[스마트 굴비] PCB 설계 및 납땜
스마트 굴비
굴비였던 것 #
이번에는 하드웨어 시간입니다. 굴비를 찢고 내장을 가르고(?) 복제까지 해보겠습니다.
이렇게 분리가 되고,
배터리 쪽 구멍을 찔러주면 분해됩니다.
회로는 단순한 모습입니다.
배터리 전원을 가져와서 스위치로 끊고, LED 하나가 박혀 있네요.
저항은 1R0; 1옴짜리입니다.
케이스는 이렇게 생겼습니다.
부품 선정 #
대충 구조는 봤으니 이제 내장을 만들어줍니다.
기존에 LED가 있던 회로에는 색온도 조절이 가능하도록 쿨, 웜화이트 조명을 붙이고 nRF54L15 등 메인 회로는 배터리가 들어가던 부분에 집어넣으면 좋을 것 같습니다.
본격적으로 회로를 설계하기 전에 주요 부품을 선정합니다.
nRF54L15 모듈 #
MCU를 사용할 때마다 항상 해야 하는 작업, 노이즈 필터링, 디커플링 덕지덕지, 크리스탈 코퍼 날리고.. 이번에는 RF가 있으니 안테나 임피던스 매칭도 신경 써야 합니다.
지난 Rack Out Of Dust 프로젝트 때에는 패드가 IC칩 안에 숨어 있는 aQFN 타입이라 신기해하면서 만들었죠. 실수가 있었지만 어찌어찌 잘 되었던 기억이 납니다. nRF54L15가 이전 52840보다는 최신 SoC라 BOM 자체는 작겠지만, 안테나를 설계하는 게 여전히 걱정되어서 이번에는 모듈을 사용해 보기로 했습니다.
벤더에서 모듈까지 만들어 파는 ESP32 시리즈와 다르게, Nordic은 모듈을 만들지 않기 때문에 직접 찾아야 했습니다. nRF54 시리즈가 비교적 최근이다 보니 선택지가 많지 않았습니다.
국내에도 nRF54L15를 모듈로 만들어 파는 브랜드가 있었는데요. 모듈은 SMT가 아니라 손으로 직접 납땜할 예정이라, 아쉽지만 패드가 튀어나온 모델로 알리에서 찾아봤습니다.
그렇게 찾게 된 것이 MinewSemi의 ME54BS01 모듈입니다.
알리에서 4.3달러, nRF54L15를 JLC에서 SMT로 뽑으면 3.8달러이니 주변에 붙는 부품들을 생각하면 대충 비슷하지 않을까 합니다.
모듈은 이런 느낌입니다. 패드가 아주 촘촘한 게 나중에 납땜할 때 고통받는 게 아니련지 모르겠습니다.
제조사에서 footprint를 제공하지 않아, 데이터시트를 보고 한땀한땀 그려줬습니다.
LED 칩 #
다음으로 LED입니다. 지금까지 LED는 상태 표시용으로 달아 본 게 전부라, 아무래도 고수의 선례를 따르는 게 좋지 않을까 싶었습니다. 마침 블로거 TODORO님이 진행 중인 참빛조명 프로젝트를 참고해 따라가기로 했습니다.
일반 조명은 얼추 90 이상을 고급형으로 치고 있어서 95짜리 구하기가 쉽지 않은 상황입니다.
참고로 일반 조명용 LED의 CRI는 보통 80이하로 알고 있습니다.
CRI가 80이지만 이는 평균이고 내부 색상중 Ra9이 LED의 경우 엄청 낮기 때문에 색감의 균일성이 아주 나쁜 상황입니다.TODORO - [착한조명] 벌브광원 디자인 포스팅 중 일부 [링크]
여태껏 LED는 웜화이트, 쿨화이트 이 정도만 알고 있었는데, 포스팅에서 이것저것 고려하는 걸 보니 쉽게 생각할 게 아니었던 모양입니다. 찾아보니 CRI(연색성 지수)는 광원이 태양광에 얼마나 가까운지, R9는 강한 빨간색이 얼마나 많이 포함되었는지에 대한 수치라 합니다.
- MP-3030-1100-27-95: 2700K(웜화이트) / CRI 95
- MP-3030-1100-56-95: 5600K(쿨화이트) / CRI 95
이렇게 두 가지 LED를 담았습니다.
도착한 LED입니다. 노랑노랑하고 주황주황한 게 어떤 녀석이 쿨화이트고 웜화이트인지 한눈에 보입니다.
PCB 설계 및 조립 #
앞서 잠시 언급했듯, 조명의 PCB는 기존 배터리 홀더 쪽에 들어갈 메인보드와 조명 모듈로 나뉘게 됩니다. 조명 모듈 쪽은 방열 처리를 위해 1레이어짜리 알루미늄 PCB를 사용합니다.
적당히 측정해가며 설계했습니다.
메인보드 설계 #
배터리 홀더에 들어갈 메인보드입니다.
LED 모듈에서 GND 방열을 위해 High side 드라이빙이 필요해, 모스펫 드라이버로 트랜지스터를 하나 붙였습니다. 지난번 LEXON MOD 프로젝트와 같은 구성입니다.
디커미셔닝용 스위치는 뺐습니다. 시중 제품들을 보면 초기화를 위해 전원을 2~3회 빠르게 켰다 껐다 하는 경우가 있던데, 이런 걸 따라 해보기로 했습니다.
안 되면.. 디버거 붙여서 메모리 밀어버리는 거죠 ㅋㅋ.. 아왜뺐지
이외에는 Matter 로고를 박아봤고.. 아, NFC로 커미셔닝이 가능하다고 해서 일단 안테나 커넥터부터 박아뒀습니다. 그나저나 RF만 만나면 긴장됩니다. NFC는 공진 주파수 커패시턴스 매칭? 컨트롤? 아무튼 그런 게 필요하다고 하는데요. SoC 패드에서 나오는 커패시던스를 안테나의 인덕턴스 수치를 고려해 맞추는 과정입니다. 복잡한 건 모르겠고.. 대충 채찍피티 추천값으로 구성해봤습니다.
조명 모듈 설계 #
다음으로 조명입니다.
데이터시트 상의 밝기 수치가 150mA 기준으로 되어 있는 걸 보니, 이 수치가 적정선인 것 같습니다. 24옴 저항으로 선정해 대략 100mA에 근접하도록 했습니다. 그리고 LED의 GND 패드가 큼직한 게 이게 방열 패드이지 않을까 합니다. 큼직하게 뽑아서 열이 잘 퍼지도록 했습니다.
PCB 주문 및 도착 #
JLCPCB를 통해 PCB를 만들었습니다. 메인보드는 단면 SMT를, LED 회로는 직접 납땜하기 위해 스텐실을 함께 주문했습니다.
잘 도착한 모습입니다. 스텐실도 적당한 크기로 잘 선택한 것 같습니다.
메인보드와 조명 모듈 모두 필요한 위치에 잘 들어가는 모습입니다.
메인보드 조립 #
메인보드 뒤쪽에 모듈을 붙여야 합니다.
테이프로 고정한 뒤에 플럭스 한 번 두르고 인두기로 슥-
반대편도 긁어주면 완성입니다. 인두 팁보다 패드가 작아서 어떻게 되려나 싶었는데 어떻게든 되네요.
조명 모듈 조립 #
앞에서 언급했듯이 조명 모듈은 알루미늄이기도 하고 LED 칩의 핀이 돌출되지 않아서 크림납을 사용해야 합니다. 구석에 박혀 있던 히팅플레이트를 챙겨 와 오랜만에 켰습니다. 냉장고(?)에서 크림납도 꺼내고요.
유튜브에서 보던 대로 느낌 있게 배치하고요,
쭈우욱-
카드로 한 번 긁어주면 스텐실의 구멍으로 쏙 들어갑니다. 부품까지 다 올리고,
잘 구워진 모습입니다. JST 커넥터가 케이스에 간섭이 있지 않을까 해서 테스트용으로 조금만 커넥터를 붙이고 나머지는 커넥터 없이 만들었습니다.
조명 모듈 테스트 #
지그에 물려서 간단하게 테스트해봤습니다. 잘 작동하는 모습입니다.
조립해서 테스트하려니 간섭이 생깁니다. 잘라주고요,
JST 커넥터가 LED 칩의 FoV에 겹쳐서 그림자를 만들지 않을까 했는데, 괜찮아 보여서 커넥터를 그대로 사용하기로 했습니다. 알루미늄 PCB에 케이블 납땜하기 귀찮기도 하고요. 간섭이 생기는 부분을 역시나 잘라줬습니다.
그리고 전원 공급!
화이트밸런스를 고정하고 찍어봤습니다. 와 이거 확실히 차이가 납니다.
마무리 #
펌웨어 기능을 구현한 지난 포스팅에 이어 이번에는 하드웨어를 완성했습니다. 이제 남은 건 두 개를 합치고 다듬는 것이겠네요. 회로를 설계하며 추가된 NFC가 잘 될지, 초기화, 커미셔닝 등의 UX적인 부분을 얼마나 잘 구현할지가 관건이 되겠습니다.
얼른 해치우고 다음 포스팅으로 찾아오겠습니다.