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IoT PCB 설계의 7가지 측면


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글/JOHN MCMILLAN, MENTOR GRAPHICS


어디에나 존재하는 IoT

IoT 기능을 포함하여 전자 제품을 설계하는 것은 더 이상 예외 사항이 아니라 기본적인 규칙이 되었다. IoT 기술은 수많은 전자 기기에 새로운 제품 범주를 탄생시킬 가능성을 열어줄 뿐만 아니라, 혁신가의 입장에서 소비자가 기존의 기술력이 없는 제품과 상호 작용하던 방식을 완전히 새로 고민하게 만드는 역할도 하고 있다.
유명 제작 업체부터 스타트업 업체 및 그 너머에 이르기까지, 첨단 기술 기기를 발명하고 기존 제품에 IoT 기능을 포함하여 피트니스 트래커(그림 1)부터 온도 조절 장치(그림 2)까지 재창조할 수 있는 기회가 무궁무진한 듯하다.

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[그림 1] IoT 웨어러블

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[그림 2] IoT 지원 온도 조절 장치

사무실에 출근해서 일을 하고 있는데 누군가가 자택 WiFi 네트워크에 연결되어 있는 IoT 영상 지원 초인종 버튼을 눌렀다고 가정하자. 스마트폰에 누군가가 초인종을 눌렀다는 알림이 수신되고, 곧바로 손님의 모습이 담긴 실시간 동영상 스트리밍에 액세스할 수 있다. 또 다른 예로, 이렇게 찾아온 손님과 직접 대화를 나눌 수 있다고 가정하자. 지금 다른 용무로 바쁘니 택배는 문 앞에 두라고 전하면서, 실제로 집안에 있는지 없는지는 아예 언급하지 않을 수도 있다.
사실 이런 기술에 굳이 상상력을 발휘할 필요가 없다. 지금도 이미 이용 가능한 기술이기 때문이다. IoT 지원 기기의 시장은 전례 없이 빠른 속도로 성장하고 있으며 사물, 시스템과 사람으로 이루어진 현실 세계를 서로 연결하고 있다. 사용자를 다른 사용자, 다른 기기는 물론 제조 업체와도 연결해줄 수 있는 제품이 대세로 자리 잡고 있다. 이제 우리는 자택 소파에 편안하게 앉은 채 음성 명령으로 조명을 켜고 끄거나 조도를 낮출 수 있다.
IoT 기기를 단순하고 사용이 간편한 모바일 앱으로 제어할 수 있으면 스마트 웨어러블, 문 잠금장치, 온도 조절 장치, 원하는 엔터테인먼트 제품 등 이외에도 무수히 많은 제품과 통신할 수 있다.
소비자에게 IoT 기기는 세련되고 단순해 보일 수 있지만, 사실 이런 장치는 개성이 뚜렷한 부품, 물리적 인터페이스, PCB와 Rigid-Flex 회로 등으로 구성되어 있으며 그에 따른 고유한 설계 및 레이아웃 문제점을 수반한다. IoT 제품이 고장을 일으키지 않고, 예기치 못한 지연이 발생하지 않으며 신뢰성, 제조 및 어셈블리 문제와 관련한 비용이 발생하지 않도록 보장하는 것이 무엇보다 중요하다. 최신 IoT 설계에는 레이아웃 이전과 이후의 시뮬레이션, 레이아웃 제약 사항 관리, 검증 등의 고급 기능을 포함한 PCB 설계 환경이 필요하다.
이 백서에서는 IoT PCB 설계에서 반드시 고려해야 하는 일곱 가지 설계 영역에 대해 다루었다.

(1) IoT 설계 도메인
아날로그(A) 및 디지털(D): IoT 설계에서는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 사실상 모든 아날로그 신호를 디지털 형식으로 처리, 저장하거나 마이크로프로세서에 전송한다. 이러한 변환기를 주로 A-D(A/D), D-A(D/A) 및 ADC(아날로그-디지털 변환기)라고 부른다. ADC는 혼성 신호 기기로 입력 전압 또는 전류 레벨을 디지털 형식으로 표현한 출력 데이터를 제공한다. 아날로그의 주된 장점은 제공하는 표현 형식이 무수히 많다는 것이다. 이에 반해, 디지털 형식의 경우 표현 가능한 형식의 수가 한정되어 있다. 따라서 전자 제품을 사용하여 아날로그 세상을 디지털 세상으로 변환하면 주변의 아날로그 세상과 상호작용할 수 있다.

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[그림 3] IoT 설계의 여러 가지 도메인

MEMS(초소형 전자기계 시스템) - MEMS는 초소형 센서 겸 액추에이터로, 요즘 IoT 설계에서 흔히 볼 수 있다. MEMS 센서는 액추에이터가 주어진 명령을 실행하는 동안 주변으로부터 정보를 수집한다. 걸음 수를 감지하는 피트니스 트래커부터 전화기 기울임을 감지하여 화면을 회전하는 스마트폰에 이르기까지, MEMS는 IoT 설계의 핵심적인 부품이라고 할 수 있다.
RF(무선 주파수) - 무선 모듈은 WiFi, Bluetooth® 또는 사용자 지정 프로토콜을 통해 IoT 기기를 클라우드에 연결한다. 애플리케이션의 요구 사항, 기술적 제약 사항 및 여러 가지 하드웨어와 소프트웨어 통합 요구 사항 등을 포함해 무선 연결을 위해서 여러 요인을 고려해야 한다. IoT 제품의 전력 소모량, 대역폭, 연결 및 처리량을 숙지하는 것은 각 장치의 무선 기술 요구 사항을 충족시키는 데 중요하다.

(2) IoT 기기의 형태와 적합성
IoT 설계는 꽤 복잡한 형태를 띨 수 있다. 따라서 제품의 소프트웨어, 네트워크 요소 및 PCB 프로토타입을 제작해야 한다. 대다수의 대량 생산 제품, 특히 휴먼 인터페이스 IoT 기기의 설계에서 중요한 요구 사항은 바로 폼 팩터이다. 피트니스 트래커가 무겁고 불편하거나, 심지어 패셔너블하지 않거나, 스마트 워치가 크고 버겁다거나, IoT 도어 잠금 장치 세트가 미적으로 잘 어울리지 않는다면 제품이 성공할 가능성은 낮다.
IoT 기기는 일반적으로 두 가지 방법 중 하나로 개발된다. 첫 번째 방법은 PoC(Proof-of-Concept) 프로토타입으로 제품을 탐색, 설계 및 개발하는 것이다. 프로토타입이 검증되면 기기를 소비자 친화적인 폼 팩터에 포장할 수 있는지 여부를 조사하여 시장 수요를 정량화하고, 시장 수요와 소비자 기준 소매 가격 요구 사항에 부합할 수 있는지 알아볼 수 있다.
두 번째 방법은 이미 자리를 잡은 기업체에서 흔히 택하는 방안이다. 이 경우 물리적인 설계 요구 사항부터 고민하기 시작한다. 예를 들어 IoT 웨어러블 기기의 경우, 크기와 무게가 최종 제품 모양과 전반적인 모양과 느낌을 유도한다. 즉, 제품의 실제 크기가 인체공학적으로 적합하지 않거나 소비자의 마음을 끌지 못한다면, 제품 제작 자체가 시작되지 않을 수 있다.

(3) IoT 설계 부품
IoT 기기를 제작할 때 중요한 단계 중 하나는 필요한 모든 부품을 연구 및 조사하여 선정하는 것이다. 아날로그/혼성 신호 IC, D/A-A/D 변환기, 센서, 액추에이터, MEMS 및 무선 모듈에 맞는 부품을 선정하는 것(그림 4)은 기능과 비용 측면에서 매우 중요하다. IoT 제품은 LED, 디스플레이, 카메라, 마이크 및 스피커 등 초소형 부품을 포함하는 경우가 많다. 또한 일반적으로 버튼, 스위치, 터치 센서 및 충전 포트와 같은 물리적 인터페이스 부품 등이 포함되기도 한다.
경우에 따라 리드 센서, 지문 감지기, 압력 센서(FSR) 및 유연성 센서와 같은 부품이 내장되는 IoT 기기도 있다. 유무선 충전식 배터리가 내장된 스마트폰이나 소형 웨어러블 기기와 같은 휴먼 인터페이스 기기(HID)는 저전력, 고효율이지만 다른 IoT 지원 기기 중 초인종이나 온도 조절 장치와 같이 예전에는 하이테크와 동떨어진 제품으로 취급되던 품목은 전력 공급원으로 기존 전기 배선을 활용한다.

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[그림 4] IoT 설계의 일반적 부품(예. Nest® 온도 조절 장치)

(4) 회로도 다이어그램에서 IoT 설계 의도 포착
IoT 부품 선정을 마친 후 심볼 라이브러리 생성을 완료하면 다음 단계는 회로도 다이어그램을 작성하여 다양한 부품 사이의 연결 관계를 정의하는 것이다. 설계 효율과 생산성을 달성하기 위해 회로도 작성 시 부품 출처 및 비용에 대한 부품 관리가 포함되어야 한다.
설계의 신호 무결성을 보장하고 물리적 특성 요구 사항에 부합하려면 회로도 설계 환경(그림 5) 내에서 직접 아날로그/혼성 신호 회로 분석과 레이아웃 이전 신호 무결성 분석을 할 수 있어야 하므로 이 요소가 매우 중요하다.

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[그림 5] 완전 통합형 회로도 설계 환경

(5) IoT 설계의 시뮬레이션, 검증, 전력 및 메모리 문제 해결
IoT 설계에는 아날로그/혼성 신호(AMS)가 포함되어 있다. AMS 회로의 고성능은 설계 단계에서 혼합 기술 회로에 대한 모델 기반 AMS 설계, 시뮬레이션 및 분석을 통해 달성된다(그림 6). DC 동작점, 시간 영역 및 주파수 영역 분석부터 Parametric Sweep, 감도, 몬테카를로(Monte Carlo) 및 최악의 사례 조사에 이르기까지 AMS 회로의 동작 확인, 시나리오 탐색 및 부품 최적화는 설계 의도, 성능, IoT 설계의 신뢰성 등이 포함된다.
IoT 설계는 대기, 송/수신, 감지, 재충전 등 여러 모드에서 동작하는 것이 일반적이라는 면에서 특히 독보적이다. 따라서 각 모드는 물론 한 모드에서 다른 모드로 전환할 때의 기능 검증을 구체적으로 지정하여 확인해야 한다. 예를 들어, 트랜지스터 레벨 시뮬레이션을 실시해야 기본 탑재된 아날로그- 디지털 변환기(ADC)가 지정된 온도 범위에서 올바르게 작동하는지 검증할 수 있다. IoT 설계의 레이아웃 이전 시뮬레이션을 실시하고 레이아웃 이후 검증을 계획해야 제품이 정해진 기능적 요구 사항에 모두 부합하는지 확인할 수 있다.

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[그림 6] AMS 시뮬레이션과 분석 환경

오늘날 가장 인기 있는 IoT 기기 중 대부분은 소형 웨어러블 제품이다. 이런 제품은 크기가 작고 가벼우며 전력 효율이 극히 높아야 한다. 배터리 수명을 최대한 보전하기 위해 한 모드에서 다른 모드로 전환할 때마다 전력 소모량이 조정되어야 하며, 이로써 충전 간격을 줄일 수 있다. 중요한 공급 넷(net)에서 전압 손실로 인한 제품 오작동 또는 고장을 예방하려면 레이아웃 단계에서 전원 무결성을 분석하는 것이 매우 중요하다. 예기치 못하거나 예측할 수 없는 회로 작동은 전력 전달 문제로 인해 발생할 수도 있다.
IC로 전달되는 전력에 결함이 없고 우수한 효율성을 보장하려면 제품 제작 프로세스 초반부터 전류 밀도가 과도한 부위를 찾아 문제를 해결하는 것이 중요하다. IoT 제품은 DRAM과 플래시 메모리에 연결되는 첨단 마이크로프로세서를 사용한다. 손실(lossy) 전송 선로, 반사, 임피던스 변화, 바이어 효과, ISI, 누화, 타이밍 지연 등과 같은 보드 레벨 효과도 감안하려면 좀 더 상세한 시뮬레이션을 실시하여 메모리 인터페이스에 대한 종합적인 관점을 제공해야 한다.

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[그림 7] 고급 제약 사항 관리

메모리 연결을 정확하게 제약하고 라우팅하는 기능이 뒷받침되어야 DDR 기반 설계의 설계 시간과 디버깅 사이클을 줄일 수 있다. 고급 제약 사항 관리(그림 7) 및 고급 DDR 라우팅(그림 8)을 포함한 PCB 레이아웃 기능을 사용하면 고속, 고대역 트레이스를 빠르고 정확하게 라우팅할 수 있다.

(6) PCB 레이아웃
IoT 설계, 그 중에서도 특히 웨어러블 기기와 같은 소비자 제품은 미리 정의되고 시장성이 있는 폼 팩터가 좌우한다. 이는 대체로 3D MCAD 툴을 사용하여 설계하게 된다. 디자인이 제품의 모든 물리적 요구 사항을 충족시키는 지 확인하려면 배선이나 플레인 형상을 채우기 전에 보드를 3D로 둘러 볼 수 있어야 한다. PCB 아웃라인 외에 제품의 사용 환경이나 유연성과 같은 다른 요인도 고려해야 한다. 다음은 그러한 요인 중 일부이다.

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[그림 8] 제약 사항 기반 인터랙티브 라우팅

① 부품 배치 - IoT 회로도 설계가 완료되고 보드 아웃라인(고정된 물리적 인터페이스 부품 위치, 마운팅 홀, 컷 아웃 등)을 레이아웃 환경에 가져온 뒤에는 부품 배치가 빠르고 쉽게 이루어져야 한다. 이때 회로도와 레이아웃 사이의 양방향 교차 검증을 실시하면 큰 도움이 된다. 배치 형태가 설계 제약 사항에 부합하는지 확인하면서 부품을 2D나 3D로 배치하는 기능은 설계 시간 절약 및 설계 규칙 위반을 방지할 수 있다.
② 제약 사항 관리 - 부품은 PCB 설계의 기본 요소, 일명 ‘빌딩 블록’으로 불립니다. 그러니 이와 같은 블록의 연결 형태를 일종의 모르타르라고 생각하시면 된다. 통합형 제약 사항 관리 기능을 사용하여 설계 플로우 전체에 걸쳐 미리 정의된 전기적 제약 사항을 전파하면 넷(net) 클래스와 그룹을 제어하고 핀 페어(pin pair)를 정의하는 등 다방면으로 도움이 된다. 계층적 규칙을 사용하면 제약 사항을 중첩하여 보다 효율적으로 라우팅을 제어할 수 있으며, 라우팅이 고속 성능 규칙을 충족하는지 확인하고 길이 일치, 차동 쌍, 최대/최소 길이 및 그 외 여러 가지 요소에 대한 고속 규칙을 정의하는 데 유용한다.
③ 2D/3D 레이아웃 - 폼 팩터 제약 사항이 엄격하고 복잡한 어셈블리 절차를 거쳐야 하는 IoT 제품을 설계할 때 설계를 상세한 3D 물리적 레이아웃 환경에서 전개하여 탐색해볼 수 있으면 크게 유리하다. 배치와 동적 설계 규칙 검사(DRC) 과정을 진행하며 사진에 가까운 리얼한 3D 시각화 기능을 이용하면 레이아웃의 자동 오류 제거(correct by construction)를 보장할 수 있다. 부품의 정확한 STEP 모델을 제작하면 최종 제품의 장착 조건과 간격이 제품 사양에 부합하는지 육안으로 확인할 수 있다. 또한 IoT 제품의 기구적 인클로저를 3D 뷰로 가져올 수 있어 설계자가 최종 어셈블리를 사진에 가까운 리얼한 이미지로 볼 수 있기 때문에 올바른 장착 상태를 보장하고 상충을 피할 수 있다.
④ IoT 설계의 Rigid-flex 회로 - 요즘은 거의 모든 종류의 전자 제품에 Flex 및 Rigid-flex(그림 9) PCB가 내장된다. IoT 설계에도 이런 PCB가 필요한 경우가 많다.

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[그림 9] Rigid-flex 회로를 3D 및 2D 환경에서 표현

3D 검증을 통하면 밴드가 올바른 위치에 배치되도록 할 수 있고, 부품이 접히는 부분(folding)에 방해가 되지 않는지 확인할 수 있다. 특히 이런 설계에서는 플렉스 밴드를 관리하고 플렉스 레이어에 부품 배치, 플렉스 라우팅 및 플레인 형상 채우기 등을 관리하는 것이 매우 중요하다. Rigid-flex 회로를 사용하여 설계 초반에는 물론 설계 단계를 진행하는 동안 IoT 설계 시각화에 드는 값 비싼 재 설계 작업을 예방할 수 있다.
또한 Rigid-flex 설계를 MCAD에 3D 솔리드 모델로 내보내면 ECAD와 MCAD 도메인 간의 효율적인 양방향 협업이 촉진되므로, 제조(DFM)와 어셈블리(DFMA) 관련 문제가 발생하지 않도록 방지할 수도 있다.
⑤ IoT 설계 테스트 - IoT 제품은 저전력이며 신기술에 맞춰 빠른 속도로 적응할 수 있는 테스트 플랫폼이 필요하다. 무선 IoT 제품에 필요한 네 가지 주요 테스트 항목은 범위, 배터리 수명, 상호 운용성과 응답 시간이다. 예를 들어 Bluetooth® 기술을 활용하는 기기는 Wi-Fi 기술을 이용하는 기기에 비해 주파수 범위가 짧을 것이다. 배터리로 구동되는 IoT 기기의 경우 여러 모드에서 배터리 수명이 충분히 유지될 수 있도록 현실적인 시나리오에서 기기의 전력 소비를 측정해야 한다.

(7) IoT 설계의 제조와 어셈블리
IoT 제품이 제조 및 조립용으로 설계되었는지 확인하는 것은 제품 설계 과정 전체에서 고려되어야 한다.
예를 들어, DFT(Design for Test)는 베어 보드(bare-board)의 관점에서 설계의 테스트 가능성을 제공하여 단락을 비롯한 기타 제조 결함을 확인할 수 있다. 이와 마찬가지로, DFMA(Design for Manufacturability and Assembly) 분석을 수행하면 솔더 들뜸(슬리버 문제) 및 솔더 마스크에 의한 의도치 않은 동박 노출 등과 같은 문제를 파악하여 제조에 앞서 시정하는 데 도움이 된다.
주요 전자 제품 제조업체부터 유명 제조업체에 이르기까지, IoT 설계는 복잡한 프로세스일 수 있다. 따라서 단기간 내 프로토타입 제작이나 대량 생산 과정을 절약하는 것만으로 수익에 영향을 미치거나 예산 범위에 맞추는 등 파급력이 발생한다. DFMA 분석, 판넬 처리 및 ODB ++ 제작 데이터 교환 플로우와 같은 제조 기능을 지원하는 레이아웃 툴로 작업하면 지연과 비용이 많이 드는 리-스핀을 일으킬 수 있는 문제를 식별하여 비용을 높이거나 생산량을 낮추는 문제를 방지할 수 있다.

요약

IoT 기기는 소비자, 자동차, 의료, 산업, 군수 등 이외에도 무수히 많은 업종에서 사용할 용도로 설계되고 있으며 활약 범위도 계속 확장되고 있다. 따라서 신호와 전력 요구 사항 및 전원 무결성을 고려하는 것이 IoT 제품 설계와 분석 방법의 일부가 되어야 한다. 지난 십 년간 IoT 기기가 폭증했으며 앞으로도 신제품과 기존 제품 부문에서 IoT 지원 기기의 성장이 전망되기 때문에 제품의 성공을 원한다면 출시 기간, 쾌속 프로토타이핑 및 대량 생산을 위한 설계 등이 필수 고려 사항이 되어야 한다.
PADS® 제품 제작 플랫폼은 기술적인 IoT 설계 문제를 해결하는 데 필요한 툴과 힘을 제공하여 이러한 문제를 직접 해결해 준다. 촉박한 설계 일정을 맞추어 경쟁사보다 앞서 가라. 지금뿐만 아니라 앞으로 생겨날 여러 가지 복잡한 IoT 설계 문제까지도 해결할 수 있는 올바른 툴을 확보했다는 사실만으로 든든한 자신감을 선사할 것이다. Rigid-flex 지원이 필요한 IoT 설계의 경우, Xpedition®을 추천한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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