드론에 사용되는 회로 기판에는 비행 제어기, 전자식 속도 제어기, 전력 분배 기판, 센서 및 항법 기판, 통신 기판, 카메라나 기타 탑재 장비용 기판이 있습니다. 일부 드론은 여러 기능을 하나의 조립체에 결합하고, 다른 드론은 별도의 모듈을 연결합니다.
각 기능은 인쇄 회로 기판(PCB)에 서로 다른 요구 사항을 적용합니다. 비행 제어기에는 잡음이 적은 센서 신호가 필요하지만, 모터 제어기는 스위칭 전류와 열을 감당해야 합니다. 이러한 차이를 이해하면 설계팀이 어떤 기능을 통합할지, PCB 제조업체에 무엇을 전달할지 결정하는 데 도움이 됩니다.
핵심 요점
- 비행 제어, 모터 구동, 전력, 센싱, 통신, 탑재 장비 제어는 기능입니다. 이 기능들이 반드시 각각 별도의 기판을 필요로 하는 것은 아닙니다.
- PCB의 기능과 구조는 서로 다른 선택 사항입니다. 예를 들어 비행 제어기는 경성 다층 기판을 사용할 수 있고, 카메라 연결부에는 플렉스를 사용할 수 있습니다.
- 재료를 선택하거나 견적을 요청하기 전에 각 조립체의 전류, 열, 기계적, 신호 및 테스트 요구 사항을 정하세요.
- 기판이나 납땜 접합부를 검사하더라도 완성된 항공기의 기능 및 환경 테스트를 대체할 수는 없습니다.
이 가이드의 내용: 기판 기능 | PCB 구조 | 통합형 기판과 분리형 기판 | 제조 체크리스트 | 자주 묻는 질문
한눈에 보는 드론 회로 기판
이 표는 드론 전자 장치를 기능별로 분류합니다. 실제 조립체 수는 항공기 종류와 설계에 통합된 기능의 범위에 따라 달라집니다.
| 기판 또는 기능 | 주요 역할 | 설계 시 고려 사항 | 통합 가능 여부 |
|---|---|---|---|
| 비행 제어기 | 센서 값을 읽고 제어 명령을 출력합니다 | 센서 잡음, 진동, 전원 무결성 | 다른 제어 기능이나 전력 기능과 통합되는 경우가 많습니다 |
| 전자식 속도 제어기(ESC) | 명령에 따라 전기 모터를 구동합니다 | 전류, 스위칭 잡음, 열 | 다른 ESC 또는 제어 전자 장치와 하나의 조립체를 구성할 수 있습니다 |
| 전력 분배 및 모니터링 | 전력을 분배하고 모니터링합니다 | 전류 경로, 전압 강하, 보호 | ESC 또는 메인 기판의 일부일 수 있습니다 |
| 항법 및 센서 | 위치, 움직임, 고도 또는 기타 측정값을 제공합니다 | 배치, 간섭, 진동 | 센서는 기판에 탑재되거나 별도의 모듈에 포함될 수 있습니다 |
| 무선 및 텔레메트리 | 제어, 데이터 또는 영상 신호를 전달합니다 | 안테나 배치, RF 레이아웃, 간섭 | 무선 장치는 통합형일 수도 있고 별도일 수도 있습니다 |
| 카메라, 짐벌 또는 탑재 장비 제어 | 임무 장비를 작동합니다 | 인터페이스, 공간, 열, 기계적 움직임 | 탑재 장비와 항공기에 따라 달라집니다 |
이는 기능 범주입니다. 경성, 플렉서블, 리지드-플렉스, 고밀도 상호 연결(HDI)과 같은 용어는 PCB의 구조나 배선 방식을 설명합니다. 하나의 기판이 기능 범주에 속하면서 여러 가지 구조적 특성을 동시에 가질 수 있습니다.
드론에 사용되는 주요 회로 기판 유형
비행 제어기 기판
비행 제어기는 항공기의 제어 허브입니다. 가속도와 각속도 같은 측정값을 수신하고, 명령을 처리하며, 액추에이터에 출력을 보냅니다. PX4의 비행 제어기 문서 에서는 비행 제어기를 PX4 펌웨어가 실행되는 오토파일럿 하드웨어로 설명합니다.
제어기에는 프로세서, 관성 측정 장치(IMU), 전원 조정 회로, 메모리, 주변 장치용 커넥터가 포함될 수 있습니다. 구체적인 부품과 펌웨어는 플랫폼에 따라 다릅니다. 설계 배치를 결정할 때는 센서 위치, 진동, 스위칭 간섭, 안정적인 전원을 고려해야 합니다. 민감한 센서를 기계적으로 또는 전기적으로 격리하는 일은 시스템 설계 과제이며, PCB 재료 하나를 선택하는 것으로 해결할 수 없습니다.
전자식 속도 제어기 보드
전자식 속도 제어기(ESC)는 명령에 따라 전기 모터에 공급되는 전력을 제어합니다. 멀티로터에서는 모터마다 모터 제어 채널이 필요하지만, 여러 채널이 하나의 물리적 보드를 공유할 수 있습니다.
구체적인 예로 Texas Instruments의 TIDA-00643 드론 ESC 레퍼런스 설계가 있습니다. 이 설계는 마이크로컨트롤러, 게이트 드라이버, MOSFET을 결합해 브러시리스 모터를 구동합니다. 회로도와 레이아웃은 해당 설계에 맞춘 것이며, 보편적인 사양은 아닙니다.
ESC의 레이아웃 과제는 비행 제어기의 과제와 다릅니다. 스위칭 소자와 전류 경로는 열과 전기적 잡음을 발생시킵니다. 구리 패턴의 형상, 부품 배치, 리턴 경로, 조립체에서 열을 방출하는 방식이 모두 설계에 영향을 줍니다. 필요한 구리 두께와 트레이스 치수는 전류, 듀티 사이클, 온도 상승, 냉각 방식, 나머지 스택업에 따라 달라집니다. 드론 ESC에 보편적으로 적용되는 사양은 없습니다.
전력 분배 및 배터리 모니터링 보드
전력 분배 보드는 배터리의 전력을 모터 제어기나 조정 회로가 있는 전자 장치와 같은 부하로 전달합니다. 전력 모니터링 회로는 전압이나 전류를 측정해 제어기에 정보를 전달할 수 있습니다. 배터리 관리 시스템은 배터리와 제품 아키텍처에 따라 배터리별 추가 모니터링이나 보호 기능을 제공할 수 있습니다. 이 용어들은 서로 관련은 있지만 서로 다른 기능을 가리킵니다.
PX4의 전원 시스템 문서 에서는 제어기에 전원을 공급하고 배터리 전압과 전류를 모니터링하는 전원 모듈을 설명합니다. 전력 분배 경로와 제어기에 공급되는 조정 전원 모두 고려해야 합니다.
PCB를 설계할 때는 정상 및 피크 부하, 커넥터, 보호 요구 사항, 전압 강하, 전력 경로에서 발생하는 열을 파악해야 합니다. 소형 보드 하나에 전력 분배 기능과 ESC 또는 비행 제어 기능을 함께 넣을 수도 있습니다. 이렇게 하면 연결부의 수를 줄일 수 있지만, 전력 회로가 민감한 전자 장치에 더 가까워집니다.
항법 및 센서 보드
센서는 항공기에 운동 상태와 주변 환경에 관한 정보를 제공합니다. IMU는 일반적으로 가속도와 각속도를 측정합니다. 다른 센서는 고도나 방향 정보를 제공할 수 있습니다. 전역 항법 위성 시스템(GNSS) 수신기는 수신 가능한 위성 신호가 있을 때 위치와 시간 정보를 제공할 수 있습니다.
일부 센서는 비행 제어기 조립체에 장착되고, 다른 센서는 별도 모듈에 배치됩니다. 위치가 중요합니다. 센서는 진동, 열, 전기적 잡음, 주변 금속, 측정 대상 환경의 영향을 받을 수 있습니다. 외부 GNSS 및 나침반 모듈의 경우, PX4의 장착 지침 에서는 가능한 한 모터 및 ESC 전원 배선에서 멀리 떨어뜨려 배치할 것을 권장합니다. 별도의 센서 보드를 사용하면 위치를 더 유연하게 정할 수 있지만, 커넥터와 케이블 배치도 고려해야 합니다.
무선, 텔레메트리 및 비디오 보드
통신 전자 장치는 항공기와 다른 장비 사이에서 정보를 전달합니다. 드론에 따라 통신 링크는 조종 명령, 텔레메트리, 비디오 또는 이들 중 여러 기능을 처리할 수 있습니다. GNSS 수신기도 무선을 이용하지만, 조종사의 명령을 전송하는 것이 아니라 위성 항법 신호를 수신하는 역할을 합니다.
PX4의 텔레메트리 문서 에서는 기체와 지상 제어 소프트웨어 간의 링크를 설명합니다. 지원되는 장비와 인터페이스는 시스템마다 다릅니다.
RF 성능은 안테나, 안테나 위치, 외함, 주변 도체, PCB 레이아웃을 포함한 전체 조립체에 따라 달라집니다. 스택업을 선택하기 전에 주파수, 인터페이스, 안테나 구성, 임피던스 요구 사항을 확인해야 합니다. 일부 설계에는 특수 라미네이트가 유용할 수 있지만, 무선 기능이 있다는 사실만으로 특수 재료가 필요하다고 단정할 수는 없습니다.
카메라, 짐벌, 동반 컴퓨터 및 탑재체 보드
카메라나 짐벌 보드는 영상 촬영 또는 안정화 기능을 지원하고, 다른 탑재체 보드는 센서나 임무별 장치를 제어할 수 있습니다. 일부 항공기에는 비행 제어기와 별도의 처리 작업을 수행하는 동반 컴퓨터도 탑재됩니다. 이러한 보드는 선택 사항이며 항공기의 용도에 따라 달라집니다.
움직이는 짐벌에는 고정된 제어기에는 없을 수 있는 기계적 제약과 연결 제약이 생깁니다. 굽힘 형상, 보강, 예상되는 움직임을 용도에 맞게 설계하면 플렉스 회로가 움직이는 부품이나 좁은 공간에 배치된 부품을 연결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 구조에 관한 자세한 내용은 플렉스 PCB 가이드 를 참조하세요.
각 드론 보드에 적합한 PCB 구조는 무엇일까요?
보드의 기능, 전기적 요구 사항, 패키징, 사용 환경을 정의한 뒤 구조를 선택하세요. 다음 내용은 논의를 시작하기 위한 기준이며, 정해진 조합을 제시하는 것은 아닙니다.
| PCB 구조 | 적용할 수 있는 곳 | 기대 효과 | 확인해야 할 절충 사항 |
|---|---|---|---|
| 리지드 FR-4 다층 기판 | 비행 제어, 전력 및 기타 고정형 조립체 | 익숙한 구조로 부품과 배선을 지지 | 스택업, 구리, 기계적 장착을 여전히 설계 검토해야 함 |
| 플렉시블 PCB | 카메라 또는 센서 연결부 | 좁거나 움직이는 공간을 통과하도록 배선 가능 | 굽힘 구간, 보강, 움직임에 따른 수명을 고려해야 함 |
| 리지드 플렉스 PCB | 리지드 부품 영역을 플렉스 영역으로 연결해야 하는 조립체 | 리지드 영역과 플렉스 영역을 통합 가능 | 스택업, 제조 방식, 굽힘 요구 사항을 초기에 검토해야 함 |
| HDI 기능 | 고밀도 제어기 또는 소형 모듈 | 미세 패턴과 마이크로비아로 고밀도 패키지의 배선을 지원 | 제조 및 검사 제약이 늘어남 |
| 특수 RF 또는 열 관리용 구조 | 재료 관련 요구 사항이 입증된 무선 또는 전력 조립체 | 특정 전기적 또는 열적 요구 사항을 충족할 수 있음 | 비용, 제작 옵션 및 실제 이점은 설계에 따라 달라짐 |
유연한 연결부의 경우, 설치 중 한 번 휘어지는 회로와 사용 중 반복적으로 움직이는 회로를 구분해야 합니다. Altium’s의 정적 및 동적 플렉스에 관한 설명은 반복적인 굽힘으로 인해 도체와 적층 구조에 서로 다른 요구 사항이 생기는 이유를 설명합니다.
예를 들어 비행 컨트롤러는 리지드 PCB이면서 HDI PCB일 수 있습니다. ESC라고 해서 반드시 메탈 코어 기판인 것은 아니며, 무선 보드라고 해서 반드시 고주파용 라미네이트가 필요한 것도 아닙니다. 적층 구조를 확정하기 전에 제작 업체와 부하, 손실, 공간 및 신뢰성 요구 사항을 논의하세요. 다음을 살펴보세요: 리지드 플렉스 PCB 제조 또는 HDI PCB 제조 해당 기능이 설계에 적합한 경우
드론용 통합 보드와 별도 모듈 비교
통합 여부는 보드 레이아웃뿐 아니라 인터페이스와 정비 용이성에도 영향을 줍니다. 다음 두 가지는 참고용 아키텍처 예시입니다. 어느 쪽도 실측 설계가 아니며 모든 드론에 권장되는 방식도 아닙니다.
예시 A: 소형 통합 어셈블리. 소형 항공기에 비행 컨트롤러와 여러 ESC 채널을 하나의 보드로 통합합니다. 보드 간 연결부가 줄어들면 패키징을 단순화할 수 있습니다. 다만 프로세서 및 센서 주변의 열과 스위칭 노이즈도 관리해야 합니다. 한 구역에 고장이 발생하면 통합 어셈블리 전체를 교체해야 할 수 있습니다.
예시 B: 제어부와 전원부를 별도 어셈블리로 구성. 다른 항공기는 비행 컨트롤러, ESC, 전력 분배부 및 페이로드 전자 장치를 별도 보드에 배치합니다. 모듈을 개별적으로 배치하고 교체할 수 있지만, 더 많은 상호 연결부를 설계하고 고정해야 합니다. 각 케이블과 커넥터에는 명확한 전기적 및 기계적 인터페이스가 필요합니다.
| 결정 항목 | 통합 어셈블리 | 별도 모듈 |
|---|---|---|
| 포장 | 별도 어셈블리 수 감소, 더 조밀한 레이아웃 | 배치 유연성 향상, 상호 연결부 증가 |
| 전기 및 열 설계 | 민감한 회로와 고전력 회로가 가까이 있을 수 있음 | 물리적 분리가 가능하지만, 케이블로 인해 새로운 문제가 생길 수 있음 |
| 수리 또는 교체 | 공유 보드를 하나의 단위로 교체할 수 있음 | 개별 모듈을 교체할 수 있음 |
| 검증 | 통합 보드에서 상호 작용을 테스트 | 각 모듈과 인터페이스를 시스템 단위로 테스트 |
어느 방식이든 자동으로 더 가볍거나, 저렴하거나, 신뢰성이 높은 것은 아닙니다. 커넥터, 배선, 외함, 냉각, 유지 보수 및 테스트 작업을 포함해 전체 어셈블리를 비교하세요.
드론 PCB 선택 및 제조 방법
효과적인 제조 의뢰서에는 일반적인 드론 PCB가 아니라 해당 보드의 구체적인 요구 사항이 명시되어야 합니다. 설계팀 및 공급업체와 함께 다음 사항을 준비하세요:
- 기능 및 환경. 어셈블리의 역할, 장착 방식, 예상 진동, 온도 노출 및 사용 가능한 공간을 파악하세요.
- 전기 부하. 작동 전압 및 전류와 최대 전압 및 전류, 예상 듀티 사이클, 민감한 신호, RF 또는 제어 임피던스 요구 사항이 있는지 제공하세요.
- PCB 설계. 제작 파일, 적층 구조 요구 사항, 동박 사양, 치수, 표면 처리 및 플렉스 또는 기계적 제약 조건을 제공하세요. 미정인 사항이 있다면 제조 용이성 검토를 요청하세요.
- 조립 정보. 해당되는 경우 자재 명세서, 승인된 부품 번호 및 대체품, 배치 데이터, 조립 도면, 극성 및 프로그래밍 요구 사항을 제공하세요.
- 검사 및 테스트. 프로젝트에 필요한 검사 항목, 지그, 절차, 합격 기준 및 문서를 합의하세요. PCB 및 조립 검사와 완성된 항공기의 테스트를 구분하세요.
A PCB 제조 공급업체 는 베어 보드 요구 사항을 검토할 수 있으며, PCB 조립 서비스 는 부품 배치와 조립 검사에 대응할 수 있습니다. 주문 전에 제안된 공정과 해당 설계에 대한 적합성을 확인하세요.
드론 PCB 설계 및 조립에서 흔히 발생하는 실수
- 작동 조건을 고려하지 않고 전원 경로의 크기를 정함. 일반적인 트레이스 폭 규칙에 의존하지 말고 전류, 지속 시간, 온도 한계, 동박 형상 및 냉각 가정을 제시하세요.
- 센서와 전원 간 상호 작용을 무시함. 노이즈가 큰 부하로 인해 민감한 측정이 저하되지 않도록 부품 배치, 리턴 경로, 전원 조정 및 기계적 장착을 함께 검토하세요.
- 커넥터를 나중에 고려함. 방향, 고정 방식, 케이블 움직임, 조립 접근성 및 보드에 전달되는 하중을 확인하세요.
- 검사를 적격성 평가와 혼동하기 검사로 제조 결함을 찾을 수는 있지만, 검사만으로 항공기가 기능적·환경적·규제 요건을 충족하는지 입증할 수는 없습니다. 의도된 용도에 필요한 시스템 테스트와 합격 기준을 정의하세요.
자주 묻는 질문
드론에는 회로 기판이 몇 개나 있나요?
정해진 개수는 없습니다. 소형 드론은 비행 제어, 모터 제어, 전원 기능을 하나의 공용 어셈블리에 통합할 수 있지만, 다른 설계에서는 별도의 모듈을 사용합니다. 카메라, 무선 통신, 내비게이션, 탑재체 구성도 기체에 따라 다릅니다.
비행 컨트롤러와 ESC는 같은 기판인가요?
두 부품의 역할은 서로 다릅니다. 비행 컨트롤러는 측정값과 명령을 처리해 기체를 제어하고, ESC는 모터를 구동합니다. 두 부품은 별도의 기판으로 구성할 수도 있고 하나의 물리적 어셈블리에 통합할 수도 있습니다.
드론에는 플렉시블 PCB를 사용하나요?
일부 드론은 사용합니다. 플렉시블 PCB는 카메라 구동부와 같이 공간이 좁거나 움직이는 어셈블리에서 부품을 연결하는 데 사용할 수 있습니다. 적합성은 굽힘 형상, 움직임, 재료, 예상 사용 환경에 따라 달라집니다. 모든 드론에 플렉시블 회로가 필요한 것은 아닙니다.
기판의 용도에 맞춰 설계하세요
먼저 기체의 기능을 파악한 다음, 이를 어셈블리별로 어떻게 나눌지 결정하세요. 제작 방식을 선택하기 전에 각 기판의 전기적·열적·기계적·테스트 요건을 정의하세요. 이렇게 하면 제조업체가 설계를 검토하는 데 필요한 맥락을 제공할 수 있으며, 제품팀은 PCB 면적만이 아니라 전체 시스템을 기준으로 통합 방식을 비교할 수 있습니다.
