<마이크로컨트롤러(MCU)는 우리 일상생활의 밥솥에서부터 최첨단 자동차까지 그 쓰임새가 다양한 핵심적인 부품이다. 그렇다면 우리는 MCU의 어디까지 알고 있는 것일까. 단지 자신이 쓰고자 하는 시스템에 걸맞는 기본적인 스펙만을 따져 제품을 선택하는가. 또는 EEPROM을 MCU에 어떻게 연결하는지, MCU와 DSP의 차이점은 무엇인지, MCU 주변장치를 선택하는 기준은 무엇인지 궁금하지 않는가. e4ds 뉴스는 4회에 걸쳐 MCU Q&A를 연재한다. 평소에 궁금했던 점이나 간과했던 정보들이 제품 선택에 도움이 됐으면 한다.>


마사루 스가이(Masaru Sugai)
ST마이크로일렉트로닉스(www.st.com)

1회: MCU를 선택할 때 어떤 기준을 적용해야 하나요?
2회: EEPROM을 MCU에 어떻게 연결하나요?
3회: MCU와 DSP의 차이점은 무엇입니까?
4회: MCU 주변장치 부품 선택 가이드 - 전원




<QUESTION>
MCU를 사용하여 시스템을 개발하려고 합니다. MCU 회로를 설계하고 부품을 선택할 때 고려해야 할 중요한 사항은 무엇입니까?

<ANSWER>
다음과 같은 다양한 종류의 전원이 MCU에 적합하도록 설계되어 있습니다. (1) 버튼 배터리를 포함해 건식 배터리를 사용하는 전원. 이 전원은 우리에게 가장 친숙합니다. (2) 상용 100VAC 전원 소스를 AC/DC 변환하여 생성되는 전원. 많은 가전제품에 이용됩니다. (3) USB와 같은 또 다른 DC 전원 소스 전압을 DC-DC 변환하여 생성되는 전원이 있습니다. 최근에는 일부 무선 전원 시스템도 사용할 수 있습니다. 한 종류의 전원을 선택할 때는 이들 각각의 장단점을 고려해야 합니다.

MCU를 위한 전원은 다음과 같은 특성을 갖춰야 합니다.
(1) 낮은 잡음과 낮은 리플
(2) 안정적 전압
(3) 충분한 전류를 공급할 수 있는 능력

MCU를 사용하는 시스템의 경우 다음 사항을 고려해야 합니다.
(1) 저가격(운영비용 포함)
(2) 휴대성: 휴대형 또는 거치형
(3) 유지보수(내구성 및 비용 포함)

아래에서 보듯이 전원 유형에 관한 많은 글이 나와 있으므로, MCU의 관점에서 전원의 특성에 초점을 맞추어 설명하겠습니다.

DC-CC 컨버터 (http://ednjapan.com/edn/articles/1003/03/news103.html)
정전류 전원 소스 (http://ednjapan.com/edn/articles/1304/24/news008.html)
전원 회로 제어 모드: 전압 모드 제어, 전류 모드 제어 및 리플 제어 (http://ednjapan.com/edn/articles/1003/03/news120.html)



리플과 잡음

스위칭 레귤레이터를 사용할 경우 스위칭 동작이 리플을 발생시킬 수 있습니다. 또 상용 전원의 AC/DC 변환은 잔여 AC 성분으로 인해 리플을 발생시킬 수 있습니다. 이 밖에 배선은 안테나를 형성해 외부 잡음을 끌어들일 수 있습니다. 전원으로 USB를 사용하는 경우 USB에 연결된 PC가 잡음을 발생시킬 수 있습니다.

MCU의 규격 내에서 유지되는 리플의 크기는 MCU의 동작에 직접 영향을 미치지는 않지만 이들에 포함된 높은 주파수 성분이 잡음을 발생시킬 수 있습니다. 잡음은 MCU의 연산 오류를 초래하므로, MCU에 사용하는 전원은 리플과 잡음을 가능한 낮은 수준으로 감소시켜야 합니다. MCU 측에서는 디커플링 커패시터와 초크 코일을 사용하여 리플을 감소시키고 잡음 억제 기능을 향상시킵니다.


그림 1 MCU를 위한 전원(3단자 레귤레이터)

그림 1은 상용 전원 전압을 스텝다운 하는 트랜스포머와 전압을 안정화시키기 위해 3단자 레귤레이터를 사용하는 회로를 보여줍니다. 리플은 AC 전압 정류 후에도 남아 있을 수 있으므로 회로 상수(커패시터 값, 배선 패턴 등)를 설계할 경우 주의를 기울일 필요가 있습니다.

배터리는 가장 적은 양의 잡음을 갖는 전원 소스입니다. 배터리는 AC 성분이 없으며, 외부의 전기적 환경에 대한 연결도 없으므로 리플이나 잡음에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 반면 MCU에서 발생하는 잡음은 상대적으로 더 큽니다.

전압 안정성

배터리의 단점 중 하나는 에너지가 소비되면서 전압이 감소한다는 점입니다. 모든 MCU 규격은 동작 전압의 낮은 제한을 규정하고 있으며, 전원 전압이 지정된 범위를 벗어나면 동작이 보장되지 않습니다. DC 전원 전압이 상용 AC 전원으로부터 변환될 때 전압은 언제나 일정합니다. 또한 USB와 같은 일정한 DC 전압 소스로부터 생성되는 전압은 전압 감소에 대해 걱정할 필요가 없습니다.

배터리 전압 감소에 대한 방안으로 MCU는 자체적으로 전원 전압을 확인할 필요가 있으며, 전압이 감소될 때 외부(사용자)에 배터리를 교체하도록 디스플레이나 사운드를 통해 이를 알려주어야 합니다.

MCU는 전원 전압 모니터링 회로와 A-D 컨버터를 내장하고 있어 전원 전압을 항시 확인하므로 편리합니다.


그림 2 전원 모니터링 기법


또한 모든 전원은 우발적 사고(최악의 경우 전원 차단)로 인한 전압 강하의 영향을 받는다는 점에 주의하십시오. 이와 같은 우발적 사고에 대비해 보조 전원으로 연결하는 백업 전원 단자를 내장한 일부 MCU도 나와 있습니다. 사용자는 이러한 기능을 같은 목적으로 이용할 수 있습니다.

그림 2는 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics)의 STM32F 시리즈에 내장된 이와 같은 기능들을 보여줍니다. (1) PVD(프로그래머블 전압 검출기), (2) A-D 컨버터를 이용한 전원 검사 회로, 그리고 (3) 백업 단자 Vbat입니다.

전원 전류 용량

전류를 공급하는 전원의 용량이 충분하지 않으면, 대용량 전류가 흐를 때 전압이 떨어집니다. 전원의 출력 임피던스가 충분히 크지 않을 때 그와 같은 전압 강하가 발생합니다. MCU 사용자는 MCU의 최대 전류 소비를 계산하여 계산 결과와 일치하는 전원을 설계할 필요가 있습니다. USB2.0 표준은 최대 전류를 500mA로 지정하고 있습니다. MCU를 포함한 타겟 회로의 모든 전류 소비는 500mA 이하이어야 합니다.

(그러나 최근 USB PD(USB Power Delivery)라고 하는 새로운 USB 표준이 등장했습니다. 이 시스템은 USB 케이블을 통해서 전압이 20V일 때 최대 5A 전류를 공급합니다(5V일 때 최대 3A). http://ednjapan.com/edn/articles/1505/21/news019.html를 참조하십시오.)

배터리를 사용하는 경우 mAh 단위의 용량을 사용하여 배터리 수명을 계산할 필요가 있습니다. 대용량 배터리들—D 또는 C 및 AA 또는 AAA 배터리—는 작은 전류를 공급하면서 대용량 전류를 수용하는데 충분합니다.

최근 일부 새로운 가전제품은 무선 전원을 이용할 수 있습니다. 일반적으로 무선 전원은 비교적 작은 전류를 공급하므로 돌입 전류가 쉽게 전압 강하를 일으켜 MCU가 시동하지 못할 수 있습니다. 전원 회로를 설계할 때는 이러한 사항을 고려할 필요가 있습니다.

전원 용량을 계산할 때 다음 두 가지 사항에 주의하십시오.

(1) 돌입 전류(시작 전류)

전원이 켜지면, 즉시 큰 전류가 흐릅니다. 이러한 전류는 주로 전자 회로에 있는 커패시터 부품을 충전합니다. 전원이 꺼지면, 회로의 모든 커패시터가 방전됩니다. 전원이 켜질 때 모든 커패시터가 충전을 시작하므로 큰 전류가 발생됩니다. 커패시터가 충전되면 전류 값은 감소됩니다.

전원 용량을 설계할 때 돌입 전류를 무시하면, 큰 시작 전류로 인한 전압 강하로 MCU가 시동하지 못할 수 있습니다.

(2) MCU 이외의 회로에 있는 다른 부품에 의한 전류 소비

MCU 데이터시트에는 GPIO 인터페이스와 외부 회로를 흐르는 전류를 제외한, MCU만 흐르는 전류를 나타내는 전류 값이 나와 있습니다.

그러나 전원은 MCU를 흐르는 전류뿐 아니라 GPIO와 외부 회로를 통과하는 전체 전류를 수용해야 합니다. 따라서 사용자(설계자)는 시스템의 전체 전류의 최대 값을 고려해야 합니다.


그림 3 돌입 전류


설계시 발생하는 문제의 예

마지막으로 전원 관련 문제를 겪은 경험들을 알려 드립니다.

(1) 전원 IC에 대한 잘못된 회로 상수

그림 1에서 보듯이 3단자 레귤레이터와 같은 전원 IC는 커패시터를 필요로 합니다. 이 MCU 사용자는 MCU의 디커플링 커패시터에 대한 권장된 값을 사용했지만, 전원 IC에 대한 커패시터 값을 충분히 고려하지 않았습니다. 그 결과 MCU는 충분한 전압을 공급받지 못해 시동할 수가 없었습니다. 정확한 회로 상수를 얻으려면 반드시 MCU의 규격뿐 아니라 전원 IC의 규격도 읽어야 합니다.

(2) 너무 작은 전류 용량으로 MCU 시동

무선 전원 시스템을 개발했던 이 사용자는 시작 전류를 계산하는데 실수를 함으로써 MCU를 시동하기에는 너무 작은 전류 전원 용량이 발생됐습니다. 이 예는 그림 3에서 볼 수 있습니다. 내부 스텝다운 방법을 이용하는 MCU에서 내부 전압 안정화 커패시터를 사용하는 경우 이 커패시터의 충전 전류도 시작 전류에 포함됩니다. 이 사용자는 디커플링 커패시터의 충전 전류만 고려해 전원 용량을 계산했지만 실제 시작 전류가 설계된 값을 초과함으로써 허용 가능한 전압 강하를 넘어서 버렸습니다.