 톱니 모양이 눈에 띄지 않는 표시가 얻어진다. 이와 같이, 벡터 그래픽스를 사용하면, 라스터 그래픽스가 가진 2가지 결점, 데이터량이 크다는 점과 확대하면 톱니 모양이 눈에 띄는 것을 근본적으로 해소할 수 있다. 단, 벡터 그래픽스는 선화와 칠하기만의 단순한 화상이나 문자의 표시에는 적합하지만, 사진 등과 같은 자연화상에는 기본 도형의 집합으로 나타내기가 곤란한 경우도 있다.
벡터 그래픽스는 뛰어난 특징도 가지고 있지만, 최종적으로 비트맵으로 전개하는 시간이 소요되므로 지금까지 범용의 화상 포맷으로서는 그다지 사용되지 않고, 벡터 그래픽스의 특징을 살릴 수 있는 특정의 용도로 사용되어 왔다. 이전부터 알려져 있는 것으로는 CAD 데이터의 교환 포맷인 DXF(Autodesk사), DTP의 페이지 기술에 사용되는 PostScript(Adobe사) 등이 있다. 또 Macintosh의 표준 화상 포맷인 PICT는 화상 표시 툴의 QuickDraw에 대한 묘화 명령을 파일화한 것으로, 벡터 화상과 비트맵 화상의 양쪽 모두를 취급할 수 있다. 또, 캐릭터 폰트에서도 비트맵 폰트는 확대하면 톱니 모양이 눈에 띄기 때문에, 벡터 그래픽스와 유사한 개념에 의한 아웃라인 폰트(스케러블 폰트)를 사용하게 되었다. 현재 Macintosh나 Windows에서 표준적으로 사용되고 있는 TrueType 폰트는 아웃라인 폰트의 대표적인 것이다.

■ 범용 벡터 그래픽스의 표준화

최근에는 인터넷에서도 데이터량이 적은 벡터 그래픽스를 이용하여 웹사이트의 표시를 고속화하려는 움직임이 있다. 그 대표적인 것으로, PGML(Precision Graphics Markup Language)와 VML(Vector Markup Language), 그들을 통합한 SVG(Scalable Vector Graphics)가 있다. 어느 것이나, 문법적으로는 XML(eXtensible Markup Language) 베이스의 페이지 기술 언어이며, 벡터 그래픽스의 취급은 PostScript을 베이스로 하고 있다. PGML과 VML은 내용적으로는 유사한 것이며, 업계의 주도권 분쟁으로 2가지로 분할된 것이라고 할 수 있을 것이다. PGML은 Adobe사가 중심이 되어 사양이 정해졌으며, Netscape사, Sun Microsystem사 등이 지지하고 있었다. VML는 Autodesk사, HP사, Macromedia사, Microsoft사, Visio사가 공동으로 사양을 정한 것이다.
인터넷 관련 기술을 표준화하고 있는 W3C에서는 PGML과 VML을 비교 검토한 결과, 양자의 특징을 수용한 새로운 사양으로 SVG를 제안했다. 각 메이커도 SVG에 찬동하고 있어, 금후 SVG가 벡터 그래픽스의 중심으로 되어 갈 전망이다. 그러나, SVG은 1999년에 규격안이 공개되었지만, 거의 표준화 작업이 완성되어, 그 보급이 시작되고 있다. 현재로서는 Adobe사에서는 SVG 대응 어플리케이션을 적극적으로 제품화하고 있지만, 타 메이커는 아직 그다지 적극적 이라고는 할 수 없는 것 같다.

■ 디지털 사운드 포맷

동영상이나 음성과 같이 시간적으로 연속된 정보를 디지털화하려면, 우선 정보를 시간적으로 미세하게 분할하여, 각 순간마다 정보의 열로 치환할 필요가 있다. 이것을 샘플링이라고 부른다. 특히 음성의 경우는 원래의 음성이 가지는 주파수 성분을 잃지 않도록 충분히 미세하게 시간을 나눌 필요가 있다. 그렇게 하기 위해서는 적어도 대역폭의 2배 이상의 샘플링레이트가 필요하다. 가장 간단한 형식의 음성 데이터는 각 순간에 있어서 음성신호의 진폭을 샘플링하여 디지털 데이터의 열로 치환하는 것이다. 이 방식을 PCM(Pulse Code Modulation)이라 부르며, 옛날에는 교환기 등의 전화 시스템에 이용하기 위해 연구가 진행되어 왔다. 그후, 하이파이 오디오에도 도입되어, 디지털 녹음기, CD-DA와 같은 디지털 오디오디스크에 사용되고 있다.
PCM 음성은 화상 데이터에 있어서 비트맵 화상에 해당하는 것이라고 할 수 있을 것이다. 비트맵 화상은 화상을 평면적으로 세분화하여 도트의 집합으로 나타내며, 각 도트의 밝기(계조)를 N비트의 디지털값으로 치환한다. PCM 음성은 음성을 시간적으로 세분화하여 샘플링하고, 각 순간의 음성신호 진폭을 N비트의 디지털값으로 치환한다. 그 때문에, PCM 음성도 비트맵 화상과 마찬가지로 데이터량이 매우 크다고 하는 결점을 가지게 된다. 전화 시스템에서는 원래 아날로그 음성의 대역폭이 3.4kHz로 제한되어 있으며, 이것을 커버하기 위해 8kHz(3.4kHz의 2배 보다 약간 위)로 음성신호를 샘플링하고 있다. 진폭 방향의 분해능은 8비트이다. 동영상이나 음성에서는 1초당의 데이터량을 비트레이트(bit/s)로 나타내는데, 전화의 PCM 음성에서는 8k×8=64Kbit/s가 된다. ISDN의 기본 전송 레이트는 이 PCM 음성을 전송할 수 있도록 64Kbit/s로 선택하고 있다.

하이파이 오디오에서는 음악을 일그러짐이 없는 충실한 소리로 재현하기 위해, 적어도 15kHz, 가능하면 20kHz의 대역폭이 필요하다고 한다. 그래서, CD-DA(음악 CD)에서는 44.1kHz(20kHz의 2배 보다 약간 위)로 음성신호를 샘플링하고 있다. 또, 진폭 방향의 분해능도 CD-DA에서는 16비트로 확대되어 있다. 그리고 L, R의 2채널 각각을 같은 레이트로 샘플링하기 때문에, 비트레이트는 44.1k×16×2≒1.4Mbit/s로 커진다. 인터넷에서 리얼타임으로 전송하거나 하드디스크나 CD-ROM 등의 미디어에 축적하려면 데이터량이 커서, 아주 쉽게는 이용할 수 없다. 그래서, PCM 음성을 고효율로 압축하는 방법이 연구되어 왔다. 특히, 청감상으로는 파악하기 어려울 정도로 정보를 교묘하게 솎아냄으로써 높은 압축률을 얻을 방법이 몇 가지 연구되어 있다. 그 대신, 한번 압축하면 완전하게는 원래대로 되돌릴 수 없다. 화상 데이터에 있어서의 JPEG에 상당하는 비가역 압축으로 되어 있다. 그 대표적인 것이 1998년 무렵부터 세계적으로 폭발적인 유행을 보인 MP3(MPEG-1 Audio Layer3)이다. MP3는 CD와 같은 수준의 음질을 유지하면서, 비트레이트를 약 1/11의 128Kbit/s로 압축할 수 있다는 것이다. 단, MP3는 저작권 보호를 위한 적절한 수단이 강구되어 있지 않기 때문에, CD-DA 등, 시판 음악 데이터의 불법 복사에 이용되는 등의 문제점이 계속 지적되어 왔다. 최근에는 한층 고효율 압축이 가능하고, 한편으로는 저작권 보호와 조합한 다양한 방식의 제품화가 시작되고 있다. 그러한 가운데, MP3를 대신하는 차세대의 디팩토 스탠더드가 나올런지는 아직은 전망이 분명하지 않다.
본서에서는 PCM 음성 포맷으로 널리 사용되고 있는 WAVE와 MP3의 규격에 대해 자세하게 해설한다.

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주요 내용

가장 널리 사용되는 디지털 영상의 압축/부호화 방식
■ JPEG(Joint Photographic Experts Group)

디지털 화상 데이터의 압축 필요성에 의해 제정된 규격, JPEG 규격의 제정과 규격화 과정
동영상/정지영상의 화상 데이터 압축/부호화 규격 H.261과 JPEG, JBIG, 소프트웨어 간에서 JPEG 파일을 교환하기 위한 공통 포맷 JFIF, JPEG 규격의 파트 2, 파트 3, … , 모든 정지영상 데이터를 변환할 수 있는 포맷 JPEG2000
연속 계조의 정지영상 데이터를 압축/부호화하는 방식, 화상 데이터의 형식, 취급하는 화상 데이터의 형식, 화상의 해상도 제한과 계조의 비트수, 화상의 스캔
JPEG 규격서의 구성, 압축/부호화 방식의 종류, 압축/부호화 방식의 분류, 비가역 압축 클래스와 가역 압축 클래스, 시퀀셜 모드, 프로그레시브 모드, 가역 모드, 계층 모드, 인터리브 스캔과 논인터리브 스캔, 하프만 부호화(Huffman coding) 순서와 산술 부호화 순서, 4가지 대표적인 부호화 프로세스
부호화를 위한 베이스 라인 프로세스, 원화상 데이터의 부호화 프로세스와 화상 재생 프로세스, 레벨 시프트에 의한 양음의 데이터, 순방향 DCT와 역방향 DCT, 양자화와 역양자화, 지그재그 시퀀스화와 8×8 배열화, DC 계수의 하프만 부호화와 하프만 복호화, AC 계수의 하프만 부호화와 하프만 복호화
JPEG 파일의 기본 포맷, JPEG 화상 파일의 포맷, 화상 파일의 기본 구성, 마커와 제로 삽입, 주요 마커의 사용법, 프레임 헤더와 스캔 헤더
JFIF가 규정하는 공통 포맷, 파일 교환을 위한 공통 포맷 JFIF의 규정, APP0 마커 세그먼트, JFIF의 부가정보

정지영상 데이터의 화상 포맷
■ TIFF(Tag Image File Format)

주변기기에서 받은 화상 데이터를 이용하기 위한 파일 포맷(유연하고 자유도가 높은 구조를 가진 화상 파일 포맷, 규격화의 경위와 Private Tag를 사용한 각종 TIFF), 베이스라인 TIFF와 확장 TIFF(Rev. 6.0 사양)
베이스라인 TIFF의 구성(필수, 강하게 권장, 권장, 비권장으로 레벨이 구분되어 있는 사양, 취급 화상은 2치화상, 그레이 스케일, 팔레트 컬러, RGB 풀컬러 화상, 태그의 서식과 종류, TIFF 파일의 구성, TIFF 파일의 선두에 놓여진 화상 파일 헤더, IFD(화상 파일 디렉토리)와 디렉토리 엔트리, 화상 데이터는 비트맵 데이터, 화상의 종류와 비트맵 데이터, 픽셀수와 화상의 실제 사이즈
TIFF의 데이터 압축: 팩비트, HM, LZW, JPEG(바이트 단위의 팩비트 압축, MH 수정 하프만 방식의 압축, 각종 화상 데이터의 압축에 사용되는 LZW 압축, 그레이스케일과 RGB컬러, YCbCr컬러, CMYK컬러로 한정한 JPEG 압축)

Windows에서 표준으로 사용되고 있는 화상 포맷
■ BMP/DIB(Device Independent Bitmap)

BMP 파일은 Wndows 프로그래밍의 표준 화상 포맷, GUI를 위해 만들어진 DIB 화상 포맷, 표준구성은 BITMAPINFOHEADER, RGBQUAD, BYTE, BITMAPFILEHEADER 구조체의 구성, BITMAPINFOHEADER 구조체의 구성, RGBQUAD 구조체의 구성, 화상 데이터의 배열
화상의 압축(8비트/픽셀의 화상 데이터의 압축 BI_RLE8, 4비트/픽셀의 데이터 압축 BI_RLE4), 컴퓨터간에서 영상파일을 주고받는 화상 교환 포맷

컴퓨터간에서 영상파일을 주고받는 화상 교환 포맷
■ GIF(Graphics Interchange Format)

PC 통신시대부터 널리 사용되고 있는 화상 파일 형식, 화상 교환 포맷 GIF의 탄생 배경과 동향, GIF의 라이선스 문제와 새로운 화상 파일 포맷 PNG 등장, GIF 파일의 정의, GIF 화상임을 표시하는 문자열과 버전 정보를 표시하는 헤더
논리 화면의 데이터 구성(터미네이터의 구성, 화상 데이터의 구성), 인터레이스 GlF의 기법
화상 제어 확장자의 구성(표시 후의 처리, 유저 입력, 투과 GIF, 지연 표시, GIF 애니메이션
화상 데이터 다음에 놓여지는 확장정보의 내용(플레인 텍스트 확장자의 구성, 어플리케이션 확장자, 코멘트 확장자)

네트워크를 통해 주고받는 화상 파일 포맷
■ PNG(Portable Network Graphics)

GIF 포맷의 치환이 최대의 목적인 화상 파일 포맷, PNG의 보급과 금후의 문제점, 이전의 화상 포맷과 PNG의 비교, PNG 파일의 구성, PNG 식별자의 포맷, Chunk의 기본 포맷과 명명 규칙
중요 Chunk의 파라미터[IHDR(화상 헤더), PLTE(컬러 팔레트), IDAT, IEND(화상 파일 종료)
종속 Chunk의 구성, LZ77 방식을 개량한 Deflate/Inflate 압축

Windows 표준의 디지털 음성 데이터 포맷
■ WAVE(Wave Form Audio)

Microsoft사의 파일 포맷 RIFF의 사운드 데이터, WAVE는 장시간의 음성 데이터 취급에는 부적합
RIFF의 포맷의 구성, RIFF 폼의 표기법, Wave Form Audio의 데이터 구성, WAVE의 파라미터 계산, WAVE의 데이터 구성

디지털 음성 데이터에 사용되는 표준 포맷
■ MP3(MPEG-1 Audio Layer3)

MPEG-1과 MP3의 개요, MP3의 보급과정과 문제점, MPEG-1과 MPEG-1 Audio Layer3 사양, MP3의 시스템 사양
압축 원리와 기법, MP3 데이터의 포맷 해설(오디오 시퀀스와 프레임, 프레임의 구성, 헤더의 구성, 에러 체크, 음성 데이터의 구성)
MP3에 있어서 저작권 보호 문제, MP3의 확장 포맷에 대하여[ID3 Tag(Ver.1), ID3 Tag의 확장, RIFF WAVE, RIFF MP3(RMP)], MP3의 특허 라이선스

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[회로설계] 저전압·저전력 전자회로 설계

2007-11-08T10:04:57Z

배터리 동작의 초저전압, 저소비전류 회로설계 실무

저전압·저전력 전자회로 설계

동역메카트로닉스연구소 기술정보분석팀 편저

근년, 휴대기기가 급속히 보급되고, 배터리 구동의 장시간 동작과 경량화를 실현하기 위해 IC의 저전압 저전력화의 요구가 높아지고 있다. 저전압, 저전력 동작 전자기기의 대표적인 휴대 AV기기, 전자수첩, 전화기, 휴대전화, 각종 모바일 무선장치, 배터리 백업장치 등은 일찍부터 5V 전원에서 멀어져, 보다 저전압, 저전력화에 격전을 벌이고 있다. 또, 배터리로 동작하는 기기뿐만이 아니라, IC 전반에 걸쳐서 고속화와 저전압화가 진행되고 있는 추세이다.
전지로 동작하는 아날로그 회로를 설계하는 경우, 낮은 전원전압과 전원전압 변동, 소비전력 등을 고려하지 않으면 안된다. 일반적으로 디지털 회로의 소비전력은 동작 주파수에 비례하는데, 고속 동작의 요구가 고조됨 에 따라 주파수(클록)가 높아지고, 따라서 소비전력도 증가하고 있다. 노트북 PC 등에서 대기시간을 저속 동작으로 전환함으로써 전지의 평균동작시간을 연장시키고 있는 것도 좋은 예이다.
이와 같은 저전압 저소비전류가 요구되는 용도에는 CMOS 구조의 OP앰프나 로직 IC, 또는 저전압 동작의 전용 IC를 사용하게 된다. 그러나 저전압 저전력 디바이스라고 하면 CMOS IC가 대표적이지만, 이것은 표준적인 사용법에서 약간 벗어나도 생각하지도 않은 소비전류 증대를 초래한다.
본서에서는 저전압 저전력 회로의 설계 개념부터, 장시간 수명의 초저전압 아날로그의 트랜지지스터 회로와 OP앰프의 설계법, CMOS IC 칩의 선택방법과 로직회로의 저전압 설계방법, 저전압 전원 시스템에서 고효율의 저전압 DC-DC 컨버터 회로설계와 파워 MOSFET의 저전압 배터리 구동법 및 A-D 컨버터 설계 등, 각종 전자회로의 사례를 들어가며 실제로 설계하는 수법을 실무적으로 소개한다.

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주요 내용

배터리 구동 전자회로 설계의 기초지식
■ 저전압··저전력 동작회로의 설계 개념

저전압·저전력화를 제한하는 요소: 소신호 전자회로의 저전력화 개념, 디지털 회로의 저전력화 개념

IC를 사용한 저전력 회로의 개념: 저전력 VCO 회로, 피드백 저항의 전력 소비, 아날로그 미터의 교류 표시와 소비전력, 하이 임피던스 필터의 소비전력

트랜지스터와 FET의 저전압·저전류 동작 특성: 측정장치에 의한 트랜지스터와 FET의 특성 측정

저전압·저전류 동작의 실측 특성: 저주파/고주파용 FET의 특성, 범용 트랜지스터의 특성, 고 hfe 트랜지스터의 특성

부하저항과 부하 임피던스의 저전력화: 저항부하의 고이득 저전력화 개념, 인덕턴스 부하의 고이득 저전력화, 정전류 부하의 저전력화 개념

디스크리트 부품의 저소비전력 회로: 무전원 마이크 앰프, DC-DC 컨버터, MOS 릴레이

RC 발진회로의 저전력화 개념: 비안정 멀티바이브레이터, 3차 LPF형 발진회로, 부품수를 줄인 저전력 발진회로

고주파 회로의 저전력화 개념: VHF 발진회로, 비상용 초저전력 AM 라디오 수신기의 음성출력 전지전압과 소비전류, 전류 레귤레이터, 하이 임피던스로 고이득 초저전력화

디스크리트 부품과 전용 IC를 사용한 배터리 동작의
■ 저전압·저전력 아날로그 회로 설계

1.5V로 동작하는 트랜지스터 1석 증폭회로 설계: 설계 포인트, 입출력 동작 파형, 전기적 특성 측정, 이득을 크게 하는 방법, 주파수 특성의 개선

저전압 동작의 트랜지스터 영상증폭회로의 설계: 설계사양, 설계한 영상증폭회로의 특성 측정

저항성 센서를 드라이브하는 정전류 & 증폭회로의 설계: 정전류회로의 설계, 증폭회로의 설계

아날로그량을 카운터로 적산하기 위한 V-F 변환 어댑터 회로: 2중적분형 V-F 변환방식을 채용, OP앰프의 선택 방법, 기준전압 IC의 선택 방법, 콤퍼레이터의 선택 방법

전지 동작용 OP앰프 회로의 실험: 범용 OP앰프와 저전압 구동용 OP앰프의 성능 차이, 최대출력전압과 전원전압, 주파수 특성과 전원전압, 잡음 특성과 전원전압, 저소비전력의 OP앰프

CMOS 드라이브부터 개별부품 선택까지
■ 저전력화 CMOS 회로설계와 부품 선택

CMOS 회로의 저소비전력 설계: CMOS에 필요없이 소비전류가 흐를 경우의 일어나는 현상. 드라이브 회로와 CMOS의 소비전류, 상승시간과 소비전류의 적절한 균형, 부하 저항치의 결정 방법, 정확한 소비전류의 측정, 미분 동작회로의 권장, 슈미트 회로의 권장, 레벨 부족에 주의, 과입력 전압에 주의

큰 소비전력을 필요로 하는 부품의 저전력화 대책: 접점회로의 저전력화, 접점 동작의 문제점, 신뢰성 있는 저전력 접점 동작 사례, 전류를 흘리지 않아도 되는 접점, 릴레이의 저전력화, 포토커플러의 저전력화, LED 표시의 저전력화, 플런저(plunger)의 저전력화, 제너 다이오드의 저전력화, 3단자 레귤레이터의 저전력화

누설전류가 많은 부품에 대한 저소비전력화: 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky barrier diode), 프린트 기판, 접합 전계효과형 트랜지스터(J-FET), 고속 저전력 OP앰프의 선정

저전압 표준로직 IC의 전압변환기능과 기본성능 해설
■ 저전압 동작 디지털 IC의 특성과 사용법

저전압 로직 패밀리의 등장과 특징: 저전압 제품의 등장, 기존 로직 패밀리와의 관련, 동작전압과 호환성, 로직 패밀리의 공급 메이커

전압 변환 기능: 입출력 권장 허용전압. 입출력 등가회로, 5V와 3.3V간의 인터페이스

저전력 로직 IC의 사용상 주의점: 5V 신호와 접속할 때, slow 입력

LVX/LVQ/LCX 시리즈의 기본 성능: 동작 소비전류 특성, 동작속도 특성, 출력 구동능력 특성, 정적 소비전류

1V 동작의 로직 IC에 대하여

배터리 구동 CMOS 로직 IC의 선택과 응용
■ 저전력 디지털 로직회로의 기본 설계

저전력 로직회로의 설계 테크닉: 저전력 설계에 최적한 CMOS 로직 IC, CMOS 로직 IC의 저전력 회로설계의 기본

CMOS IC의 저전압 동작의 한계: 2V 이하의 저전압 동작 한계, 각 전원전압에서의 구동 능력

CMOS 로직의 선택방법: 속도를 중요시하면 VCX와 LCX가 좋다, 동작 소비전류가 적은 VHC,CMOS 로직은 정적 소비전류 10p~10nA로 미소, 온도 조건을 고려할 것

레벨 변환 IC의 활용과 선택 방법: 이종 전원간에서 전류유입이 발생하지 않는 tolerant 회로. 단방향 및 양방향 레벨 변환의 방법

저전력 로직회로의 사례 : 버스라인을 분리하여 데이터 버스 신호를 고속화, SRAM/DRAM을 배터리로 백업

소비전류, 다이내믹레인지, 스위칭 특성을 철저히 검증
■ 배터리 구동 OP앰프의 특성과 회로 설계

동상 입력전압에 의한 입력 오프셋 전압의 변화: 정밀도가 요구되는 경우는 동상신호 제거비가 열쇠, 동상신호 제거비(CMRR)에 대하여, RRIO형 OP앰프의 입력 오프셋 전압의 변동

전원전압 최대까지 진폭할 수 있는가?: 전원전압, 출력전류와 출력진폭의 변화, 출력전류가 큰 OP앰프가 유리

소비전류와 대역폭의 관계: OP앰프에 의한 소비전류의 변화 모양, 전원전압이 낮으면 이득 대역폭이 좁아진다, 단일이득 대역폭의 측정

스위칭 속도와 전원전압의 관계: 전원전압에 의한 스위칭 특성의 변화, 소비전류와 스루레이트의 관계, 스루레이트의 측정

계측용 차동앰프의 입력전압 범위의 확보: 2 OP앰프 방식의 계측용 차동앰프의 저전압 구동, 3 OP앰프 방식의 본격적인 계측 앰프,3 OP앰프 방식 차동앰프의 특징과 입력전압 범위

한정된 전원전압에서 최고의 성능을 인출하는 설계법
■ 배터리 구동 A-D 변환회로 설계와 평가

전원전압 1.8~3.6V, 입력전압 레인지 5V의 저전력 A-D 변환회로 설계: 회로의 사양과 주요 부품의 개요, A-D 컨버터의 DC 조건을 만족시키는 설계, REF1004I-1.2에 흘리는 전류의 설정, 스케일링 앰프(scaling amp)의 설계

시제한 ADC 기판의 평가방법과 결과: 평가 시스템의 개요, 시험제작한 ADC의 평가 결과

직선성의 개선과 노이즈 대책: OP앰프의 출력전압 범위, 스파이크 노이즈의 발생과 원인 및 대책, 개선후의 평가 결과

AC 특성의 평가: 무입력시의 ADC 자체의 변환 정밀도, 앰프+ADC의 변환 정밀도, AC 특성의 종합 평가

■ 파워 MOSFET의 저전압 배터리 구동법

전력관리에 필수, 전원라인의 ON/OFF 스위치용 파워 MOSFET: 채널에 의한 ON/OFF 제어, 충방전은 2개의 FET에 의한 쌍방향 제어, 3.6V 전원에는 2.5V 구동품, 3V 전원에는 1.8V 구동품이 적합, 파워 MOSFET는 저온에서 ON하기 곤란, 고온에서 ON하기가 용이

승압형 컨버터의 전지전압 저하시의 효율악화 대책: 입력전압이 낮아지면 효율이 악화, 게이트 구동전압을 높여서 효율 개선, 임계치 전압과 효율의 변화

대전류 응용에서는 부유 인덕턴스의 저감이 열쇠

배터리 구동의 고효율 전원 IC의 연구
■ 저전력 DC-DC 컨버터의 원리와 응용

배터리 구동 DC-DC 컨버터의 기본 지식: 승압형과 승압/강압형의 DC-DC 컨버터, 초크코일을 사용한 승압형 DC-DC 컨버터, 트랜스를 사용한 승압/강압형 DC-DC 컨버터, 코일을 사용하지 않는 승압/강압형 DC-DC 컨버터

출력 5V/100mA, 효율 90% 이상의 승압형 DC-DC 컨버터의 설계와 성능 평가: MAX1675와 MAX1832의 개요, MAX1675의 동작 파형과 특성, MAX1832의 동작 파형과 특성

차지펌프 방식의 승압/강압형 DC-DC 컨버터: REG710NA-5와 REG711EA-5의 개요, 기본 동작의 해설,REG710NA-5의 동작과 특성, 동작 파형, 출력전류-효율 특성, 입력전압과 효율/리플전압 특성

REG711EA-5의 동작과 특성: 동작 파형, 출력전류-효율 특성, 입력전압과 효율/리플 전압 특성

SEPIC 방식의 승압/강압형 DC-DC 컨버터: SEPIC(Single-Ended Primary Inductance Converter) 방식이란, 실제의 SEPIC 방식 DC-DC 컨버터

[ Appendix] 스위치 ON일 때 전지의 전압강하를 방지하는 스루레이트 컨트롤러 FDG901D

배터리 동작용 스위칭 & 리니어 레귤레이터 IC
■ 저전압 전원 레귤레이터 IC의 응용 설계

리튬이온 전지 1셀용 승압/강압 스위칭 전원 설계: 승압과 강압의 cascade 접속, SEPIC 회로(Single-Ended Primary Inductance Converter), 배선을 바꾸면 승압 컨버터가 양음 컨버터로 변신 , 인덕터의 조건은 인덕턴스와 전류정격, 다이오드의 조건은 평균 순방향 전류와 전압강하

양음 컨버터에 대하여 , 양음 컨버터에는 승압용 IC를 유용, 양음 컨버터 전용 IC UCC3954, UCC3954에 의한 3.3V, 0.5A 승압/강압 컨버터

배선과 부품배치, 컨버터의 문제점

고효율 PWM 방식 강압 DC-DC 컨버터: CMOS 타입의 강압 DC-DC 컨버터의 개발 트랜드, 제품 라인업, 전기적 특성과 정격, 응용회로의 예, 사용상의 주의점

R1223N의 세부적인 특성 고찰: 효율-부하 특성, 리플 특성, 부하의 과도응답 특성, DC-DC 컨버터의 금후의 방향

저전압 동작의 CMOS 리니어 레귤레이터: 저전압 동작의 고성능 레귤레이터의 종류와 특징

저리플 저포화형 150mA 레귤레이터 R1111/R1121 시리즈의 특징과 사용법

RN5RF 시리즈의 특징과 사용법: 입출력 전압차, 뛰어난 리플 제거율, 소비전류, 사용할 때의 주의점

초소형 표면실장 타입 RQ5RW 시리즈의 특징: 소비전류, 설정 출력전압 1.8V의 특성

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[회로설계] 2차전지와 배터리 충전장치 설계

2007-11-08T09:53:58Z

니켈카드뮴부터 리튬이온까지 최적한 충전장치 설계실무

2차전지와 배터리 충전장치 설계

동역메카트로닉스연구소 기술정보분석팀 편저

근래에, 휴대전화와 노트북 PC를 비롯하여 PDA, 캠코더, 디지털카메라, 각종 MD player와 같은 고성능 모바일 기기가 계속 상품화되고 있다. 이러한 기기를 포터블화하는 핵심 부품의 하나가 2차전지이다. 기기의 소형화, 경량화하기 위해 전지는 가급적 작고, 가볍게 하며, 오랜 동작시간을 유지하기 위한 전지의 고 에너지밀도화 기술을 토대로 비약적으로 발전해 왔다.
모바일 기기용 2차전지의 역사는 니켈카드뮴 배터리, 니켈수소 배터리, 리튬이온 배터리 순으로, 대략 3단계에 걸쳐 발전해 왔다고 할 수 있다. 니켈카드뮴/니켈수소 배터리가 가진 충방전 특성과 사이클 특성의 불안정, 메모리 효과(memory effect), 자기방전, 고용량화 등의 문제점을 거의 해결한 리튬이온 배터리는 리튬이 가진 고용량을 계승하면서, 안전하고 신뢰성이 높으며, 반복 충전회수도 비약적으로 많아졌다. 특히 높은 에너지밀도를 자랑하는 리튬이온 폴리머 배터리의 등장으로 시장은 급속히 확대되어, 시장규모도 선행하는 니켈카드뮴 배터리나 니켈수소 배터리를 크게 웃돌고 있으며, 2차전지 시장을 장악해 나가고 있다.
그러나 배터리가 높은 에너지밀도를 갖게 되고, 고용량화 됨에 따라 배터리의 특성이 아주 예민해졌다는 점이다. 과충전에 의한 발화와, 과방전에 의한 특성의 열화라고 하는 위험성이 있기 때문에, 정밀한 전압전류를 관리하지 않으면 그 성능을 발휘할 수 없다고 하는 까다로운 점이 있다. 따라서 전지의 종류에 맞은 정확한 방법으로 충전을 하지 않으면 배터리 수명 단축은 물론이고, 이상 발열하거나 파열하기도 하고, 또는 발화한다. 이에 따라, 배터리를 제어하는 충전장치가 복잡한 아키텍처으로 고도화되고 있으며, 정확한 충전장치를 설계할 필요가 있다.
충전장치를 안전하고, 확실하게 설계하기 위해서는 전지상태나 주위의 환경을 감시하여, 충전개시의 판단, 전류값이나 전압치의 제어, 충전종료를 판단할 필요가 있다. 또, 만충전의 검출방식에 따라서는 충전 과정에서의 변화를 기억할 필요도 있다. 복잡하고 고도의 제어를 하기 위해 원칩 마이크로컴퓨터로 충전 시스템을 구성하는 경우도 있다.

본서에서는 각종 2차전지 충방전 동작과 특성, 2차전지의 충전방식, 각종 검출제어 방식, 전지 잔량측정 수법, 전지팩 구성 등, 2차전지의 성능을 최대로 인출하기 위한 충전회로 설계 기법과 사례를 세부적으로 해설하며, 아주 심플한 충전장치부터 마이크로컴퓨터를 내장한 고기능 충전장치까지 충전장치의 기본 설계법과 범용 시판 IC를 사용하여 응용 설계한 사례를, 실제 시험제작이 가능하도록 소개하고 있다.
또, 휴대전화나 노트북 PC 등에 사용되고 있는 리튬이온 전지팩의 구조와 동작을 해설한다. 그리고 최근에 세계 대부분의 노트북 PC 메이커를 비롯하여 관련 회사가 채택하고 있는 스마트 배터리(Smart Battery)의 구성과 배터리 잔량 예측수법을 해설하고, 전지팩 내부에서, 전지잔량 예측수법 및 적산처리와 전류전압, 온도 측정, 전지의 고유정보 보존 등을 정보를 시스템측과 커뮤니케이션하는 통신 인터페이스인 SM 버스(SM Bus; System Management Bus)의 구조와 통신방법 및 포맷과 프로그래밍 방법을 해설하고, 배터리 보호를 위한 전기적인 안전장치의 중요 제어부인 보호회로용 IC에 대해서도 소개한다.

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주요 내용

2차전지를 정확하게 알고 설계하기 위한
■ 배터리 충전장치 설계의 기초지식

2차전지의 기본 성질과 취급법: 2차전지의 충전원리와 만충전되면 일어나는 현상, 2차전지의 데이터시트 항목 해설

전지팩의 구조와 취급 방법: 니켈카드뮴 배터리와 니켈수소 전지팩의 구조, 리튬이온 전지팩의 구성과 보호회로 기능과 역할, 리튬이온 전지팩의 취급법과 입수성

메모리 효과와 발생 억제회로 설계: 메모리 효과(memory effect)의 원인, 최종 방전전압까지 방전할 수 있는 회로 설계, 전원회로의 설계, 최대 출력전류의 검증, 역충전에 의한 열화 방지 전지팩 구성

2차전지의 충전 테크닉: 2차전지의 각종 충전방법의 해설, 2차전지의 종류, 사이클 사용과 트리클 사용, 충전회로에 필요한 기능, 2차전지의 충전방식, 전류, 전압의 제어방식, 만충전 검출과 충전의 종지

과충전의 실험 결과: 1.9A로 니켈수소 배터리를 과충전한 실험결과: 84mA로 리튬이온 배터리를 과충전한 실험결과: 390mA로 리튬이온 배터리를 과충전한 실험결과

노트북 PC, 휴대전화, 디지털카메라의 핵심 디바이스
■ 리튬이온 배터리의 구조와 특성

리튬이온 배터리의 기본지식: 외관과 구조, 동작원리, 배터리의 재료와 특징, 리튬이온 배터리의 특징과 용도

리튬이온 배터리의 특성: 충전방법, 방전부하 특성, 사이클 특성, 방전온도 특성

정확한 사용법과 안전에 관계되는 주의사항, 금후의 전망과 과제: 더욱 높은 에너지밀도의 향상, 박형 경량의 리튬이온 폴리머 배터리

고 에너지밀도의 2차전지 충전 시스템
■ 리튬이온 충전장치의 설계 실무

리튬이온 배터리 충전회로의 기본 설계

CVCC(Constant Voltage Constant Current) 충전회로: 충전전압과 충전전류의 변화, 전원회로의 방식, 서미스터의 역할, 프리차지 회로의 역할

실제 CVCC 충전회로의 설계, CVCC 전원과 조합한 펄스 충전회로의 동작 해설, 리튬이온 충전장치 설계와 사례

휴대전화용 스탠드형 CVCC 충전장치의 설계와 제작: 휴대전화 단말기용 충전장치의 개요, PWM 제어형의 CVCC 전원용 컨트롤러의 특징, 출력전압과 출력전류의 설정, 스위칭 주파수의 설정, 인덕터의 계산과 선정, 출력 콘덴서의 선정, 발진에 대한 대책

CVCC(Constant Voltage Constant Current) 특성의 확인, 휴대전화의 충전제어 모양

전용 IC를 사용한 리튬이온 충전장치의 설계해설: 전지접속 검출, 정전류 제어부 및 전류검출, 정전압 제어부, 전압 검출부, 온도 검출부, LED부

동작 타임차트와 충전제어 흐름, 급속충전 전류치의 설정, 만충전 전압의 설정, 충전종료 전류의 설정

고 에너지밀도 전지의 보호와 잔량관리 기술
■ 리튬이온 전지팩의 구조와 관리 시스템

리튬이온 전지팩의 내부회로와 보안장치와 보호회로, 전지팩의 복제를 방지하는 방법

배터리의 잔량 관리방법 해설: 전압에 의한 잔량 예측, 전류적분에 의한 엄격한 잔량 예측, A-D 컨버터 내장의 마이크로컴퓨터로 샘플링하는 방식, V-F 컨버터로 적산하는 방식

전류적분 오차의 잔량 표시에 대한 영향: 오차의 종류, 적산 정밀도에 영향을 주는 오프셋 오차

노트북 PC에서의 잔량 관리 연구: 셀 전압, 온도, 충전회수의 모니터와 보정, 잔량계에 의한 잔량치와 실제의 잔량의 차이

전지팩의 통신 인터페이스 SM 버스(System Management Bus)의 사양: SCL과 SDA의 2선식 쌍방향 버스, SM 버스의 전기적 사양, SM 버스의 통신 프로토콜

스마트 배터리 시스템(Smart Battery System)의 규격화와 기본 구성 및 커맨드

스마트 배터리(Smart Battery) 부분의 회로 블록과 실제의 스마트 배터리 회로, 스마트 차저(Smart charger) 부분의 동작 해설, 실제의 Smart charger

오랜 역사를 가진 2차전지의 대명사
■ 니켈수소/니켈카드뮴 배터리의 구조와 특성

니켈수소 배터리의 구조와 특성: 특징과 전지 구조, 구성과 반응, 배터리의 충방전 특성, 사이클 수명 특성과 보존 특성

니켈수소 배터리의 보통 충전 방법: 정전류 충전방식, 준정전류 충전방식, 트리클 충전

니켈수소 배터리의 급속 충전 방법, 온도미분 검출에 의한 급속충전 방식, -ΔV 검출 급속충전 방식, 온도제어(TCO) 방식

니켈카드뮴 배터리의 구조와 특성: 원리와 구조, 충방전 특성, 메모리 효과(memory effect)와 수명특성, 니켈카드뮴 배터리의 특징

니켈카드뮴 배터리의 종류, 니켈카드뮴 배터리의 취급상의 주의: 충방전과 보존에 대해 기기에 내장하여 사용할 경우의 취급상 주의점

급속충전부터 스위칭방식의 고효율 충전회로 설계
■ 니켈수소/카드뮴 충전장치의 설계 실무

니켈수소/카드뮴 충전회로의 기본 설계 해설

니켈수소 배터리의 만충전 검출의 기본기술: 전지전압의 저하를 검출하는 방법, 전지의 온도상승률의 변화를 검출하는 방법, 최대 시간제어, 가변 시간제어, 최대 온도제어

니켈수소/니켈카드뮴 충전회로의 동작: 정전류 제어에 의한 충전, 효율이 좋은 스위칭 방식의 정전류 전원, 정전류 DC-DC 컨버터의 원리, 정전압 제어가 필요없는 배터리 충전전원, 승압형의 정전류 DC-DC 컨버터는 충전회로에 사용 불가

니켈수소 배터리의 충전 특성: 충전전압의 변화, 100% 충전하기 위한 전압은 1.7V/셀, 충전 전후에서 전지온도는 30℃나 변화, 충전전류가 클수록 발열량이 크다

니켈수소 배터리의 방전 특성: 실제 회로는 정전력 방전, 전지전압의 변화와 방전시간, 방전시의 전지온도 변화

2직렬 셀, 2시간 급속 충전회로 설계: 급속 충전회로의 기본구성과 기능, 보호회로(온도검출회로, 과전압보호회로, 타이머회로), 급속 충전용의 니켈수소 배터리

설계하는 니켈수소 급속 충전회로의 사양, 충전제어 IC의 특징과 동작 해설: 최대 충전시간의 설정, 충전 셀 수의 설정, 정전류 회로의 동작 해설, 충전 동작의 확인, 급속 충전회로의 성능을 인출하기 위한 포인트

범용 IC에 의한 고효율 니켈수소/카드뮴/리튬이온 충전회로: 충전회로의 구성과 동작, 정전류 DC-DC 컨버터를 만드는 제어 IC의 조건

전용 IC에 의한 니켈수소/카드뮴/리튬이온 일반/급속 충전회로 IC 소개

메모리 칩의 데이터 유지용 충전 가능한 전지
■ 메모리 백업용 배터리의 구조와 특성

이산화망간 리튬 배터리: 이산화망간 배터리의 구조와 충방전 반응, 특징

전기적 특성과 사용법: 이산화망간 리튬 배터리의 충전회로와 충방전 특성, 용도

기타 메모리 백업용 배터리의 특성: 바나듐리튬 배터리(VL계), 니오브리튬 배터리(NBL계), 티탄리튬이온 배터리(MT계)

화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 클린 발전기
■ 연료전지

연료전지의 발전 구조와 원리: 연료전지의 특징

알칼리형 연료전지, 인산형 연료전지, 융탄산염형 연료전지, 고체 전해질형 연료전지, 고체 고분자형 연료전지의 개요

고 에너지밀도의 배터리를 안전하게 사용하기 위한
■ 2차전지의 보호회로와 전용 IC

2차전지 보호의 개념: 과충전 보호기능, 과방전 보호기능, 과전류 보호기능

보호회로용 IC의 보호 동작 해설: 통상 모드, 과충전 모드, 과방전 모드, 과전류 모드

보호용 IC의 제품 전개와 보호용 IC의 소형 패키지화, COB(Chip On Board) 모듈: 소형 경량, 내수성 및 절연성, 2차실장 불량 저감, MCP(Multi Chip Package)

리튬이온 배터리의 충전과 보호를 원칩으로 실현하는 배터리 제어용 IC의 응용회로 사례

전지팩의 충방전 제어와 잔량관리 표시 시스템
■ 스마트 배터리 시스템과 응용

스마트 배터리 시스템(Smart Battery System)과 SM 버스(System Management Bus) 통신: 등장 배경과 구성

SM 버스의 물리 구조와 SM 버스에 있어서의 커뮤니케이션

Bus arbitration과 타이밍, SM 버스의 통신 포맷과 통신 파형, SM 버스 프로그래밍의 주의점, SM 버스의 과전압 보호회로

2차전지의 잔량 예측 수법: 전지전압 방식과 전류적분 방식, 전지전압 방식 잔량 예측법, 전류적분 방식 잔량 예측법

전류적분의 실현 방식: A-D 컨버터에 의한 전류적분, V-F 컨버터에 의한 전류적분

오프셋 전압의 경감 방법: 오프셋 전압의 영향을 배제하는 방법, 동적평형 완전차동 방식

스마트 배터리의 어플리케이션 사례: 니켈수소 배터리용 스마트 배터리, 리튬이온 배터리용 스마트 배터리, 충방전 제어의 노하우, 전지팩의 문제점, 리튬이온 배터리를 위한 회로 예

배터리 잔량을 LED나 LCD로 표시하는 배터리 잔량표시용 IC의 구성과 응용: 배터리 잔량검출 전용 IC, 전지 잔량의 검출 방법, 마이컴을 사용하지 않고 고정밀도 전압 검출, 잔량 표시 IC의 사례

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[회로설계] 스위칭 전원장치의 설계실무

2007-11-08T09:49:31Z

SMPS/DC-DC 강압/승압형 컨버터/트랜스의 설계

스위칭 전원장치의 설계실무

동역메카트로닉스연구소 기술정보분석팀 편저

스위칭 전원은 스위칭 소자가 스위칭 모드로 동작하므로 전력손실이 적고, 트랜스도 고주파 트랜스를 사용하기 때문에 소형경량으로 손실이 적으며, 효율이 높다고 하는 점 이외에, 넓은 입력전압 범위에 대응하기 때문에 탭이나 회로정수의 변경없이 입력전압이 다른 나라의 지역에서도 사용할 수 있다고 하는 특징이 있다. 또, 직류전원을 이용해야 할 곳이 많은 통신장치의 전원이나 배터리, 축전지 등의 직류전원을 사용하는 이동체나 휴대형 장치의 DC-DC 컨버터로서 스위칭 전원은 불가피한 전원으로, 에너지 절약이라는 시대의 요구에 부응하여 급속히 그 응용이 확산되어 왔다.
그러나, 스위칭 레귤레이터는 스위칭 소자나, 정류 다이오드, 트랜스, 초크코일 등에서 노이즈를 발생시키므로 이 노이즈가 다른 회로에 방해를 준다고 하는 큰 결점이 있다. 특히 미약한 입력신호를 다루는 아날로그 회로에서는 노이즈나 리플이 안정도에 영향을 주기 때문에, 고안정화하기 위해서는 회로방식의 개량과 필터, 실드 등으로 이러한 영향을 저지해야 하는 연구도 필요하다.
그리고, 스위칭 전원은 회로 부품수의 증가로 신뢰성이 떨어진다고 알려져 있으며, 전해콘덴서와 같은 부품의 온도상승 등도 신뢰성을 떨어뜨린다. 동일 크기의 전원모듈에서는 효율이 좋은 스위칭 전원이 온도상승이 적어 신뢰성을 높일 수 있다. 그러나, 스위칭 레귤레이터는 부품이 소형이므로 적합한 크기보다 작으면 내부손실이 커져 온도상승이 커지며, 트랜스의 중량이나 치수도 신뢰성과 효율을 저하시키는 요인이 된다.
스위칭 전원은 DC-DC 컨버터의 회로구성이나 제어방식에 따라 많은 종류가 있다. 이들의 방식은 다시 조합되어 많은 다른 방식을 창출한다. 따라서 스위칭 전원을 설계할 때는 각각의 특징을 잘 파악하여 효과적인 조합으로 설계할 필요가 있다.

본서는 가장 널리 사용되는 방식으로, 비교적 중소형의 출력전력용에서 많이 볼 수 있는 RCC(Ringing Choke Converter) 방식인 플라이백 컨버터(fly-back converter)와, 비교적 규모가 큰 컴퓨팅 머신 등의 중대형 전원에 이용하는 FFC(Forward Coupled Converter) 방식을 중심으로, 앞서 언급한 문제점과 스위칭 전원의 해결 과제인 소형경량, 고안정도, 고효율, 고신뢰성을 가진 스위칭 전원 설계를 목표로 그 설계방향과 세부적인 회로정수를 구하는 방법에 대해 많은 사례를 들어 실무 위주로 해설한다.
제1부에서는 스위칭 전원의 전반적인 기본 설계법을 알고자 하는 엔지니어와, 스위칭 전원모듈을 활용하는 엔지니어들을 대상으로 폭넓게 해설하고 있으며, 제2부에서는 전문 설계자를 위하여, 강압형과 승압형, 그리고 다출력형과 극성반전형 DC-DC 컨버터의 구성방법과 PWM IC 사용법, 배터리와 같은 저전압 전원회로에서 고효율의 승압형 DC-DC 컨버터를 설계하기 위한 파워 MOSFET의 사용법 등, 여러 종류의 전원회로에 대응 설계가 가능하도록 회로정수 산출법 등을 해설한다. 제3부에서는 설계 제작된 많은 사례를 소개하고 있으며, 이들을 활용함으로써 어떤 전원 설계에도 대응할 수 있도록 완전한 회로 공개와 구체적인 회로정수를 구하는 방법을 제시하고 있다. 특히, 스위칭 전원에서는 트랜스와 코어가 들어있는 초크(인덕터)가 많이 사용되고 있지만, 코어가 있는 인덕터의 설계 방법은 그리 간단하지 않다. 고주파용 인덕터를 설계하는 경우도 동손과 철손, 코어의 포화, 그리고, 출력필터용의 인덕터는 직류성분과 교류성분 손실의 양자를 생각할 필요가 있으며, 공극(갭) 길이와 권수, 인덕턴스, 중첩전류 등의 사이에 서로 모순이 있어, 최적한 값을 결정하기가 어려운 것이 현실이다. 그래서 본서에서는 이 부분에도 많은 페이지를 할당하여 코일을 감는 법까지 실무 위주로 가급적 명쾌하게 파헤치고 있다.

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주요 내용

제1부: 스위칭 전원 설계의 기본지식

■ 스위칭 전원을 이해하기 위한 기초지식

스위칭 레귤레이터를 선호하는 이유, 스위칭 레귤레이터의 입출력 전압 변동, 인덕턴스의 성질과 역기전력의 이해, 인덕턴스에 있어서 충방전 전압의 이해

트랜스가 없는 간단한 회로부터 철저한 이해: 강압형 스위칭 레귤레이터, 승압형 스위칭 레귤레이터, 극성반전형 스위칭 레귤레이터

회로가 비슷해도 동작이 전혀 다른 회로에 주의, 입력전압과 출력전력으로 회로방식을 결정

■ 스위칭 전원회로의 구성과 특징

회로 구성에 의한 특징, 자려형 DC-DC 컨버터의 장단점, 부품수가 적은 Ringing Choke Converter(RCC), RCC 회로의 정전압화에 의한 IP 컨트롤

변압기의 포화를 이용한 DC-DC 컨버터, 자기증폭기에 적합한 DC-DC 컨버터, 자기증폭기를 이용한 안정화 회로와 그 특징

포화 자속밀도(BS)에 대하여, 잔류자속(Br)에 대하여, 보자력(HC)에 대하여, 타려형 스위칭 레귤레이터와 그 특징

■ 스위칭 전원장치의 기본 설계법

평활회로의 콘덴서 용량을 결정하는 방법, 입력 필터용 콘덴서의 실용적인 설계 방법, 고주파용 변압기의 최적 설계법

구체적인 변압기 설계법의 사례: 포워드 타입의 설계 사례, 브리지 타입의 설계 사례

코어가 있는 인덕터의 최적 설계 방법, 구체적인 초크코일의 설계 방법

■ 펄스폭 제어회로와 보호회로

펄스폭 제어회로와 제어용 IC의 사용법, 제어용 보조전원과 기동회로, 과전류 보호회로와 과전압 보호회로

제2부: 스위칭 전원의 구체적인 설계 실무

■ RCC 방식(플라이백 컨버터) 전원 설계

플라이백 컨버터의 동작: RCC 방식의 트랜지스터 ON 상태의 동작, 트랜지스터 OFF 상태의 동작, 정전압 제어의 구조와 회로구성

헌팅(hunting)을 방지하기 위한 위상제어 대책, 실제의 RCC 방식 전원회로 설계

평활용 콘덴서의 결정 방법, RCC 방식 전원회로의 트랜스 설계법, 2차코일의 계산, 그 외의 코일 계산 방법, 코어 공극(gap)의 계산, 기타 부품의 설정 방법

무부하시 및 전체 부하시의 실제 특성, MOSFET를 사용한 RCC 방식 전원장치의 사례

MOSFET와 바이폴러 트랜지스터의 비교, RCC 방식의 문제점: 간헐발진, RCC 방식의 스위칭 전원장치의 회로, 정전압 제어의 동작원리, 실제의 동작 파형

■ FCC 방식(포워드 컨버터) 전원 설계

포워드 컨버터의 동작원리와 설계 포인트: 포워드 컨버터의 기본동작, 출력전압의 결정, 트랜스에 대한 축적 에너지, 자기 리셋와 리셋회로, 동작 파형에서 고찰

회로 설계의 순서와 주의사항: 사양의 결정, 제어회로용 IC에 대하여, 트랜스의 설계, 2차측 평활용 코일의 계산, 트랜지스터와 다이오드의 선정, 기타 부품의 선택, 시제한 전원장치의 특성과 평가

■ DC-DC 컨버터의 설계법과 응용

강압형 DC-DC 컨버터의 회로동작 해설: 강압형 DC-DC 컨버터의 기본구성, 메인 스위치 파워 MOSFET의 역할과 동작원리, PWM 제어회로의 역할과 동작원리, 전압설정용 저항과 프리힐 다이오드(free wheel diode)의 역할, 초크코일과 평활콘덴서의 역할과 동작원리

3.3V·1A의 강압형 DC-CD 컨버터의 설계와 제작: 메인 스위치 소자 파워 MOSFET의 선택. PWM 제어소자와 주변회로, 초크코일의 동작과 선정법, 출력 평활콘덴서의 선정, 프리휠 다이오드의 선정

시험 제작한 강압형 DC-DC 컨버터의 평가: 효율, 레귤레이션, 노이즈 특성, 출력전압을 2.5V로 낮추었을 때 효율의 변화

특성 개선을 위한 노하우: 스파이크 노이즈의 원인과 대책, 효율을 높이는 방법

승압형 DC-DC 컨버터의 설계: 승압형 컨버터의 기본동작, 초저전압 0.9V에서도 동작하는 승압형 컨버터 제어용 IC

극성반전형 DC-DC 컨버터의 설계: 극성 반전형 컨버터의 기본동작, 극성반전형 DC-DC 컨버터용 제어 IC

2출력과 리셋 출력이 부가된 강압형 DC-DC 컨버터: 3.3V/2.5V 동시출력 DC-DC 컨버터 M62293FP

파워 디바이스 내장 5V 3A 출력의 DC-DC 컨버터: 사양과 파워 IC의 특징, 설계 방법과 부품 선정, 파형 관측에 의한 평가와 확인 방법, 더욱 확실하게 동작시키기 위한 노하우

강압 & 극성 반전형 DC-DC 컨버터: 강압 & 극성 반전형 파워 IC, 응용회로, 설계 포인트, 측정에 의한 평가와 확인, 더욱 확실히 동작시키기 위한 노하우

■ 스위칭 전원용 PWM IC의 사용법

입력회로의 설계와 부품선정: 퓨즈의 선정, 노이즈 필터의 선정, 정류 평활회로의 부품 선정, 돌입전류 억제회로

변환회로의 설계와 부품 선정: 스위치 소자의 선정, 트랜스의 설계와 선정, 2차 정류회로의 설계와 부품 선정, 평활회로의 설계와 부품 선정

PWM IC와 주변회로의 설계: 컨트롤용 PWM IC μPC1905/06CX의 내부구성, 삼각파 발진기기의 구성, 과전류 보호(OCP) 기능, 소프트스타트 기능, 출력전압의 검출과 제어(F/B), 출력회로의 구성과 부품 선정, 리모콘(R/C) 기능, 과전압 보호회로(OVP) 기능

PWM IC를 확실히 동작시키기 위한 노하우: 기동/정지회로(UVLO)의 동작과 정수 설정, 삼각파 발진기(OSC)의 동작과 정수 설정, 과전류 보호회로(OCP)의 정수 설정, 출력전압의 제어(F/B) 동작, 부품 배치와 프린트기판 패턴 설계의 노하우

■ 파워 MOSFET의 저전압 배터리 구동법

전력관리에 필수적인 소자 파워 MOSFET, 전원라인의 ON/OFF 스위치용 파워 MOSFET: 채널에 의한 ON/OFF 제어, 충방전은 2개의 FET에 의한 쌍방향 제어, 3.6V 전원에는 2.5V 구동품, 3V 전원에는 1.8V 구동품이 적합, 파워 MOSFET는 저온에서 ON하기 곤란, 고온에서 ON하기가 용이

대전류 응용에서는 부유 인덕턴스의 저감이 열쇠

제3부: 스위칭 전원의 구체적 설계 사례

■ RCC 방식 스위칭 전원회로의 설계

RCC 방식의 회로의 구성과 동작: AC 라인필터, 정류 평활회로, 메인 스위칭 회로, 스나버(snubber) 회로, 2차측 정류평활회로, 전압검출회로

트랜스의 제작법: 트랜스를 제작하기 위한 재료와 공구, 트랜스의 제작법, 제작한 트랜스의 특성 체크, 트랜스 코어의 카탈로그 데이터를 보는 방법

히트싱크와 기판의 레이아웃: 히트싱크(방열기), 프린트 기판의 설계상 주의

전원의 특성 측정방법과 평가: 5V·3A 전원의 측정결과

■ RCC 방식 전원의 회로정수 산출법

RCC 방식의 발진원리, RCC 방식과 관련된 계산식, 트랜스와 관련된 계산식, 정류 브리지 회로정수, 콘덴서의 리플전류, 드라이브 회로정수

스위칭 트랜지스터의 동작과 손실, 스나버 회로정수, 2차측 정류 다이오드의 실효전류, 2차측 정류 다이오드의 리커버리 특성, 2차측 평활콘덴서의 리플전류

■ 90V∼270V의 프리볼트 입력방식 와이드 입력형 RCC 전원회로의 설계

시제한 전원회로의 제작 흐름: 시제한 회로의 동작 개요, 트랜스의 설계 포인트

발진의 메커니즘과 발진주파수: RCC 방식의 발진 원리, 발진주파수의 계산

트랜스의 권수비와 인덕턴스 : 권수비의 결정 방법과 스위칭 트랜지스터의 정격 확인, 귀환코일과 전압검출 코일, 1차코일의 인덕턴스

트랜스 코어와 코일의 결정: 코어 크기의 선택법, 코일의 선지름

트랜스의 제작 기술: 안전규격, 연면거리, 절연테이프, 샌드위치 감이, 코일을 감는 방법

트랜스 코어 갭의 계산과 포화전류의 확인: 코어 갭의 계산, 코어 포화전류의 확인

트랜스의 누설 인덕턴스와 절연저항 및 내압 측정: 누설 인덕턴스, 절연저항과 절연내압

시험제작한 회로의 평가: 라인 레귤레이션과 로드 레귤레이션, 입력전압과 발진주파수, 효율과 리플 특성

■ 전용 IC를 사용한 RCC 전원회로 설계

MA1020를 사용한 12V·2A 스위칭 전원회로의 설계: MA1020의 특징, 회로동작과 보호기능, MA1020를 사용한 12V·2A 전원장치의 제작

TDA4605를 사용한 24V·5A 스위칭 전원회로 설계: TDA4605의 특징 및 내부 블록과 기능, TDA4605에 의한 24V·5A 전원회로 설계, 파형 관측과 측정결과

■ 자기증폭기(Magnet Amp)를 응용한 FCC 방식 스위칭 전원회로의 설계

FCC 방식(Forward Coupled Converter) 전원회로: FCC 방식 스위칭 전원의 동작원리, FCC 방식 스위칭 레귤레이터 회로의 간소화

자기증폭기의 동작과 FCC 전원회로에 응용: 자기증폭기(Megnet Amp)의 기본적인 이미지, 자기증폭기의 동작원리, 스위치로서 자기증폭기의 스위칭 전원회로에 응용

전원회로 구성과 동작원리: 1차측 회로의 동작에 대해, 2차측 회로의 동작에 대해, 과전류 보호회로

절연 트랜스의 제작법: 코일과 선지름의 결정, 트랜스의 권선 방법

초크코일 T2의 제작법: 권수를 구하는 방법, 실제로 감는 방법

회로의 제작과 측정결과: 제작상의 주의점, 제작한 전원의 특성

■ 자기증폭기(Magnet Amp)의 동작과 FCC 방식 전원의 회로정수 산출법

자기증폭기의 스위칭 동작: 가포화 리액터의 성질, 가포화 리액터의 스위칭 동작, 가포화 리액터의 최대 전압·시간 곱, 가포화 리액터의 리셋 전류, 자기증폭기 유닛의 동작에 대해, 자기증폭기 유닛의 정전압 제어 구성

1차측의 발진회로, 코어의 카탈로그 값을 보는 방법과 트랜스의 설계: 철손을 구하는 방법, 동손을 구하는 방법

■ 전용 IC를 사용한 FCC 전원회로 설계

1차측 제어와 2차측 제어, μPC1099의 내부회로와 특성, 출력단의 구조, 파워 그라운드와 신호 그라운드, 과전류/과전압 보호회로, 발진회로의 구성

회로의 동작 해설: 돌입전류 방지회로, FCC 회로의 기동, 과전류 보호회로, 과전압 보호, 정전압 제어

트랜스와 코일의 제작법: 트랜스의 제작법, 초크코일의 제작법, 측정 데이터와 평가

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[회로설계] 원격탐사의 영상처리 입문

2007-11-08T09:44:50Z

Remote Sensing 영상의 분석해석법과 응용

원격탐사의 영상처리 입문

자료제공 및 원저: 호시 타카시

국제테크노정보연구소 연구 2그룹 편역

원격탐사(Remote Sensing)란 항공기, 인공위성, 우주선 등의 비행체(플랫폼)를 상공에 발사하고 비행체에 탑재한 망원카메라나 센서를 인간의 눈 대용으로 사용하여 지구나 별의 표면, 해양, 대기 등으로부터 방사·반사되어 오는 에너지의 강도를 전자 파장별로 데이터화하고, 영상 등으로 가공하여 이것을 분석·분류·해석하는 기술의 총칭을 말한다.
원격탐사에 의한 영상 데이터는 우리 생활 주변에서 널리 이용되고 있다. 주기적으로 대기가스, 구름분포를 리모트 센싱에 의해 얻어진 영상 데이터는 구름량, 구름 종류, 풍속, 허리케인·태풍의 진로, 일기예보, 강수량 추정·홍수·한발, 매연 입자의 계측, 대기가스나 오존분포 추출 등에 이용하기도 한다.
또, 해상을 주기적으로 리모트 센싱하여 얻어진 영상 데이터는 해류분포, 해면온도분포, 어군탐지, 온배수, 공업용수, 투명도, 수심 등을 분석 추출할 수 있으며, 원자력발전소의 폐수나 공장배수의 확산상황을 해독하는 데도 이용된다. 그리고, 육상을 주기적으로 관측하여 얻은 리모트 센싱 영상 데이터는 토지형태, 도시의 발전도, 매립지의 분포, 농작물의 생산예측, 곡물분포, 열대림 등의 임종분포, 바이오매스량, 식물의 활성도, 녹지·초원분포 등에 이용한다. 그 밖에, GPS 측위에 의한 자동차, 항공기, 선박의 위치추적(내비게이션 시스템), GIS 시스템과, 지표의 농담영상 추출이나 삼차원 좌표를 추출하여 도시나 지형의 모델링에 이용한다. 또한 스테레오 매칭 기술이나 위상차를 이용하여 표고 데이터 추출, 팬크로매틱 영상, 모자이크 영상, 컬러 합성영상의 작성과 데이터 해석에 이용한다.
특히, 리모트 센싱 영상은 사진과 마찬가지로 빠짐없이 정보를 표현하고 있으므로 지도를 대신할 수 있다. 영상해석 기술을 가지고 있으면 지도보다 다양한 정보를 판독할 수 있다. 지도를 작성하는 데는 오랜 시간을 요하지만, 리모트 센싱 영상은 신속하게 작성할 수 있다. 따라서, 새로운 정보를 신속하게 영상으로 입수하고 판독하여 이용 목적이나 테마별 주제 분포도 작성 및 미지변수를 적출할 수 있는 것이다.
이렇게 영상 데이터를 분석 해석처리함으로써 다양한 목적에 이용할 수 있다. 리모트 센싱의 영상기술은 이전부터 영상처리에서 사용되어 온 팬크로매틱 영상이나 눈에 보이는 가시광선의 컬러 영상처리 등의 기술이 다소 필요하다. 이에 더하여, 눈에 보이지 않는 다파장대 영상 데이터는 지금까지 영상처리의 대상이었던 농담 영상처리나 컬러 영상처리와 동떨어진 것이 아니라, 오히려 이들을 기초로 고도로 발전해 가고 있다.

본서는 이와 같은 리모트 센싱의 핵심기술인 영상처리 해석기술에 주안점을 두고, 제1장에서 리모트 센싱에 불가피한 비행체와 거기에 탑재되는 센서 소개, 제2, 3장에서는 저차원 채널 데이터의 영상처리 방법을 중심으로, 제4장에서는 다채널 데이터의 영상처리 기법에 대해 해설한다. 또, 제4장 이후는 리모트 센싱 영상처리의 핵심인 분류, 데이터 포맷, 기하보정, 응용기술에 대해 설명하고 그 사례를 소개한다.

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주요 내용

■ 원격탐사의 개요

리모트 센싱의 성장 배경, 비행체의 종류와 상황: 고고도 플랫폼(고도: H≒36000km), 고도 측위 플랫폼(고도: H≒19000∼21000km), 중고도 궤도 플랫폼(고도: H=300∼1000km), 저고도 귀환 플랫폼(고도: H=100∼300km), 저고도 항공 플랫폼(고도: H=100km 이하)

전자파의 파장과 센서(카메라 필름과 원격탐사용 센서, 수동식 센서와 능동식 센서)

현지조사와 Truth Data의 수집, 영상 해석의 필수 지식, 리모트 센싱 영상 데이터의 응용

■ 단일 영상처리의 기법

농담 영상처리의 개요, 영상의 디지털 데이터화 기법, 영상의 2치화와 노이즈 제거 방법, 에지 추출과 세선화(thinning) 기법, 라벨링(labeling) 기법

매칭(matching)의 인식법과 식별 방법: 템플릿 매칭, 기하학적 특징점, 체인 부호화, 투영 히스토그램 법(주변 분포법), 연결방향의 화소 유무, 반사법, 홀 수와 오일러 수, 세장비(細長比), 원형도(圓形圖), 복잡도, Hough 변환

화소 데이터의 클러스터링 기법, 이차원 디지털 영상신호의 표현과 변환

영상신호의 표현 방법: 사인파 신호의 표현, 복소 사인파 신호의 표현, 이차원 사인파 신호의 표현, 이차원 신호의 스펙트럼

일차원 푸리에 변환, 이차원 푸리에 변환, 영상의 푸리에 변환, 영상변환의 이론, 일반 이산변환, 이산적 푸리에 변환(DFT), Wavelet 변환

■ 컬러 표현방법과 파일포맷 해설

RGB 컬러모델의 해설, UCS 컬러모델 해설, CMY 컬러모델 해설, YIQ 컬러모델, HSV 모델, HLS 컬러모델 해설, 트라이앵글 모델 해설

컬러영상의 포맷 해설: 영상 파일 포맷의 종류, TIFF(Tage Image File Format) 포맷, JPEG(Joint Photographic Experts Group) 포맷, MPEG(Moving Picture Experts Group) 포맷

VRML(Virtual Reality Modeling Language) 포맷: VRML의 개요, VRML2.0의 구성, VRML 공간, VRML의 기하형상 Shape, 무대설정, VRML의 특징, 영상 데이터 압축

2치영상의 데이터 압축: 런렝쓰(run length) 부호화, 마르코프 모델화(Markov model), 예측 부호화와 변환 부호화, 엔트로피 부호화

컬러영상의 데이터 압축, 텔레비젼, 미디어의 데이터 압축, 리모트 센싱 영상에 대한 데이터 압축의 응용

■ 다파장대의 영상처리 기법

다파장대 영상의 개요, 비가시 정보의 가시화 기술

차원을 저하시켜 고속화하는 방법: 선형화하는 방법, K-L 전개법, 방사법, 4축법, 자기 조직화 맵(SOM: Self Organizing Map), 주성분 분석, 중회귀 분석

스테레오 매칭 기법: 영상의 재생 메커니즘, 표정의 필요성, 깊이 정보 추출, 정지체의 계측, 이동체의 계측

탐색법의 개요: 상호상관법, 푸리에 상관법, 푸리에 위상차법, 잔차 축차검정법, 동적 계획법, 샘플링법

트리플릿 법(triplets method), 멀티플릿 법(multiplets method), 삼차원 물체 계측 방법, 거리영상(range image)의 계측 방법, 3D 소프트웨어

■ 영상의 분류방법과 실현 기법

영상 분류의 개요, 영상패턴을 분류하는 순서, 영상, 문자인식의 특징공간

베이즈의 정리(Bayes rule): 조건부 확률, 통신로 행렬(symmetric channel), 엔트로피

통계적 분류법, 기초 통계량, 기본적인 분류 순서

교사없음 분류법(unsupervised classification method), 교사있음 분류법(supervised classification)

트레이닝 지구의 선정, 테스트 지구의 선정, 통계량의 산출, 클러스터링의 원리, 최대확률법

■ 원격탐사의 영상 데이터와 포맷

영상 데이터의 개요, JER-1·OPS의 포맷: BSQ(band sequential) 포맷, BIL(band interleaved by line) 포맷

LANDSAT·MSS의 포맷: 볼륨 디렉토리 파일(VDF:volume directory file), 데이터 파일(data file), 널 볼륨 디렉토리 파일(null volume directory file)

LANDSAT·TM의 포맷, SPOT의 포맷: SPOT-XS의 BSQ의 CCT 포맷, SPOT-XS의 BIL의 CCT 포맷

데이터베이스 검색용 키워드, 컬러 합성영상의 작성

■ 영상 왜곡의 기하보정과 표정

지구의 형상과 취급법, 평면 투영법, Universal Transverse Mercator 도법(UTM), Mercator 도법, Lambert 정적 원통 도법

사진·영상의 표정(orientation): 항공사진의 영상 데이터의 표정(직선의 재현, 평면의 재현, 입체의 재현), 항공기 MSS 영상 데이터의 표정, 항공기 Linear CCD 센서, 항공기 Array CCD 센서, 위성 영상 데이터

기하 변환, 내삽법: 최근린법(nearest neighbor method), 1차내삽법(쌍선형 보간법: bi-linear interpolation method), 3×3 내삽법, 4×4 내삽법(3차보간법: cubic convolution method), 최소 제곱법

■ 분류와 해석 기법

해면 온도의 광역 추출, 컬러 합성도의 작성, 토지 피복 분류, 식생 구분, 삼림 자원량의 산출, 증발산량의 산정

SIR-C의 폴러리메트릭(polarimetric) 해석: 편파 시그너쳐 도면의 작성, 텍스처 특징량, texture 특징량과 편파 signature의 관계

인터페로메트리(interferometry): 표고 추출, INSAR의 응용

범지구 측위 시스템의 활용, 지구환경과 장래의 영상정보 이용

■ 제공하는 소스 프로그램에 대하여

제2장의 영상처리 기초 프로그램: 프로그램의 설명, 소스 프로그램, 데이터 구조와 함수의 설명, 변수의 설명

제8장 7절의 SIR-C의 영상처리 프로그램: R-C CEOS 포맷 → 산란행렬 강도 산정 프로그램, 산란행열 강도를 PGM 영상 데이터 변환 프로그램

더 많은 기술자료 안내 ★ 소스 프로그램 다운로드

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[회로설계] 블루투스 시스템 설계 기술

2007-11-06T13:28:35Z

근거리 디지털 정보통신 규격 해설과

블루투스(Bluetooth) 시스템 설계 기술

(주)동역메카트로닉스연구소 기술분석팀 편저 B5/300P

블루투스는 스펙트럼 확산통신기술을 채용한 근거리용 디지털 정보통신 방식으로, 휴대전화의 세계적인 메이커인 Ericsson사를 중심으로, 미국, 유럽의 여러 주력 메이커가 협력하여 규격을 책정하고 있다. 블루투스를 이용하면 현재, 주로 유선으로 접속하고 있는 PC나 주변기기, 휴대전화, 정보단말, 디지털 AV기기 등을 무선으로 접속할 수 있기 때문에 각종 기기간의 cableless화를 쉽게 실현할 수 있다.
1999년 12월에 Bluetooth의 기술사양서 Ver1.0b가 발표되고, 그 동안 모듈 공급이 원활하지 못해 전시회 등에서만 볼 수 있었던 블루투스 탑재 제품도 이젠 여러 메이커로부터 제품이 발매되기 시작했다. 블루투스가 첫 등장했던 1998년 당시는 블루투스 모듈은 5칩으로 구성되어 있었다. 그후 에릭슨사에서 베이스밴드 처리로직과 CPU, RAM을 원칩화한 3칩 구성의 모듈이 발표되었고, 최근에는 종래의 Bi-CMOS 프로세스로 제조되고 있던 RF 트랜시버를 CMOS 프로세스로 실현한 메이커가 나타나면서 드디어 Bluetooth 모듈의 원칩화가 가능하게 되었다. 따라서 모듈의 단가가 대폭 내려갈 것이며, 이에 따라 블루투스를 탑재한 장치가 수없이 증가할 것이다.

본서는 우선, Bluetooth를 이해하기 위한 멀티미디어 정보통신의 기초지식으로, 패킷, 전송방식, 오류정정, 송수신감도와 전력, 블루투스가 적용하고 있는 스펙트럼 확산방식의 특징과 다중접속의 원리, 그리고, 전체적인 구성과 규격의 내용에 따라 Core 부분에서는 무선부분을 중심으로 통신방식을, Profiles 부분에서는 소프트웨어에 관한 규격 내용에 대해 해설한다.
다음 단계는 Bluetooth 시스템을 상품화하기 위한 기법으로, 하드웨어 수법, 로고 인증과 전파법의 규정, 현재 발매되고 있는 블루투스 제품, 또 발매 예정의 제품이나 전시회 등에서 전시되고 있는 개발 예정의 제품 등을 분석함으로써, 금후 블루투스가 어떤 용도에 이용될 것인지에 대해서 소개한다.
블루투스 시스템을 설계하기 위한 실무 지식으로 최근에 개발된 베이스밴드 LSI를 예로 들어 자세하게 그 사용법을 설명하고, 세계적으로 가장 표준적인 Ericsson사의 Bluetooth 모듈을 이용하여 그 개발 수법과 하드웨어를 모두 공개하며, 그 애플리케이션 개발 환경과, 최근 주목받고 있는 Bluetooth 시스템용의 초소형 안테나와 그 회선 설계에 대하여 설명한다.
Bluetooth 시스템을 능률적으로 개발하기 위해서는 중요한 프로토콜 스택을 입수해야 하는데, 통상 해외의 프로토콜 밴더와 라이센스 계약을 체결한다. 라이센스 계약료는 벤더에 따라 달라지며, 수백만∼수억원으로 폭이 넓다. 계약에 따라 생기는 제한이나 로열티에 관한 약속 등도 벤더에 따라 크게 다르다. 라이센스 계약을 하게 되면 프로토콜 스택의 소스코드와, 목적의 환경에 스택을 이식(포팅)하기 위해 필요한 정보류를 손에 넣을 수 있다.
프로토콜 스택을 입수하는데, 수천만원 이상이나 들게 되면 Bluetooth 시스템을 소규모 또는 시험 제작하는 일은 불가능한 것일까? . 그렇지는 않으며, 좋은 방법이 있다. 그것은 stack vendor나 module vendor가 판매하고 있는 개발도구, 개발 키트, SDK(System Development Kit), 평가 키트, Starter Kit 등의 명칭으로 불리고 있는 하드웨어와 프로토콜의 세트(개발도구: tool)를 구입하는 것이다.
본서에서는 여러 메이커에서 발매하고 있는 Bluetooth 제품을 개발하기 위한 개발 도구(tool)를 비교 소개한다. 특히, 이들 가운데서 널리 알려져 있는 CSR사에서 발매되고 있는 Bluetooth 개발키트 'CASIRA'를 예로 들어, 그 사용법과 기능을 아주 자세히 소개한다.

더 많은 기술자료 안내

주요 내용

■ 최근의 Bluetooth 규격 및 시장 동향

무선 네트워크의 개념, 블루투스의 개념과 SIG 동향, 블루투스의 국제 표준, 무선화(cableless)의 개념

Bluetooth에 대한 메이커의 전념, 블루투스 칩과 프로세스, 해외 선진업체들의 동향, 블루투스의 상품화 동향과 문제점, 블루투스의 용용 산업

■ Bluetooth 디지털 정보통신의 기초지식

Bluetooth 정보통신의 3가지 특징:비동기형 전송방식(ATM: Asynchronous Transfer Mode), 고능률 부호화 방식과 고능률 전송방식, 스펙트럼 확산(SS: Spread Spectrum) 통신방식

Bluetooth 통신의 기본 평가항목에 대한 해설: 수신감도, 비동기식과 동기식 검파방식, 송신전력, 오류정정 부호, 통신의 파형 등가

Bluetooth의 스펙트럼 확산과 다중 접속: 스펙트럼 확산과 주파수 호핑, 주파수 호핑의 다중접속

■ Bluetooth 통신의 상세한 규격 해설

Bluetooth의 배경과 성장 및 지향 요소: 등장 배경, 역사와 성장 과정, 3가지 지향 요소

2. Bluetooth의 무선 네트워크와 이점: 무선 네트워크(pico-net, scatter net), Bluetooth 무선접속의 이점

Bluetooth의 계층 구조와 펌웨어 해설: 계층 구조, firmware 내부 설명,

무선통신 부분의 사양 해설: 주파수 대역과 정보변조,주파수 호핑 방식, 송수신 전력과 복신방식

Bluetooth의 Baseband 부분의 사양 해설: 동기접속(SCO: Synchronous Connection Oriented 링크), (ACL: Asynchronous Connectionless 링크), 오류정정과 security code, Access Code, Packet Header

Bluetooth의 접속 수법: Bluetooth의 접속 순서와 방식, Bluetooth의 링크 제어, 문의(Inquiry)상태의 동작과 순서, 호출(Page) 상태의 동작과 순서, Bluetooth의 저소비전력 모드

Bluetooth의 Profiles 규격 해설: Profiles의 구성, 용도별 프로파일(전화용 프로파일), Serial Port 프로파일, 범용 오브젝트 교환 프로파일, Bluetooth protocol stack

■ Bluetooth의 핵심기술과 로고 인증

전파법 규정과 간섭 대책: 전파법상 근거리 통신방식의 구분과 Bluetooth의 위치, ISM(Industrial Science and Medical Band 2.4GHz) 대역 적용, 장치간의 간섭 대책을 위한 규정

Bluetooth 시스템 실현을 위한 핵심기술과 동향: Bluetooth 모듈의 구조 해설과 동향, LSI의 제조기술과 개발 동향, 칩세트화 기술해설과 동향, 칩세트의 개발 사례, 칩세트의 실장기술

Bluetooth 로고 및 단말인증과 상품개발 사례: Bluetooth 상품화를 위한 인증 기관, Bluetooth logo의 인증 절차와 시험항목 측정, 단말인정 절차와 시험 항목, Bluetooth를 이용한 상품 개발의 사례

Bluetooth 규격의 금후 동향: 금후 발전과 과제, Bluetooth의 금후 과제에 대한 해결 지침

■ 국내의 특정 소출력 무선국용 무선설비 기술기준과 한국 블루투스 포럼에 대하여

Bluetooth 국내 주파수 대역

한국 블루투스 포럼의 조직 구성: 분과위원회, 법·제도 분과위원회, 기술개발 분과위원회, 표준화 분과위원회, 서비스 분과위원회

■ Ericsson사 모듈을 이용한 Bluetooth 시스템 설계와 개발환경

Bluetooth System 설계의 개요: PC 베이스의 시스템, 내장 베이스의 시스템

Bluetooth 모듈의 구조 분석: 모듈의 구성과 주요 Vendor

Ericsson사의 ROK101 007 Bluetooth 모듈의 분석: RF module, Baseband controller, flash memory, Voltage Regulator

시스템의 설계 사례 분석:ROK101 007 주변과 EIA-232 주변회로의 분석(시리얼 인터페이스부의 구성, 표면실장 타입의 시리즈 레귤레이터, 기타 주변회로의 구성)

음성 CODEC 주변회로의 분석, 안테나의 선정에 대하여

Bluetooth System의 개발 환경: 하드웨어의 개발 환경, 소프트웨어의 개발 환경, Bluetooth 시스템을 저가격으로 시험 제작하는 방법

■ 최신 Bluetooth Baseband LSI의 분석과 시스템 개발기법

개발된 최신 베이스밴드 LSI의 구조 분석: Bluetooth Baseband LSI의 개발 개요, 전용 칩 KL5BBT002의 특징, RF interface 부분의 설계 분석(serial interface controller, synthesizer controller, data flow controller), Baseband Core 부분의 설계 분석, LMP firmware에 대하여(HCI-LM firmware, 처리의 흐름 )

평가 시스템과 제품에 응용 기술: 평가 시스템의 구성과 원리 및 특징, 시스템 제품에 대한 응용, Bluetooth용 LSI 개발의 금후 동향

■ 2.4GHz대 전파를 확실히 송수신하기 위한 Bluetooth 시스템용 안테나 설계

2.4GHz대 안테나의 종류와 특성: 전파의 송수신 원리, 2.4GHz대 안테나의 종류,(옥내외용 안테나: 기기 외부에서 사용하는 안테나, 기기 내부에서 사용하는 안테나)

안테나의 회선 설계 요령: 안테나의 회선 설계, 멀티패스 페이딩의 대책(multipass fading이란, 멀티패스 페이딩의 대책(diversity), 안테나의 선정 조건과 사례(옥내 통신, 옥외 통신), 안테나에 대전력을 공급하기 위해

프린트 패턴에 의한 소형 안테나의 설계: slot antenna의 구조와 조건, microstrip antenna의 구조와 조건(기본 특성, 급전 방법), 유전체에 의한 안테나의 소형화

칩 세라믹 안테나의 구조와 특성, 안테나를 소형화, 광대역화하는 방법

■ 개발기간 단축과 평가, 개발지원을 위한 Bluetooth 개발도구 소개

Bluetooth 개발도구(tool)에 대하여, 주요 메이커의 Bluetooth 개발 키트의 비교

Ericsson사의 Bluetooth 개발 키트, EBDK(Ericsson Bluetooth Development Kit)(부속된 도큐먼트, 액세서리, 소프트웨어)

Ericsson사의 Bluetooth 스타트 키트, EBSK(Ericsson Bluetooth Starter Kit(부속된 도큐먼트, 소프트웨어, 액세서리 )

The Bluetooth Application Tool Kit, The Bluetooth Application And Training Tool Kit부속된 도큐먼트, 소프트웨어, 액세서리)

CSR사의 CASIRA Development Kit(부속 도큐먼트, 소프트웨어, 액세서리, 추가 구입으로 입수 가능한 소프트웨어)

Digianswer사의 Bluetooth Demo & Development, PC Card MkⅡ(PC 카드판)(부속 도큐먼트, 소프트웨어, 액세서리와 옵션)

■ CSR사의 Bluetooth 모듈평가와 개발지원용 도구/개발 키트 'CASIRA'의 사용법과 측정

CSR사의 개발 키트 'CASlRA'의 구성: 개발 키트 본체의 구조, 인터페이스(RS-232C 포트, USB 포트, 프린터 포트), 개발 키트용 CD-ROM의 내용, CSR사의 Web site

'CASIRA'에 부속되어 있는 소프트웨어: BlueCore, BlueChat, 제품 테스트용의 루틴과 기타 커맨드, BlueFlash, DFU Wizard, PSTool, 인스톨(파라미터의 변경, Bluetooth Address, Country Code)

BlueStack 소프트웨어 개발 키트(평가판): 커맨드의 송신, 매크로 송신, 샘플 매크로

Bluetooth 개발 키트의 USB 접속: 개발 키트와 USB 접속할 때의 특징, CASlRA의 USB 접속 방법

Bluetooth, 무선 LAN에 의한 전파 간섭의 영향: 측정 방법과 측정 조건, 측정 결과(전파간섭 없음, 다른 Bluetooth와의 간섭, 무선 LAN과의 간섭)

■ System Development Kit: UBQ-Blue, PF-724A Bluetooth 내장형 응용개발 키트

응용 개발 키트 UBO-Blue와 PF-724A의 개요: System Development Kit(UBO-Blue ), UBO-Blue protocol stack 평가용 기트(PF-724A)

실제의 통신시험과 UPF(UnPlugFest), Bluetooth 모듈의 원칩화 기술과 CMOS화의 흐름

■ Bluetooth의 응용사례와 제품 동향

Bluetooth 모듈이 탑재된 노트북 PC의 사례 분석(Sony사의 노트북 PC, 후지쓰사의 노트북 PC

Bluetooth 탑재의 프린트서버와 프린터 어댑터: Print Plug(AXIS BT-850)와 Print Server(AXIS BT-840), NEC Bluetooth Adapter(PR-BT01)

Bluetooth를 탑재한 휴대전화와 헤드셋의 사례: Bluetooth 탑재 헤드셋 JTDC(i2me), Bluetooth 내장 휴대전화 Ericsson(R520), 헤드셋Ericsson(HBH-10), Omron사의 Bluetooth 모뎀

메모리 카드, Bluetooth PC/CF 카드의 사례: 메모리 스틱형 Bluetooth 모듈 Infostick, Toshiba사의 SD 카드형 Bluetooth 모듈, Bluetooth PC 카드 와이어리스 모뎀 스테이션, Bluetooth CF(Compact Flash) 카드

Access Point: Access Point AXIS BT-800, 후지쓰디바이스(주)의 액세스 포인트, PDA(Personal Digital Assistance)용 Bluetooth 어댑터

조만간 선보일 기타 Bluetooth의 응용 사례

■ Bluetooth의 국내 동향 분석

Bluetooth 칩과 응용제품의 개발동향

Bluetooth 응용제품 개발 뉴스

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[회로설계] Compact PCI 시스템의 활용실무

2007-11-06T13:22:05Z

산업용 표준버스의 구축 테크닉 입문

Compact PCI 시스템의 활용실무

동역메카트로닉스연구소 기술정보분석팀 편저 B5/160P

CompactPCI와 데스크탑 PC의 카드에지 PCI는 버스 아키텍처 및 타이밍적으로는 기본적으로 동일하고, 커넥터와 Backplane(메인보드)의 규격, 카드에지 PCI보다 많은 슬롯을 확장할 수 있다는 점 등이 크게 다르다. 특히, 거의 모든 최신 프로세서를 모두 수용하며, x86 기반의 Intel Processor, PowerPC, Alpha Chip 등, 데이터 처리속도와 고속화에 대응하여, CPU와 OS에 의존하지 않도록 고안된 고성능 산업용 시스템의 표준 버스이다.
CompactPCI 시스템의 도입을 검토하는 케이스로서, 저가격의 데스크탑 PC는 신뢰성이 부족하므로 산업용 PC로서 CompactPCI로 이행하는 경우와, 고도의 신뢰성을 추구하는 시스템에서 코스트다운을 하기 위해 CompactPCI 시스템으로 이행하는 경우가 있다.
CompactPCI를 내환경성이 우수한 PC로서 사용하는 경우에는 데스크탑 PC의 아키텍처를 그대로 계승하고 있는 CompactPCI가 최적의 솔루션이라 할 수 있을 것이다. 또한 Desktop PC에서는 통상 4개로 제한되고 있는 PCI Board의 확장도 CompactPCI에서는 표준에서 Host Processor를 포함하여 8개까지 사용할 수 있기 때문에 많은 I/O가 필요하게 되는 통신분야나 산업용 분야에서는 장점이 더욱 많은 것이다.

본서의 내용은 CompactPCI 규격의 설명에 머물지 않고, 시스템 구축에서 응용과 활용이 가능하도록 애드인 보드 설계와 제작에 이르까지 자세히 설명하고 있다.
제1장에서는 데스크탑 PC의 PCI 확장슬롯과 애드인 카드의 구조, 데이터 전송원리와 동작을 해설하고, 제2장에서는 CompactPCI 사양서를 토대로 Rack의 구조와 크기, 커넥터 규격과 시스템 구축에 필요한 제반 사항을 자세히 소개한다.
제3장에서는 CompactPCI의 Rack, 전원, CPU 카드 및 하드디스크, 애드인 카드, OS 등을 구비하여 실제의 구축 체험과 데스크탑용 PCI 에지카드를 CompactPCI 시스템 카드로 변환하는 어댑터 설계 제작도 소개하며, 제4장에서는 이 CompactPCI 시스템에 NI사의 데이터 수집 모듈(PXI 사양)과 제어 소프트웨어 LabVIEW를 이용하여 태양전지 방식의 수경재배(水耕栽培) 시스템을 구성하고, PC에서 계측하는 것을 가상하여, 시스템을 설계하고 테스트한 사례를 자세히 소개한다. NI사가 제창한 PXI는 CompactPCI를 계측 시스템용으로 확장한 것으로, 그 핀의 정의는 PICMG의 계측소위원회에 등록되어 있으며, PXI는 CompactPCI와의 상호 연관성이 확립된 오픈 사양으로 인정하고 있다.
제5장에서는 CompactPCI 애드인 보드의 설계와 제작에 도전한다. PCI 컨트롤러를 사용한 기판을 제작하고, 시스템에 내장하여 사용해 보도록 하는 것이 이 장의 목적이다. 그리고, PCI 컨러트롤러 제작에 필요한 Vantis사의 CPLD, MACH 개발도구도 소개한다. 마지막으로, 제6장에서는 CompactPCI 사양서의 주된 내용을 해설한다.

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주요 내용

PCI의 사양과 설계에 필요한 아키텍처 해설
■ PC 확장기판의 표준버스 PCI의 개요

PC 표준 버스로서의 PCI(Windows, Mac, Alpha PC 등)

PCI 사양 애드인 보드와 슬롯 형상, PCI 버스 신호핀의 명칭과 기능 분류

PCI 버스 신호선과 데이터 전송의 타이밍, Plug & Play와 컨피규레이션 레지스터

PCI 버스의 확장과 버스 브리지, PC의 메인보드에 있어서 PCI 아키텍처

내장형(embedded) 제어 시스템에 채택하는
■ 산업용 표준버스 Compact PCI 해설

산업용 시스템에 있어서의 표준 버스, Compact PCI 버스의 특징

Compact PCI와 카드에지 PCI의 비교(커넥터, Backplane 규격,슬롯수의 확장,주변장치 보드의 전기적 특성)

Compact PCI의 카드 사이즈, Compact PCI의 백플레인, Compact PCI의 커넥터 신호 배열

CompactPCI 규격 보드의 시장 상황, CompactPCI 평가 키트와 주요 시판 CPU 기판의 사양

[칼럼] 전송선로의 특성 임피던스란

Rack에서 기동하는 Windows 머신
■ CompactPCI 시스템의 구축 체험

CPU 기판의 구성, CompactPCI 시스템 랙의 선정, Power-ON, Windows 인스톨

PCI 확장카드를 CompactPCI 카드로 변환 설계법

CompactPCI 시스템과 LabVIEW에 의한
■ 수경재배(水耕栽培) 시스템의 계측

계측제어용 소프트웨어 LabVIEW의 개요, LabVIEW의 동작 플랫폼과 PXI(CompactPCI)

CompactPCI와 PXI의 관계, PXI-8155 시스템 컨트롤러와 주변 보드

데이터 수집 모듈 PXI-6070E, 수경재배 계측 시스템의 구성

DAQ(데이터 수집) 설정과 계측 VI의 구성

[Appendix] 센서류에 대하여, pH센서 PHE-78604, 일사(日射)센서의 원리

CPLD를 사용하여 간편하게 설계한다
■ PCI 애드인 보드의 설계와 제작에 도전

이제 만들어 사용하는 시대는 지났는가?, CompactPCI 테스트 기판

MACH465과 그 프로그래밍, PCI 컨트롤러의 설계

[Appendix] MACH 개발 툴의 제작과 개발 순서, ISP(In System Programming)와 ISP 케이블의 제작

Vantis Development Kit의 인스톨, ISP 기입 도구 [MACHPRO]의 인스톨

MACH ISP 개발의 순서(□ 소스파일의 작성, 컴파일, In System Programming

[칼럼] 논리식 파일의 쓰는 법

■ CompactPCI 사양서 주안점 해설

CompactPCI의 개요(CompactPCI 보드의 외형 사양, 프론트 패널, CompactPCI 시스템

CompactPCI Backplane(슬롯 간격, 슬롯의 명명, 버스 세그먼트)

CompactPCI 버스의 커넥터(J1 커넥터(3U/6U 보드), J2 커넥터(3U/6U 보드), J2~J5 커넥터(6U 보드)
버스 접속 리저브 핀, 비 버스 접속 리저브 핀,전원 핀, 5V와 3.3V PCI 키 기구

CompactPCI의 어댑터 보드(기판의 사이즈와 외형,3U 기판, 6U 기판)

신호의 터미네이션, peripheral board에서 신호 스타브(신호분기)의 길이에 관한 규정

시스템 보드의 부하, 주변보드의 PCI 클록 배선길이, 풀업 저항의 위치

커넥터 실드의 필요성, 프론트 패널 I/O의 권장 커넥터

백플레인의 설계 규칙,특성 임피던스, 8슬롯 백플레인의 종단, 클록 배선의 필요 조건, 신호 환경, IDSEL의 할당

REQ#/GNT#의 할당, PCI 인터럽트 결선, CompactPCI 신호의 추가

전원 공급, 전원 디커플링, PCI 클록 분배

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자료제공: 국제테크노정보연구소 http://www.ktechno.co.kr

[회로설계] IEEE 1394 해설과 보드설계

2007-11-06T13:18:45Z

리얼타임 전송이 가능한 초고속 인터페이스 규격

IEEE 1394 해설과 보드설계

(주)동역메카트로닉스연구소 기술분석팀 편저 B5/193P

IEEE 1394는 원래, 고속 HDD 인터페이스로서, 1987년 Apple사에서 FireWire라는 명칭으로 최초의 사양이 발표되었으며, 그후, IBM과 Sony가 가세하여 범용 인터페이스로서 IEEE1394 규격으로 정식 승인되었다.
IEEE 1394는 현행 100Mbps∼400Mbps, 앞으로 800Mbps, 1600Mbps라는 초고속 전송이 가능하며, Plug & Play, 화상과 음성이라고 하는 멀티미디어 데이터 전송을 위한 대역을 확보하여 리얼타임 전송을 가능하게 해주는 Isochronous 데이터 전송 기능을 가지고 있어서, PC에 탑재되어 있는 각종 장치를 비롯하여, HDD, CD-R/W 등의 주변기기, 디지털 비디오(DV) 카메라, VCR, 셋탑박스 등, 민수용을 비롯하여 TV 화상회의 시스템, 스캐너, 의료장비, 자동화 시스템, 항공, 선박 등, 전 산업분야의 초고속 동영상 전송부분에서 특히 두각을 나타내고 있다.
더구나, Microsoft사가 Windows98 세컨드에디션부터 DV 카메라와 SBP(Serial Bus Protocol)2를 지원하고, Apple사도 동일하게 DV와 SBP2를 지원하는 등, 충실한 드라이버와 애플리케이션을 제공함으로써 지금은 AV(Audio-Visual) 네트워크로서 디지털 AV기기에서 없어서는 안될 인터페이스로 되어 있다. 게다가, 1600Mbps까지 실현되면 PC의 주변뿐만 아니라, 내부 버스로서도 이용할 수 있게 될 것이다. 따라서, IEEE1394 초고속 시리얼 인터페이스는 컴퓨터와 가정 및 네트워크 산업분야에서 디지털화의 큰 변혁을 가져 올 것으로 기대되고 있다.

이와 같이, 본서에서는 동화상/음향장치와 같은 주변기기를 자유로이 접속할 수 있고, 초고속의 디지털 정보를 저장하거나 전송하는 범용의 최신 인터페이스 규격 IEEE 1394의 뛰어난 특징인 Bus Topology, Isochronous 전송, 멀티미디어 전송의 프로토콜 등에 대한 해설과, IEEE1394 인터페이스의 Add-in 보드 설계 사례를 소개한다.
설계 사례로서는, 첫째, 시중에서 여러 메이커로부터 발매되고 있는, PCI 버스를 탑재하고 있는 PC라면 고속 IEEE 1394 인터페이스로 변신이 가능한 OHCI(Open Host Controller Interface) 규격에 준거한 PCI 호스트 카드에 대하여, 설계에 필요한 디바이스(LSI), 회로도 공개와 해설 및 실제로 그 디바이스를 이용하여 설계한 PCI 카드의 사용법 등을 소개하고 있다.
둘째, IEEE 1394를 네트워크로서 응용하는 경우에 필요한 기술의 하나로, 광파이버에 의한 장거리 전송용 PCI Add-in board 시제품의 설계 사례를 철저하게 분석하여 깊은 해설과, 엔지니어가 여러 형태로 응용 가능하도록 완전한 회로도 공개, 및 설계/시험제작에 이르기까지 그 기법을 구체적으로 해설하고 있다.

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주요 내용

애플사의 FireWire가 규격의 시초
■ IEEE 1394 인터페이스의 개념

PC와 주변기기간의 IEEE 1394 인터페이스 개요

AV 기기와의 IEEE 1394 인터페이스 개요

홈 네트워크에 IEEE 1394 인터페이스의 응용

IEEE1394를 지원하는 각종 LSI의 사례

PC, AV, 주변기기를 접속하는 고속 데이터 전송규격
■ IEEE 1394 표준규격의 특징과 기능

고속 데이터 전송이 요구되는 기기간의 인터페이스

400Mbps까지의 데이터 전송에 대응한 인터페이스 규격

애플리케이션과 토폴러지(PC 내부의 각 디바이스의 동작, PC에 있어서 IEEE 1394의 위치, 데이터 전송속도가 다른 기기간의 접속)

CSR 아키텍처에 준거한 어드레싱

3개의 레이어를 가진 프로토콜 아키텍처(Transaction Layer, Link Layer, Physical Layer)

Transaction Layer의 동작

Link Layer의 동작(Asynchronous Sub-action, Isochronous Sub-action)

Link Layer와 Transaction Layer 상호 기본동작(써넣기 트랜잭션, 서브액션의 연결, busy 경우의 처리(Retry))

Isochronous 전송과 Asynchronous 전송에 대하여

Physical Layer의 구성과 동작(버스의 초기화, Tree의 식별, 자기 인식)

케이블과 커넥터의 규정

각종 패킷의 종류와 구조 해설(Phy Packet의 구조, Ack Packet의 구조, Primary Packet의 구조)

Gap의 종류와 타이밍에 대하여

종래 규격과 호환성을 유지하면서 성능을 향상시킨
■ IEEE 1394 확장규격의 내용과 기능

새로운 기기의 접속·제거시에 발생하는 Short Bus Reset

Arbitration-Bus 점유에 관한 효율화

서브액션 갭의 낭비를 없애는 Ack-Accelerated Arbitration

패킷의 리피트를 이용하여 버스의 효율화를 꾀하는 Fly-by concatenation

속도가 다른 패킷을 연결하기 위한 Multi-Speed Packet concatenation

Arbitration enhancement와 Cycle star

Port Disable, Suspend와 Resume 기능

Suspend connection의 확립

커넥터의 검출 방법(Connection Detect)

접속 ON/OFF에 의한 노이즈 대책(Connection debounce)

Gap count를 최적화하는 물리층의 Ping packet

접속하고 있지 않아도 디세이블 가능한 Port disable 기능

Asynchronous Stream의 전송

Priority arbitration

물리층의 검출에 필요한 Register Map

Phy-Link 인터페이스

확장 Phy Packet

종래의 PC를 고속 디지털 인터페이스 대응으로 변신시키는
■ OHCI 규격대응 IEEE 1394 PCI카드 설계

PC 확장용 PCI 버스 스롯틀(PC의 내부 구조, ISA 버스의 장래, PCI 보드의 장래)

IEEE1394 대응 PCI 카드의 사양(포트수, 전원용량, PCI 커넥터의 형상, 전송속도의 결정, 물리층용 LSI와 데이터 링크층용 LSI, PCI 버스 커넥터의 단자, IEEE1394 커넥터의 단자, 전원 커넥터)

물리층 Phy용 LSI μPD72850A의 구성과 내용(μPD72850A의 특징과 suspend/resume 기능, μPD72850A의 내부구성)

전원공급 상태를 설정하는 파워 클래스와 과전류 대책

Bus manager와 Isochronous resource manager의 경합 설정

물리층과 데이터링크층의 접속 설정

파워 세이브 동작의 설정

소비전력을 저감시키기 위한 입력과 노이즈 대책 부품

Link용 LSI μPD72862의 구성과 특징

power management의 설정

PCI 버스/카드버스의 설정

Phy-Link간 인터페이스의 설정

컨피규레이션용 EEPROM의 설정

Phy 레지스터의 액세스

Phy와 Link 일체의 LSI

PCI 규격의 버스 신호선과 드라이버 형식

PCI 버스의 동작

Plug & Play와 Configuration register의 설정

광파이버로 전송거리를 연장하는 IEEE1394 인터페이스
■ 장거리 전송용 PCI Add-in board 설계

IEEE 1394 버스를 이용한 네트워크 솔루션

IEEE 1394 리피터를 이용한 LAN 구축

광트랜시버 모듈과 케이블 및 커넥터에 대하여

장거리 대응을 위한 광트랜시버용 LSI

P1394b 규격에 대응한 신호

접속관리와 속도정보를 교환하는 TONE 신호

광캐리어 신호가 충분한지의 여부를 검출하는 SD 신호

광케이블이 접속되어 있는지를 검출하는 PLUG 신호

물리층용의 Phy 레지스터 설정

POF(plastic optical fiber)에 의한 광 리피터의 설계(리피터의 사양과 회로, 전원부의 구성, 트랜시버 모듈과의 접속, 수신측의 설정)

장거리 대응 PCI Add-in Card의 사양

장거리 대응 IEEE 1394 PCI 애드인 카드의 구성

Phy를 위한 레지스터 설정(레지스터 내용의 읽어내기, 레지스터 내용의 써넣기)

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[회로설계] 액정 디스플레이 시스템 설계

2007-11-06T13:13:38Z

TN·STN·TFT 모노/컬러 LCD 구동회로의 설계실무

액정 디스플레이 시스템 설계

(주)동역메카트로닉스연구소 기술분석팀 편저 B5/73P

액정(Liquid Crystal)은 고체와 액체의 중간 상태의 물질이라는 특징 이외에, 빛이 액정을 투과할 때, 액정분자의 배열 상태에 따라 그 광학적 특성이 변화하는 성질을 가지고 있다. 액정 디스플레이는 이 성질을 이용하여 액정의 분자 배열을 인위적으로 변화시켜, 빛의 통로를 제어함으로써 화상 표시를 실현한다.
이제는, CRT를 이용한 디스플레이 시대는 서서히 막을 내리고, 지금은 표시장치로 컬러 STN이나, TFT 액정 디스플레이를 도입하는 경우가 많아지고 있다. 얇고 가볍기 때문에 CRT 디스플레이 대신에 액정패널을 사용한 표시장치가 컴퓨터, 정보가전을 비롯하여 각종 산업기기에 널리 이용되고 있다.
TN, STN, TFT 액정의 구동방식의 차이에 따라 시스템 구성과 구동회로가 달라진다.

본서는 노트북 PC를 비롯한 산업용 기기의 표시장치에 적용되고 있는 각종 액정 디스플레이에 대한 구동회로의 기본 구성과 동작에 대하여 자세히 설명하고, 모노크로/컬러 액정 디스플레이 시스템을 설계하는데 있어서 핵심 포인트인 액정 디스플레이의 구동회로 설계를 위주로, 시제한 제품 사례를 철저하게 분석하여, 전자기술자가 여러 형태로 응용 가능하도록 완전한 회로도 공개와, 설계/시험제작에 이르기까지 그 기법을 구체적으로 해설하고 있는 실무서이다.

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주요 내용

모노크로 액정 디스플레이의 기본 성질과 구조
■ LCD의 표시원리와 구동 방법

TN(Twisted Nematic), STN(Super Twisted Nematic) 모드 LCD의 구조와 표시원리

액정 패널의 구조, 코먼 라인수의 콘트라스트에 대한 영향

액정 구동회로의 기본 동작: 온도 보상회로의 동작, 액정 구동회로의 전원과 교류화 회로의 동작, 전원 감시회로의 동작

액정 컨트롤러와 SRAM, 코먼 드라이버와 세그먼트 드라이버의 동작, RAM 내장 액정 모듈 드라이버 ML9050의 동작

백라이트(back-light)의 종류와 특징, 면광원으로 하기 위한 연구

STN,TFT 디스플레이의 기초지식과 최신 구동기술
■ 컬러 액정의 표시원리와 구동회로 설계

칼러 액정의 종류와 특징 및 디스플레이의 표시원리
STN 액정 디스플레이의 구동원리: 구조와 구동방식, 계조 방식
TFT 액정 디스플레이의 구동원리: 구조와 구동방식, 계조 방식
액정 디스플레이의 컬러화 기술
STN 액정 디스플레이의 구동회로 설계: 시스템 구성과 인터페이스, 주사 드라이버의 동작, 데이터 드라이버의 동작, 전원회로의 동작
TFT 액정 디스플레이의 구동회로 설계: 시스템 구성과 인터페이스, TFT 타이밍 컨버터(TCON), 데이터 드라이버, 주사 드라이버, 전원회로의 동작
액정 모니터 시스템: 전체의 구성과 인터페이스, 표시위치 조정과 페이즈 조정, 아날로그 인터페이스의 해상도 변환
향후의 TFT 액정 기술: 저온 폴리실리콘 TFT 액정, 디지털 PV(Packet Video) 링크

컬러 액정 신호처리용 원칩 IC로 구성하는
■ 컬러 TFT 액정 모니터의 설계와 시험제작

액정 표시 시스템의 기본 구성: 액정 표시 시스템을 구성하는 부품, 액정 시스템 특유의 비디오 신호처리
TFT 컬러 액정 신호처리용 IC의 인터페이스: 신호처리용 원칩 IC NJW1301의 기본 동작, 약전계에서도 안정된 동기신호의 생성, 코먼 전극 드라이버의 동작, 액정 인터페이스 회로, PWM 제어회로의 동작
원칩 IC NJW1301 주변의 회로 설계, 신호처리부의 회로 설계(콤퍼지트 신호 입력부, 아날로그 RGB 신호 입력부, 2차 미분처리 회로, APC 회로의 크리스털, 1H 반전처리)
액정 인터페이스부의 회로 설계, 동기신호의 입력, 인버터 회로부의 설계, 설계와 시험제작에 있어서 주의점

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[회로설계] 고밀도 실장기술 입문

2007-11-06T13:09:34Z

회로설계·PCB디자인·현장기술자를 위한 필수 입문서

고밀도 실장기술 입문

(주)동역메카트로닉스연구소 기술분석팀 편저 B5/190P

전자기기의 동향은, 오래 전부터 소형화, 박형화 경량화가 끝없이 계속 요구되어 왔고, 이에 따라, 부품의 파인피치(Fine Pitch), 고집적, 고밀도 실장화 요구는 현재에 머물기는커녕, 더욱 더 가속되고 있으며, 게다가 고성능, 고기능화하기 위해, 전자회로의 고속화 경향도 멈출 줄 모르고 높아지고 있다. 지금 마이크로프로세서의 동작속도는 이미 GHz대를 돌파한지 오래되었고, 통신속도 역시, 이제는 브로드밴드가 일반화되어 새로운 속도 향상을 목표로 하고 있다.
이 전자기기의 소형 박형화, 고속화를 실현하는데 있어서, 핵심기술의 하나가 바로 실장기술이다. 고밀도 실장을 실현하기 위해, 일반적으로 다층 인쇄회로기판(Multi-Layer PCB)을 이용한 실장기술을 채용하고 있는 경향이며, PCB 기술은 하루가 다르게 변할 정도로 역동적이다.
최근 이동통신기기와 디지털 가전시장을 중심으로 소형화, 박형화가 급격히 진행되면서 산업용기기, 사무용기기, 통신기기, 방송기기, 휴대형 컴퓨터 등, 여러 분야로 확산되고 있다. 특히, 최근에 마이크로 BGA(Ball Grid Array), TCP(Tape Carrier Package) 등의 CSP(Chip Size Package) 기술의 발전으로 이러한 칩을 실장할 수 있는 다층 인쇄회로기판에 대한 적층기술과 고밀도 표면실장기술이 주목받고 있어, 관심도 급속히 증가하고 있는 실정이다.
실장기술 부문은, 회사에 따라서는 제조 생산파트에 속해 있거나, 연구소 소속, 또는 독립된 조직으로 구성되어 있기도 하며, 전혀 실장기술 부문이 조직되어 있지 않는 등, 가지각색이다. 이것은 실장기술이 개발, 설계, 제조, 검사 등, 많은 부문에 관련되어 있으며, 더구나, 실장기술은 물리, 화학, 전자회로, 기계를 비롯한 많은 요소기술이 합성된 종합기술이기 때문이다.
이 때문에, 실장에 관한 전문서나 문헌 등에서도 열해석, 전송선로 해석, 기판 설계, 기판 제조, 시뮬레이션, 솔더링 등, 제각기 요소기술에 대해 쓰여진 것은 있어도, 실장 전체적인 기술에 대해 쓰여진 것은 의외로 없었다.
본서는 현재, 실장부문에 관련 또는 종사하는 초중급 엔지니어, 이제 실장부분에 입문하려는 사람을 비롯하여, 회로설계, PCB 디자인, 시제품 제작 및 제조분야에서, 자신의 전문분야 영역 밖이지만, 관련된 실장기술 분야의 지식을 이해하고 쉽게 받아들일 수 있도록 가급적 넓은 분야에 걸쳐서, 필수적이고 기초적인 사항과 노하우를, 많은 도면과 그림을 통해 직관적인 이해가 가능하도록 알기 쉽게 설명하고 있다.

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주요 내용

■ 실장기술의 기본지식과 도입 개념

실장의 의미와 전자기기에서 실장기술의 위치, 실장기술의 분류와 적용 테크닉, 시스템의 의미와 구성을 위한 실장 테크닉

SOC(System on Chip)와 SiP(System in Package) 기법, ASIC(Application Specific IC)의 설계와 실장 기법

IP(Intellectual Property)를 이용한 시스템 IC 설계, SOC 시대의 PCB 실장기술의 방향, 최신의 실장기술 정보

■ 전자부품의 고밀도 실장 테크닉

부품과 장치의 소형화 테크닉, 삽입부품, 표면실장 부품의 실장 테크닉

IC 패키지의 종류와 역할, IC 패키지의 기본 구조 해설, LSI의 패키지의 종류와 구조

IC 패키지의 표준화와 규격 및 단체, LSI 패키지의 형상과 배치에 의한 분류, CSP(Chip Size Package)와 기능성 패키지

인쇄회로 배선판(PWB, PCB)의 정의와 기술 변천, 개별부품의 소형화와 표면실장, 인쇄부품의 원리와 성형 기법

■ IC 칩의 고밀도 실장기술

SOC와 SiP의 비교와 실장 테크닉, HIC(Hybrid IC)의 구조와 제조 기법, MCM(Multi Chip Module)의 실장 기법

모듈의 고밀도 실장 테크닉, 베어칩과 KGD(Known Good Die)의 실장 테크닉, TAB(Tape Automated Bonding)와 FC(Flip Chip) 접속방식

범프(Bump)에 의한 접속 테크닉, 범프에 의한 다양한 접속 방식과 기법

고밀도화를 위한 3차원 실장 테크닉, 3차원 실장의 와이어 본딩(Wire bonding) 테크닉

■ 인쇄회로기판의 적층기술과 적용

인쇄회로기판의 기초지식, PWB(Printed Wiring Board)의 종류와 실장 테크닉, 다층기판의 제조기술과 공정

빌드업(Build-up) 기판의 제조기술과 공정, 플렉시블 배선기판(Flexible PWB)의 제조기술과 공정, 적층기판과 플렉시블 배선기판의 특징

빌드업 기판의 특징, 프린트 기판의 복합화 기법과 복합기판의 특징, 세라믹/메탈코어/글래스/멀티와이어 배선판의 특징

비아홀(Via Hole)의 장단점과 적용 테크닉, Via에 관련된 용어 해설, 빌드업 기판의 Via 구조와 적용 테크닉, 3차원 부품실장과 3차원 기판의 개념

■ PCB 제조/검사와 가공기술

솔더링 장치와 부품의 납땜 테크닉, Flow/Reflow Soldering의 온도제어와 납 공급 테크닉, 부품 실장기에 의한 실장 테크닉

각종 부품 실장에 의한 솔더링 순서, PCB 검사공정과 DFM(Design for Manufacturing), PCB 검사장치의 분류와 비접촉 검사

접촉검사의 종류와 Boundary Scan, 불량 판정에 의한 폐기와 Repair 처리 테크닉

PCB 제조/검사 관련 용어 해설(CAE, CAD/CAM, CAT, DFA, DFM, DFT), 작화장치와 Gerber 포맷, PCB의 절단과 외형 가공

■ 열 해석과 방열 설계

열의 발생과 전달 메커니즘, PCB의 열 전달 메커니즘, 열저항의 개념과 계산법, 방열기의 열저항 계산과 사례, 방열기(히트싱크)의 형상과 방열효과

팬(Pan)의 종류와 특징, 팬의 잡음과 먼지 대책, 케이스 내부의 공기 흐름과 최적한 방열 테크닉

특수한 냉각장치에 의한 방열 테크닉(수냉 방식, 히트파이프, 펠티에(Peltier) 소자)

PCB의 서멀비아(Thermal Via)에 의한 방열 대책, 열 해석 소프트웨어의 활용 테크닉

■ 트러블 대책과 시뮬레이션

고속회로의 노이즈 발생과 분포정수 회로, PCB 배선의 특성 임피던스 개념, 반사 노이즈의 발생 메커니즘, 반사 노이즈 방지를 위한 종단처리 테크닉

크로스토크(Cross-Talk)의 발생 메커니즘, 크로스토크 노이즈 대책 기법

Ground Bounds와 Simultaneous Switching Noise, 바이패스(Bypass condenser) 콘덴서의 동작원리

전자방사와 EMI (Electro Magnetic Interference), 전송선로 시뮬레이터와 필드솔버(Field Solver)

■ 실장을 고려한 회로 설계

솔더링 공정을 고려한 회로 설계, 실제 바이패스 콘덴서의 특성과 사용법, 바이패스 콘덴서의 실장상 주의, 기판, 패키지의 바이패스 콘덴서 동작과 사용법

버스 설계의 개념과 구상법, 패럴렐 버스(Parallel bus)의 버스폭, 패럴렐 버스의 스큐(Skew) 발생과 대책, 패럴렐 버스와 시리얼 버스의 전송속도

고속 시리얼 전송기술, 층간 크로스토크 노이즈 대책을 위한 설계 규칙, 프린트 배선판의 전기적 특성, 종단처리 위치와 테스트 패드(Test pad) 위치

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[회로설계] PCB 디자인의 EMC 설계

2007-11-06T13:06:01Z

전자환경 적합규정에 의한 패턴설계 지침서

PCB 디자인의 EMC 설계

MIPS Computer Systems사 몬트로스 원저

(주)동역메카트로닉스연구소 기술분석팀 편역 B5/240P

오늘날의 하이테크 전자기기는 초고속의 디지털 회로 부품을 탑재한 프린트 회로기판(PCB: Printed Circuit Board)으로 구성되어 있으며, 많은 각종 주변회로를 수반하고 있다. 이들은 국내 및 국제적인 EMC(Electromagnetic Compatibility) 적합 규격에 준하여 PCB를 디자인함으로써 지연, 반사, cross-talk 등에 의한 트러블이 없는 안정된 동작을 필요로 한다.
이 설계 지침서는 전자기기를 개발, 패턴 설계를 하는 엔지니어를 대상으로 하여, 북미를 비롯한 국제적 EMC 적합 설계를 목적으로, PCB의 바이패스와 디커플링 수법 및 클록회로, 상호접속, I/O 인터페이스 회로 등의 전자회로 전반에 걸쳐서 PCB 레이아웃 수법과 트레이스 배선에 관한 최신의 설계 기법을 명확하게 제시하고 있다.
본서는 이론에만 치우치지 않고 실무적인 내용을 겸비하고 있다. PCB상에서 EMC 대책 수법의 원리에 대한 설명부터 실제적인 설계 기법을 제시하고 있으며, 초보자부터 숙련자에 이르기까지 두루 커버하고 있다. 그리고, 단지 EMC 대책 기법뿐만 아니라, 고속 디지털 회로 기능을 실현하는데 있어서 고려해야 할 사항(예를 들면, 파형 일그러짐 방지를 위한 종단법 등)도 소개하고 있다.
그리고, 이 지침서는 전자기기 관련 회로설계 엔지니어, PCB 디자이너뿐만 아니라, 전기 기계설계, CAD/CAE, 엔지니어링, 제조시험, 제조 등의 분야에 종사하는 엔지니어에게도 큰 도움이 될 것으로 생각된다.

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주요 내용

■ PCB의 EMC 설계를 위한 기본지식과 세계의 규정 요구 조건

EMC 설계를 위한 기본적인 용어 정의, EMC와 프린트 회로기판

북미의 규정 요구조건, 세계적인 규정 요구조건, 기타 북미에 있어서 규제기관의 요구 조건

EMC에 관한 보충 정보

■ EMC를 고려한 PCB 설계의 기초

PCB의 적층 할당 방법, 2층기판의 레이아웃 기법, 2층기판의 구성법

4층기판의 레이아웃 기법, 6층기판의 레이아웃 기법, 6층기판의 구성법

8층기판의 레이아웃 기법, 8층기판의 구성법, 10층기판의 레이아웃 기법

RF 결합을 최소로 하기 위한 20H 규칙, PCB 패턴상의 그라운드 접속 방법

1점 그라운드 접속, 다점 그라운드 접속

그라운드와 신호의 루프, EMI 방사 저감을 위한 이미지 플레인, 적절한 부품 배치와 기능 분할법

RF 방사가 심한 고속의 논리 패밀리, PCB 내부의 신호 전달속도, 임계주파수(λ/20 파장)의 계산

■ 바이패스와 디커플링 회로의 배선 기법

콘덴서의 LCR에 의한 공진회로: 직렬공진회로의 구성, 병렬공진회로의 구성, 병렬 C-직렬 RL 공진회로의 구성

콘덴서의 물리적 특성, 콘덴서 값의 계산과 선택 방법, 병렬 콘덴서의 공진작용과 최적한 사용법

전원과 그라운드 플레인의 정전용량, 콘덴서의 리드 인덕턴스 영향과 대책

회로기판에 배치 방법: 전원 플레인의 배치, PCB상의 최적한 콘덴서 배치, PCB상의 최적한 벌크 콘덴서의 배치

■ 클록 회로의 트레이스 기법

클록 회로의 배치 방법, 클록회로의 국소화된 그라운드 플레인

트레이스의 임피던스 계산과 제어방법, 전달지연의 계산과 사례

용량성 부하의 영향과 대책, 클록회로의 디커플링 기법, 클록회로의 트레이스 길이

임피던스 정합과 반사 문제의 대책,

트레이스 길이의 계산 : 마이크로스트립의 트레이스 종단, 부하가 있는 스트립라인 트레이스의 종단

클록회로의 배선층: 클록 트레이서의 배선층, 외층의 마이크로스트립, 내층의 스트립라인, 층의 점프와 Via의 사용

보호 트레이스와 분류 트레이스, 크로스토크(cross-talk)의 발생과 방지 기법

트레이스의 종단 방법: 직렬 종단저항, 병렬 종단저항, 데브난 네트워크, RC 네트워크, 다이오드 네트워크

클록(발진)회로 부품의 트레이스 기법, 트레이스 분리와 3W 규칙

■ I/O 인터페이스 회로의 PCB 설계

I/O 회로의 분할 기법: 기능적 서브시스템, 조용한 영역(quiet area), 내부적인 방사 노이즈 결합

해자(垓字;moat)에 의한 절연과 분할 방법(해자에 의한 절연, 해자의 브리지-분할)

필터와 그라운드의 접속법, I/O 회로의 필터 사용법: I/O 커넥터에 있어서 바이패스 콘덴서, 데이터선 필터 입력에서의 바이패스 콘덴서, I/O 커넥터의 그라운드 접속법

로컬 에리어 네트워크 I/O의 레이아웃, 비디오 회로의 레이아웃 기법, 오디오 회로의 레이아웃 기법

안전규격에 의한 에너지 위험의 보호(퓨즈), 안전규격에 의한 연면거리와 공간거리

■ PCB의 정전기 방전에 대한 보호

PCB에서 정전기 방전(ESD)의 기초지식, PCB상에서 ESD 보호를 위한 설계 수법

일반적인 설계 수법, 불꽃 갭을 사용한 대책, 고전압 콘덴서에 의한 대책, 트랜조프TM를 사용한 대책, LC 필터에 의한 대책

ESD 보호를 위한 PCB 레이아웃 수법: 루프 면적을 최소로 한다, 보호 대역의 실시

■ 백 플레인과 도터 카드에서의 PCB 레이아웃 기법

back plane과 daughter card 설계의 기본, 트레이스와 분할 기법

60Ω과 100Ω 트레이스 임피던스의 예(4층기판의 사례, 임피던스의 선택 )

백 플레인의 구조, 도터 카드 설계항목의 기초지식: 전원 플레인의 순도, 평행 오버레이 트레이스의 신호품질, 임피던스 제어와 용량성의 부하, RF 전류의 기판간 결합

도터 카드의 카드 케이지에 대한 필드 이전 결합, 백 플레인의 층수 구성, 커넥터 슬롯의 수

백 플레인과 도터카드에 있어서 상호접속, 기구 및 케이블 접속과 트레이스 배선, 신호 트레이스의 배선 기법

트레이스 길이와 신호 종단, 트레이스의 크로스토크 방지, ground loop의 제어, 백 플레인의 그라운드 슬롯

■ 기타 EMC를 위한 PCB 설계 기법

코너의 트레이스 배선 기법, 페라이트 소자의 선택 방법, 히트싱크(heat sink)의 그라운드 접속

리튬 전지회로의 레이아웃, BNC 커넥터의 레이아웃, 필름을 위한 다층기판의 적층 구조와 검토

■ PCB 설계 수법의 요약과 국제적인 EMI 규격 한도값

분류 레벨의 정의, FCC/DOC의 에미션 한도값, 국제적인 에미션 한도값의 요약(샘플 리스트)

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자료제공: 국제테크노정보연구소 http://www.ktechno.co.kr