마이크로 컨트롤러 개발 기판을 단일 기판 컴퓨터로 사용

반도체 제조업체는 평가 기판 및 데모 기판과 같은 개발 기판이 탑재된 마이크로 컨트롤러를 지원합니다. 이 기판은 엔지니어가 대상 마이크로 컨트롤러를 먼저 익힌 다음 마이크로 컨트롤러 하드웨어 및 펌웨어 개발을 지원할 수 있도록 돕기 위해 고안되었습니다. 기판은 헤더 커넥터를 통해 범용 입/출력(GPIO)을 제공하는 가장 간단한 기판부터 키패드와 LCD 디스플레이를 탑재한 정교한 기판까지 다양합니다. 다양한 개발 기판이 출시되면서 일부 엔지니어는 산업 응용 분야에서 사용하기 위해 기판을 대량으로 구매하기도 합니다.

하지만 산업용 품질 단일 기판 컴퓨터(SBC)와 달리 개발 기판은 산업 환경에서 연속으로 사용할 수 있다는 것을 보증하기 위한 엄격한 제조업체 품질 보증(QA) 테스트를 거치지 않는 경우도 있습니다. 개발 기판은 일반적으로 습도가 낮은 실내 온도에서만 QA를 받습니다. 따라서 연속 사용이 필요한 응용 분야에서 신뢰성 및 적합성이 문제될 수 있습니다. 개발 기판은 산업용 또는 산업용으로 고안되고 테스트를 거친 QA 검증 반도체 및 하드웨어 부품을 사용하지만, 엔지니어는 개발 기판과 산업용 SBC의 구체적인 차이점을 이해해야 하며, 연속 사용을 위해 기판을 승인하기 전 엔지니어가 어느 정도의 테스트를 실시해야 하는지 이해해야 합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 이 기사에서는 이러한 기판의 제한 사항, 대상 응용 분야에 대한 적합성을 적절히 확인하는 방법, 연속 응용 분야에 사용하기 위해 개발 기판을 선택할 때 엔지니어가 고려해야 하는 문제를 살펴봅니다. 그런 다음 STMicroelectronics 및 Infineon Technologies의 두 개발 기판을 검토하고 두 기판이 연속 사용 응용 분야에 얼마나 적합한지를 살펴봅니다.

산업용 SBC 품질 보증

기성 산업용 SBC는 산업용 전기 기계 장비를 제어하고 사물 인터넷(IoT) 및 산업용 IoT(IIoT) 노드를 관리하는 가장 인기 있는 방법입니다. SBC는 이미 테스트를 거친 부품으로 채워져 있으며 완벽한 사용 설명서를 제공합니다. 맞춤 설계된 SBC는 필요한 기능을 제공하는 적절한 가격대의 기성 SBC가 없고 볼륨이 매우 큰 경우에 선택할 수 있습니다. 하지만 이미 테스트를 거친 기성 솔루션이 개발 시간과 출시 시간을 단축할 수 있다는 점에서 맞춤형 SBC보다 우수할 수도 있습니다.

SBC 제조업체는 생산을 위해 설계를 발표하기 이전에 새로운 기판에 대해 길고 엄격한 품질 제어 테스트를 실시합니다. 산업용으로 특별히 고안된 SBC는 대상 응용 분야에서 안정적으로 작동할 수 있는지 확인하기 위해 엄격한 품질 제어 테스트를 받습니다. -40°C ~ +85°C에서 평가되는 일반 산업 응용 분야의 경우 초과 온도에서 평가되는 산업용 반도체 및 하드웨어가 선택됩니다. 부품은 정격 온도 범위 이상에서도 작동하는 소재로 된 pc 기판에 실장됩니다. 일부 응용 분야에서는 습도, 먼지, 주위 입자, 화학 유출물로부터 기판을 보호하기 위해 SBC에 컨포멀 코팅을 적용할 수 있습니다.

새로운 산업용 SBC의 초기 QA에는 전류와 전압의 전기 등급 상한과 하한을 확인하는 벤치 테스트가 포함됩니다. 이 기본 테스트를 마친 다음 새 SBC는 전면적이고 긴 QA를 실시하며, 발열 및 냉각 상태의 대상 극한 온도와 극한 조건의 습도 및 진동 상황에서 완벽하게 작동하는지 테스트합니다. 또한 새로운 산업용 SBC 제조업체는 극한 상황에서 며칠 동안 검사하는 스트레스 테스트를 실시할 수 있습니다. 정도에 상관없이 모든 실패를 기록하고 원인을 열심히 추적합니다. 테스트에 실패할 경우 부품을 교체하거나 SBC를 다시 설계해야 할 수 있습니다. QA 테스트는 몇 주 또는 몇 개월이 소요될 수 있습니다. SBC 설계가 적격한 것으로 확인된 경우에만 제조업체는 최종적으로 기판을 생산합니다. 현재 생산 중인 각 개별 SBC는 생산 라인을 마칠 때 일반적으로 1분 미만의 간이 테스트를 실시합니다.

SBC를 생산 단계로 전환한 이후에도 테스트는 중단되지 않습니다. 산업용 SBC 제조업체는 분기 또는 1년 단위로 생산된 SBC를 임의로 선별한 후 전체 QA를 실시하여 품질이 유지되고 있는지 확인합니다.

종종 이러한 QA 결과가 고객에게 제공되기도 합니다. 또한 SBC 제조업체는 기판 부품 교체 등 변경이 있을 때마다 엔지니어링 변경 알림(ECN)을 SBC 고객에게 보냅니다.

마이크로 컨트롤러 개발 기판

마이크로 컨트롤러를 지원하는 데 사용되는 개발 기판은 마이크로 컨트롤러 제조업체와 타사 도구 제공업체 모두에서 제공됩니다. 평가 기판은 일반적으로 마이크로 컨트롤러를 조사하고 기본 작동을 검사하는 데 사용되는 간단한 기판입니다. “데모” 기판은 마이크로 컨트롤러의 작동을 보여주며 깜박이는 LED, 스위치, LCD 디스플레이 등이 탑재되어 더 정교해질 수 있습니다. 개발 기판은 하드웨어 및 펌웨어 개발에 사용됩니다.

실제로 평가, 데모 및 개발이라는 이름은 표준화된 것이 아니며 기판의 대상 용도가 많이 겹칩니다. 기판의 이름은 기판의 기능보다 덜 중요하며, "개발 기판"이라는 용어로 모든 기판을 총괄하더라도 크게 혼동되지 않습니다.

산업용으로 테스트 중인 개발 기판

마이크로 제조업체에서 출시되거나 타사에서 공급하는 개발 기판은 산업용 SBC보다 테스트가 엄격하지 않습니다. 부품은 일반적으로 상업용이지만, 일부 기판에는 산업용 부품이 포함되어 있습니다. 개발 기판은 실내 온도에서만 작동하도록 설계되었습니다. 개발 기판의 첫 번째 시제품은 며칠 또는 몇 주 동안 실내 온도 테스트를 실시하지만, 제조업체에 따라 크게 차이가 납니다. 개발 기판에 대한 유일한 대상 품질 요구 사항은 실내 온도에서 작동하는 것입니다. 기판이 극한 온도, 높은 습도, 진동 또는 충격 조건에서 테스트되지 않았다고 간주해도 무방합니다.

산업 응용 분야에서 사용할 개발 기판을 결정할 때 가장 중요한 목적은 위험을 줄이는 것입니다. 따라서 기판 제조업체, 특히 제조업체의 단종(EOL) 정책과 개발 기판 관련 이력을 먼저 조사해야 합니다. EOL 정책으로 인해 기판이 단종될 수 있으므로 엔지니어는 완벽하지 않는 한 기판을 대량 구매해서는 안 됩니다. 제조업체에 개발 기판 생산이 유지된 이력이 있는 경우 안심하고 소싱해도 됩니다. 하지만 제조업체가 그런 기판을 주기적으로 단종한 이력이 있는 경우 해당 제조업체로부터 소싱하는 것은 너무 위험합니다.

산업 응용 분야에서 개발 기판을 사용할지 여부를 결정할 때 기판의 부품을 조사하여 부품이 대상 응용 분야에 적합한 온도 등급인지 확인하십시오. 산업 환경에 기판 작업자가 상주해 있다면 상업용 부품이 응용 제품에 적합할 수 있습니다. 커넥터 또는 다른 연결된 하드웨어 부품을 조사하여 단단히 실장되어 있는지 확인해야 합니다. 납땜되지 않은 나사는 스크루드라이버로 살짝 돌려서 확인해야 합니다. 나사가 심하게 움직일 경우 주의해야 하며 일관되지 않은 QA 공정을 나타낼 수 있습니다.

기판 부품과 구조가 허용되는 경우 며칠 동안 고온 조건에서 기판 응력 테스트를 세 번 이상 동시에 실시하는 것이 좋습니다. 생산 일관성에 대한 좋은 결과를 얻으려면 시간의 경과에 따라 각 테스트 기판을 별도로 구매하여 다양한 기판 생산 로트를 샘플링해야 합니다. 하나라도 실패한다면 잘못된 것입니다. 제조업체에서 이러한 실패를 예외로서 적절히 설명할 수 없다면 다른 개발 기판을 선택해야 합니다.

습도가 높은 환경에서 기판을 사용하려면 적절한 습도의 환경에서 기판을 테스트해야 합니다. 개발 기판은 높은 습도에서 사용하도록 설계되지 않았습니다. 습도로부터 보호하기 위해 pc 기판에 컨포멀 코팅을 적용할 수 있습니다. 단, 코팅 시 커넥터와 전기 접점을 신중하게 보호해야 합니다.

또한 제조업체에 문의하여, 기판에 변경 사항이 있을 경우 제조업체가 ECN를 보내는지 확인하십시오. 개발 기판의 경우 ECN을 보내지 않는 경우가 대부분이므로, 안전을 위해, 구매한 기판을 받으면 항상 부품 변경 사항이 있는지 육안으로 검사해야 합니다.

진동이 심한 환경에서 기판을 사용하려면 기판을 테스트 프레임에 실장하고 진동 테스트를 실시해야 합니다. 테스트를 마치면 균열 또는 변형이 있는지 육안으로 검사해야 합니다. 실장된 나사 및 탭이 움직이는지 확인해야 합니다. 실패 또는 결함은 옳지 않으며 해당 기판은 고려 대상에서 제외해야 합니다.

연속 사용을 위한 개발 기판

다음은 연속 사용 산업 응용 분야에 적합한 개발 기판의 두 가지 예입니다. 제조업체는 산업 환경에서 연속 사용하도록 기판을 인증하지 않았습니다. 기판이 특정 최종 응용 분야에 적합한지 테스트하는 것은 엔지니어의 책임입니다.

널리 사용되는 Arduino 폼 팩터는 제조업체의 기판에서 많은 파생 제품을 생성했습니다. 예를 들어 STMicroelectronics의 NUCLEO-L4P5ZG는 Arm® Cortex®-M4 마이크로 컨트롤러를 기반으로 합니다. 기판 레이아웃 개요는 많은 특징을 보여줍니다(그림 1). NUCLEO-L4P5ZG에는 마이크로 컨트롤러의 모든 GPIO를 응용 분야에 사용할 수 있도록 해주는 헤더 커넥터 세트가 있습니다.

그림 1: STMicroelectronics NUCLEO-L4P5ZG는 모든 GPIO 핀아웃을 헤더 커넥터로 가져오는 기본 개발 기판 기능을 지원하는 Arduino 호환 Nucleo 기판이며, 세 개의 사용자 프로그래밍 가능 LED, 사용자 푸시 버튼 및 리셋 버튼이 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

NUCLEO-L4P5ZG의 중요한 이점은 GPIO가 STMicroelectronics의 여러 Arduino 호환 Nucleo 기판 라인과 호환된다는 점입니다. 즉, 제품이 단종될 경우 호환되는 Nucleo 2차 소스 제품으로 교체할 수 있습니다. 이 기판에는 세 개의 LED, 푸시 버튼(펌웨어 컨트롤 아래) 및 하드와이어 리셋 버튼이 있습니다. LED는 간단한 상태를 표시하며, 하드 리셋 버튼을 사용하면 펌웨어 잠금으로부터 기판을 신속하게 복구할 수 있습니다. 펌웨어 컨트롤 아래에 USB OTG(On-The-Go) 최고 속도 커넥터가 있고 프로그래밍 및 디버깅을 위한 micro USB 커넥터가 있습니다. 흰색 pc 기판은 고온 환경에서 열을 쉽게 방출합니다. NUCLEO-L4P5ZG는 센서, 스위치, 액추에이터 등을 사용하여 I/O를 관리해야 하는 응용 분야에 적합합니다.

가능한 응용 분야에 사용하는 데 적합한 개발 기판의 다른 예로는 Infineon Technologies KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax 키트가 있습니다. 이 기판은 Arm Cortex-M4를 기반으로 하며 헤더 커넥터가 없는 전체 Arduino 패드 세트를 포함합니다(그림 2). Relax 키트는 이더넷 네트워킹용 RJ45 커넥터를 탑재한 기본 IIoT 노드 또는 네트워크 응용 분야에 적합합니다. 이 키트에는 푸시 버튼 2개, LED 2개(펌웨어 컨트롤 아래), 리셋 버튼 1개가 있습니다.

그림 2: Infineon Technologies KITXMC47RELAXV1TOBO1 Relax 키트의 모든 GPIO는 pc 기판 접점 구멍으로 풀아웃됩니다. 이 키트는 사용 가능한 이더넷 및 USB 커넥터를 통한 직렬 연결을 지원하며 microSD 카드 슬롯을 사용하여 메모리를 확장할 수 있습니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

Infineon Relax 키트에는 microSD 카드 슬롯도 포함되어 있습니다. 따라서 다른 microSD 플래시 메모리 카드로 교체하여 다른 기판에 대한 펌웨어 또는 응용 제품 데이터를 쉽게 변경할 수 있습니다. 이 키트는 센서, 스위치 및 제어 액추에이터를 모니터링해야 하는 견고한 네트워크 응용 분야에 적합하고, microSD 카드는 펌웨어 또는 데이터 변경이 정기적으로 이루어지고 기판을 다시 프로그래밍하는 것보다 더 효율적인 경우에 유용합니다.

결론

기판을 대상 응용 분야에서 사용하기 이전에 기판을 신중하게 선택하여 테스트한다면 마이크로 컨트롤러 개발 기판을 산업 응용 기판으로 사용할 수 있습니다. 엔지니어는 하드웨어를 사용하기 전에 엄격하게 테스트하고 제조업체의 EOL 정책을 비롯한 공급 신뢰성을 신중하게 확인해야 합니다. 매우 다양한 개발 기판이 출시되어 있으므로 엔지니어는 산업 응용 제품에 사용 가능하도록 내부 QA를 통과한 기판을 쉽게 찾을 수 있습니다.