2층 PCB 기반 BLDC 모터 구동기설계에 관한 연구 = Module Design using 2-Layers PCB for an Automotive BLDC Motor Driver

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 4층 PCB로 설계된 BLDC(Brushless Direct Current) 모터 구동기(Motor Driver)를 2층 PCB로 대체 설계하였다. 4층 PCB의 기능적 특징을 2층 PCB가 대신하기 위해서는 4층 PCB의 좋은 여러 가지 특징에 대해 먼저 알아야 한다. 이 후 4층 PCB에 대응하여 2층 PCB로 설계할 경우 고려해야 할 사항이 필요하다. 이런 방법에 대한 체계적 접근을 위한 설계 방법을 만들고, 설계 방법에서 제안하는 내용에 따라 설계를 진행하였다. 본 논문에서 구현한 시스템은 자동차의 터보차저(Turbo Charger)를 구동하는 BLDC 모터 구동기 시스템이다. 이 시스템은 주변 온도가 100°C 가 넘는 엔진룸 내부에 장착되므로 설계시 이런 환경적 영향을 고려하여 발열문제(Thermal Problem), 전자파 장해(EMI), 신호 무결성(Signal Integrity), 전원 무결성(Power Integrity) 과 관련된 여러 항목을 고려해 설계하였으며, 성능을 검증하기 위하여 기존의 4층 PCB와 비교 분석하였다. 본 논문에서 제안한 방법으로 설계할 경우 4층 PCB를 대체할 수 있는 성능을 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper reports the PCB design method of a 2-layers PCB stack-up instead of a 4-layers PCB stack-up for a BLDC motor driver. PCB design methodology is suggested to protect a system from performance decline in design of a 2-layers PCB system compared with a 4-layers system. This system the circumferential temperature is affixed on the engine room inside which 100°C goes over. For keeping its performance, electrically qualifying design methods of signal integrity, power integrity and EMI problems are considered and are proven through their performances compared with 4-Layers PCB system. The simulated results of designed 2-layers module show the successful design of a 2-layers PCB BLDC motor drive without any module area penalty and performance degradation.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• Ⅱ. BLDC 모터의 특성 = 5
• 1. BLDC 모터 구성 = 5
• (1) BLDC 모터정의 = 5
• (2) BLDC 모터 구성요소 = 5
• 2. BLDC 모터 구조 및 제어 = 10
• (1) 회전자의 구조 = 10
• (2) 마그네트 = 12
• Ⅲ. 설계시 고려한 Thermal/EMI/SI/PI대책 = 15
• 1. 발열 문제(Thermal Problem) = 19
• 2. 전자파 장해(EMI) = 23
• (1) 차동 모드 잡음(Differential Mode Noise) = 24
• (2) 공통 모드 잡음(Common Mode Noise) = 25
• (3) 파장 길이(Wave Length (λ/20)) = 27
• 3. 전원 무결성(Power Integrity) = 28
• (1) 동시 스위칭 잡음 (Simultaneous Switching Noise) = 28
• (2) 접지 변동(Ground Bounce) = 29
• (3) 전원 / 접지 공진(Power / Ground Resonance) = 33
• 4. 신호 무결성(Signal Integrity) = 34
• (1) 혼신(Crosstalk) = 34
• (2) 임피던스(Impedance) = 35
• (3) 반사(Reflection) = 36
• (4) 종단(Termination) = 36
• Ⅳ. 설계의 적용 = 37
• 1. 발열 문제 (Thermal Problem) = 37
• 2. 전자파 장해(EMI) = 41
• (1) 차동 모드 잡음 (Differential Mode Noise) = 41
• (2) 공통 모드 잡음(Common Mode Noise) = 42
• (3) 파장 길이(Wave Length (λ/20)) = 45
• 3. 전원 무결성(Power Integrity) = 46
• (1) 동시 스위칭 잡음(SSN, Simultaneous Switching Noise) = 46
• (2) 접지 변동(Ground Bounce) = 47
• (3) 전원 / 접지 공진(Power / Ground Resonance) = 48
• 4. 신호 무결성(Signal Integrity) = 53
• (1) 혼신(Crosstalk) = 53
• (2) 임피던스(Impedance) = 53
• (3) 반사(Reflection) = 54
• (4) 종단(Termination) = 55
• Ⅴ. 실험 및 고찰 = 56
• 1. 비아 천공 전 모델의 시뮬레이션 결과 = 57
• 2. 비아 천공 후 모델의 시뮬레이션 결과 = 59
• 3. 적외선 카메라를 통한 측정 = 62
• (1) 적외선 카메라를 통한 측정 환경 및 조건 = 63
• (2) 동일 온도 조건에서 측정한 결과 = 65
• (3) 같은 파워 입력 조건에서 측정한 결과 = 67
• Ⅵ. 결론 = 71
• 참고문헌 = 73
• 기호 및 약어 설명 = 76
• abstract = 78