uart 실습, 입력 커패시터 선정 식, 프리휠링 다이오드 평균 전류

Question

UART 실습 test uart로 펌웨어 올리고 나서 stlink로 전원 공급할 때는 serial grapher에서 잘 잡히는데 24v로 전원 연결하고 stlink 빼면 글자가 ?로 깨져서 보입니다. stlink를 꽃으면 되는 이유가 그쪽으로 기준전위가 만들어져서 그런지 궁금합니다. 기존 강의자료 UART에는 GND가 있는데 올려주신 회로도 파일에는 없어서요. 벅 컨버터 입력 커패시터 선정 식 관련 질문 입력 커패시터 선정 식에서 Delta t를 스위칭 주파수의 역수인 1us를 사용하셨는데 벅 컨버터 스위칭 주파수인 544kHz에 ton시간을 기준으로 잡으신게 맞는지 궁금합니다 데이터 시트 식에서 커패시터의 입력 전압 리플을 계산하면 229mv가 나오고 강의 자료에는 0.5V로 약 두배차이가 나는데 기존 강의자료 식에서 on 시간일 때 공급되는 전류를 제외하지 않아서 이렇게 나온건지 궁금합니다. 프리휠링 다이오드 평균 전류 벅 컨버터 프리휠링 다이오드에 흐르는 평균 전류는 듀티 생각하면 절반 정도고 듀티 제외하고 생각하면 2A일텐데 다이오드 데이터시트에 나온 평균 전류를 어느쪽으로 생각해야 하는 지 궁금합니다.

insid2embedded · Answer

안녕하세요. 제어쟁이입니다 답변이 너무 늦어서 죄송합니다. 1. ST-LINK 연결 여부에 따라 UART 통신이 달라지는 현상 말씀하신 대로 GND 연결과 관련된 문제입니다. 강의자료의 UART 커넥터에는 GND가 연결되어 있지만, 이후 회로를 수정하는 과정에서 해당 연결이 누락되었습니다. 일반적인 비절연형 ST-LINK와 USB-UART 모듈을 같은 PC에 연결하고, ST-LINK의 GND를 보드에 연결하면 PC의 USB GND를 통해 보드와 UART 모듈의 GND가 간접적으로 이어집니다. 이 상태에서는 UART 신호를 판단하는 기준 전위가 맞춰지기 때문에 통신이 가능한 것입니다. ST-LINK를 분리하면 이 연결 경로가 사라집니다. UART는 TX와 RX뿐 아니라 양쪽의 기준이 되는 GND도 연결되어야 하므로, GND가 연결되지 않으면 문자가 깨지거나 통신이 되지 않을 수 있습니다. 따라서 ST link와 PC를 분리한 뒤 UART 통신 모듈을 정상 적으로 사용하기 위해선 GND를 점퍼선으로 연결해야 하는데 이 부분 가이드는 정리하여 공지로 오늘내로 안내 드리겠습니다. 이 부분은 제가 수정 과정에서 놓친 사항으로, 실습에 불편을 드려 정말 죄송합니다. 2. 입력 커패시터 계산에서 사용한 1 µs와 0.5 V 먼저 544 kHz의 스위칭 주기는 약 1.84 µs입니다. 스위치가 켜져 있는 시간은 입력전압과 듀티에 따라 달라지며, 이상적인 조건에서 24 V 입력을 12 V로 낮출 때는 약 0.92 µs, 36 V 입력에서는 약 0.61 µs입니다. 자료의 계산에 사용한 1 µs는 커패시터가 전류를 공급하는 시간을 간이 계산에 적용한 값입니다. 또한 식에 들어간 0.5 V는 계산 결과로 예상한 리플이 아니라, 최소 용량을 산정하기 위해 설정한 허용 전압 변동입니다. 즉, “커패시터가 2 A를 1 µs 동안 공급할 때 전압 변동을 0.5 V 이내로 두려면 얼마의 용량이 필요한가?”를 계산한 것이며, 그 결과가 4 µF입니다. 질문하신 데이터시트 식에 4 µF를 넣었을 때 약 229 mV가 나오는 것도 맞습니다. 두 계산은 전류를 가정하는 방식에 차이가 있습니다. 데이터시트의 정상상태 리플 계산은 입력전원이 공급하는 평균전류를 반영하지만, 자료의 간이식은 이를 차감하지 않고 2 A 전체를 커패시터가 공급한다고 두었습니다. 말씀하신 전류 차감 여부가 계산 결과에 영향을 주는 것이 맞고, 자료의 조건에서는 필요한 용량이 더 크게 산출됩니다. 따라서 실제 회로에는 이 계산값에 여유를 두어 10 µF 두 개, 총 20 µF를 적용했습니다. 공칭 용량 기준으로 계산값의 5배이며, 같은 데이터시트 식에 20 µF를 적용하면 리플은 약 46 mV입니다. 다만 이 값은 이상적인 계산값이고, 실제 리플은 DC 바이어스에 따른 유효용량 감소, ESR, 배선 상태 등의 영향을 받습니다. 3. 프리휠링 다이오드의 평균전류와 정격 선정 벅 컨버터가 연속 전도 모드로 동작할 때, 다이오드는 스위치가 꺼져 있는 구간에 전류를 흘립니다. 따라서 한 주기 전체를 기준으로 한 다이오드 평균전류는 다음과 같습니다. 다이오드 평균전류 ≈ 출력전류 × (1 − 듀티) 24 V 입력, 12 V 출력에서는 듀티가 약 0.5이므로, 출력전류가 2 A일 때 다이오드 평균전류는 약 1 A입니다. 질문하신 것처럼 듀티를 반영해서 계산하는 것이 맞습니다. 여기서 2 A는 다이오드가 도통하는 구간의 평균전류에 해당하고, 1 A는 전류가 흐르지 않는 구간까지 포함한 한 주기 평균입니다. 데이터시트의 평균 정류 전류 정격과 비교할 때는 한 주기 평균을 기준으로 보시면 됩니다. 출력 12 V, 2 A 조건에서 다이오드 평균전류는 입력 36 V일 때 약 1.33 A, 설계 최대 입력인 50 V에서는 약 1.52 A까지 올라갑니다. 선정한 B560C-13-F는 평균 정류 전류 정격이 5 A인 소자로, 이러한 입력 범위를 고려해 전류 정격에 여유를 둔 구성입니다. 실제 선정에서는 평균전류와 함께 인덕터 리플에 따른 피크 전류, 역전압, 발열 및 방열 조건도 확인해야 합니다. 꼼꼼하게 확인하고 질문해 주셔서 감사합니다. UART GND 연결 방법은 별도 공지로 안내드리겠습니다.