Athena: 로켓 항공전자 장비를 위한 고성능 6층 PCB 구현

고급 로켓 공학에서 비행 컴퓨터는 연산, 센싱, 통신, 전원 관리, 제어 기능을 작고 신뢰성 높은 하드웨어 플랫폼 하나에 모두 담아내야 합니다. NotARoomba가 진행한 오픈소스 비행 컴퓨터 프로젝트 Athena는 트리플 MCU 아키텍처, 이중화된 센싱, 다양한 통신 인터페이스, 전용 제어 채널, 그리고 6층 PCB를 통해 이러한 요구 사항을 충족합니다.

Athena 보드는 80 × 140mm 크기에 STM32 MCU 3개, IMU 3개, 기압계, GNSS, LoRa, 블루투스, CAN, USB, 플래시 스토리지, SD 카드 인터페이스, 그리고 여러 전원 관리 기능을 통합하고 있습니다. 설계는 EasyEDA로 진행되었으며, PCB 제조 및 조립은 JLCPCB가 맡은 것으로 소개되어 있습니다. 이번 사례 연구에서는 이 설계가 고밀도 기능을 다층 PCB 아키텍처와 어떻게 결합했는지, 그리고 전문 PCB 제조가 오픈소스 설계를 실제 하드웨어로 구현하는 데 어떤 역할을 하는지 살펴봅니다.

프로젝트 하이라이트

Athena는 여러 기능 블록이 비교적 작은 보드 위에 공존해야 하는 고성능 임베디드 PCB의 좋은 사례입니다. 이 설계는 연산, 센싱, 통신, 전원, 제어를 각각 독립된 회로로 다루는 대신, 하나의 다층 플랫폼으로 통합했습니다.

Athena가 6층 PCB를 사용하는 이유

Athena 프로젝트는 MCU 3개에 더해 여러 센서, 통신 모듈, 스토리지, 전원 변환부, 전용 제어 채널을 함께 갖추고 있습니다. 이 모든 기능을 80 × 140mm 보드에 수용하려면 단순한 2층이나 4층 설계보다 더 많은 배선 용량과 더 체계적인 층 구조가 필요합니다.

더 많은 배선 용량

6층 PCB는 3개의 프로세싱 유닛과 센서, 통신 인터페이스, 스토리지 장치, 제어 회로를 연결하기 위한 추가 배선 자원을 제공합니다. 층이 늘어나면 모든 신호를 몇 안 되는 혼잡한 배선 면에 몰아넣지 않고 보드 전체에 연결을 분산할 수 있습니다. 여러 디지털 인터페이스와 다수의 기능 블록을 갖춘 설계에서는 이렇게 늘어난 배선 용량이 연결을 체계적으로 유지하고 레이아웃을 관리하기 쉽게 만드는 데 중요한 역할을 합니다.

체계적인 전원 분배

Athena는 7.4~12V LiPo 입력으로 동작하며, 이를 바탕으로 5V와 3.3V 정전압 레일을 생성합니다. 또한 배터리 충전, USB-C 전원 공급(PD), 서보 전원을 위한 전용 전원 관리 소자도 탑재하고 있습니다. 다층 아키텍처는 보다 구조화된 전원 분배와 전원·신호 배선 간의 명확한 분리를 가능하게 하여, 설계자가 서로 다른 기능 영역 간의 관계를 관리하는 데 도움을 줍니다.

개선된 신호 정리

이 비행 컴퓨터에는 여러 고속 디지털 인터페이스와 다수의 센서 연결이 포함되어 있습니다. 다층 PCB를 사용하면 배선 영역 사이에 기준 구조를 유지하면서 신호 배선을 여러 층에 걸쳐 정리할 수 있습니다. 덕분에 설계가 복잡해지더라도 신호 경로를 계획하기 쉬워지고 불필요한 배선 혼잡을 줄일 수 있습니다.

소형화된 기능 통합

80 × 140mm 보드 하나에 연산, 센싱, 통신, 스토리지, 전원, 제어 기능이 모두 통합되어 있습니다. 6층 구조를 사용하면 전체 보드 면적을 작게 유지하면서도 이러한 기능을 보다 자유롭고 효율적으로 배치할 수 있습니다.

JLCPCB는 고밀도 및 혼합 신호 설계를 위한 6층 PCB 제조를 지원하며, 해당 설계에 적용 가능한 옵션으로 임피던스 제어와 비아 인 패드(Via-in-Pad)를 제공합니다. 이는 적합한 프로젝트에 적용할 수 있는 제조 역량이며, 프로젝트 파일로 확인되지 않는 한 Athena에 실제로 사용된 공정으로 해석해서는 안 됩니다.

분산 처리를 위한 트리플 MCU 아키텍처

Athena의 가장 큰 특징 중 하나는 트리플 MCU 아키텍처입니다. 이 프로젝트는 모든 작업을 하나의 마이크로컨트롤러에 맡기지 않고, 처리 역할을 3개의 STM32 소자에 나누어 배분합니다. 이를 통해 센서 처리, 텔레메트리 및 스토리지, 제어 기능 간에 명확한 기능 분담이 이루어집니다.

Athena의 가장 큰 특징 중 하나인 트리플 MCU 아키텍처

MPU는 센서 관련 연산과 칼만 필터링을 처리하고, TPU는 통신과 데이터 저장을 관리합니다. SPU는 파이로(pyro) 및 PWM 기능을 전담합니다. 이러한 역할 분담으로 인해 동일한 PCB 위에 여러 독립적인 처리 블록이 자리 잡게 되므로, 체계적인 부품 배치와 배선의 중요성이 더욱 커집니다.

Athena는 파이로 채널 6개와 PWM 채널 6개도 제공하며, 이 중 PWM 채널 2개는 TVC(추력 벡터 제어)용, 4개는 핀(fin) 제어용입니다. 제어 신호와 관련 전원 및 인터페이스 회로가 연산부·센싱부와 함께 공존해야 하므로, 이러한 전용 인터페이스는 PCB 레이아웃에 또 하나의 기능적 요구 사항을 더합니다.

한층 강력한 비행 컴퓨터를 위한 이중화 센서

신뢰할 수 있는 비행 제어 하드웨어는 정확한 센싱에서 출발합니다. Athena에는 ICM-45686 IMU 3개, LIS2MDLTR 지자기 센서 1개, 그리고 ICP-20100과 BMP388 기압계 2개가 탑재되어 있습니다. 이 조합을 통해 비행 컴퓨터는 움직임, 자세, 대기압 정보를 여러 소스에서 얻을 수 있습니다.

Athena 센서 구성

• 관성 센싱용 ICM-45686 IMU × 3
• LIS2MDLTR 지자기 센서
• ICP-20100 및 BMP388 기압계

여러 센서 소자가 프로세싱 아키텍처에 연결되어 있기 때문에, PCB는 다수의 신호 연결을 수용하면서도 센서 영역의 배선과 배치를 실용적으로 유지해야 합니다. 6층 구조는 이러한 연결에 필요한 추가 배선 자원을 제공하고, 센싱부를 3-MCU 프로세싱 시스템과 통합하는 데 도움을 줍니다.

전문 PCB 제조 워크플로에서 목표는 단순히 모든 부품을 보드에 올리는 것이 아닙니다. 레이아웃은 적절한 간격, 배선, 드릴, 층 구성을 갖춘 제조 가능한 설계로 이어져야 합니다. JLCPCB의 다층 제조 역량은 이러한 복잡한 PCB 아키텍처를 지원하도록 마련되어 있습니다.

6층 PCB 안의 전원 관리

Athena의 전원 시스템은 비행 컴퓨터의 디지털 전자 회로와 제어 관련 기능을 모두 지원해야 합니다. 이 프로젝트는 7.4~12V LiPo 입력을 받으며, 충전, USB-C PD, 서보 전원 변환, 저전압 정전압 레일을 위한 전용 소자를 갖추고 있습니다.

여러 전원 관리 블록이 존재하기 때문에 전원 분배는 PCB 아키텍처에서 중요한 요소가 됩니다. 충전기, USB-C 전원 공급 컨트롤러, 서보용 벅 컨버터, 저전압 레귤레이터는 각각 다른 역할을 수행하므로, 이들의 배치와 상호 연결은 보드의 나머지 부분과 함께 고려해야 합니다.

다층 PCB에서는 체계적인 층 스택이 전원 및 그라운드 분배를 정리하는 데 도움이 됩니다. JLCPCB는 전용 전원 구조와 신호 배선 구조가 필요한 설계를 위해 6층 스택업 및 다층 제작 옵션을 제공합니다.

하나의 PCB에 담긴 다양한 통신 인터페이스

Athena는 하나의 비행 컴퓨터에 여러 통신 기술을 결합하여, 외부 시스템과 통신하고 보드 내 다양한 기능과 연결될 수 있도록 했습니다. 통신부에는 GNSS, LoRa, 블루투스, CAN, USB, 그리고 전용 UART 채널이 포함됩니다.

이처럼 여러 인터페이스를 통합하면 모듈과 3개의 MCU 사이에 배선해야 할 연결 수가 늘어납니다. 따라서 이 설계에는 충분한 배선 용량을 제공하면서도 통신, 연산, 전원, 제어 영역 간의 관계를 명확하게 유지할 수 있는 PCB 아키텍처가 유리합니다.

그 결과, 여러 장의 보드를 모아놓은 형태가 아닌 고도로 통합된 비행 컴퓨터가 완성되었습니다. 이러한 통합은 서로 연결된 기능이 많은 고급 임베디드 하드웨어에 다층 PCB 제조가 흔히 사용되는 이유 중 하나입니다.

설계 과제에서 PCB 제조 요구 사항으로

설계 과제에서 PCB 제조 요구 사항으로

위 표는 Athena의 설계 특성을 고밀도 다층 PCB에 일반적으로 뒤따르는 제조 고려 사항과 연결한 것입니다. 이는 일반적인 엔지니어링 관계를 정리한 것이며, 표에 나열된 모든 제조 기능이 Athena에 실제로 적용되었다는 의미는 아닙니다.

오픈소스 하드웨어 프로젝트에서는 제조 준비도가 특히 중요합니다. 성공적인 설계라면 CAD 데이터에서 반복 생산이 가능한 실제 하드웨어로 이어져야 하기 때문입니다. 따라서 PCB 제조업체는 필요한 층수, 재료, 제작 공차, 조립 공정을 지원하는 동시에 생산 전반에 걸쳐 일관성을 유지할 수 있어야 합니다.

PCB 설계에서 실제 하드웨어까지

Athena는 EasyEDA로 설계되었으며, 프로젝트 측은 PCB 제조 및 조립을 JLCPCB가 담당했다고 밝히고 있습니다. 이 프로젝트는 오픈소스 PCB 설계가 회로도와 레이아웃 작업을 거쳐 실제 하드웨어로 발전하는 과정을 보여주는 실용적인 사례입니다.

6층 PCB 제조

JLCPCB는 고밀도, 고속, 혼합 신호 및 기타 고급 애플리케이션에 적합한 다층 스택업 옵션과 함께 6층 PCB 제조를 지원합니다. 현재 6층 제조 역량에는 FR-4 구성, 임피던스 제어 옵션, 그리고 적용 가능한 설계를 위한 비아 인 패드 공정이 포함됩니다.

임피던스 제어 및 고급 인터커넥트 옵션

보다 엄격한 신호 무결성 관리가 필요한 설계를 위해 JLCPCB는 지원되는 다층 구성 전반에 걸쳐 임피던스 제어 제조 옵션을 제공합니다. 적용 가능한 설계에는 비아 인 패드도 제공되어, 소형 부품 풋프린트 주변의 배선 밀도 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 여기서 소개한 기능은 JLCPCB의 제조 옵션이며, Athena 보드의 특정 사양으로 주장하는 것은 아닙니다.

통합 하드웨어를 위한 PCB 조립

제작된 보드가 준비되면, 복잡한 비행 컴퓨터를 완성하는 또 하나의 중요한 단계인 조립이 이어집니다. JLCPCB는 지원되는 보드 구성 전반에 걸쳐 SMT 및 THT 요구 사항을 모두 아우르는 PCB 조립 서비스를 제공하며, 생산 품질을 뒷받침하는 검사 역량도 갖추고 있습니다. 구체적인 조립 공정은 프로젝트의 부품 패키지, 보드 구성, 생산 요구 사항에 따라 달라집니다.

오픈소스 비행 컴퓨터를 현실로

• 연산: 3개의 STM32 MCU가 센서 처리, 텔레메트리/스토리지, 제어 역할을 나누어 담당합니다.
• 센싱: 여러 IMU와 지자기 센서, 기압계가 비행 컴퓨터에 다양한 센서 입력을 제공합니다.
• 통신: GNSS, LoRa, 블루투스, CAN, USB, UART 인터페이스가 시스템을 외부 및 보드 내 기능과 연결합니다.
• 전원: 배터리 충전, USB-C PD, 서보 전원 변환, 정전압 레일이 모두 동일한 PCB에 통합되어 있습니다.
• 제어: 파이로 채널 6개와 PWM 채널 6개가 전용 제어 기능을 지원합니다.

연산: 3개의 STM32 MCU가 센서 처리, 텔레메트리/스토리지, 제어 역할을 나누어 담당합니다.

Athena의 강점은 바로 이러한 기능들의 통합에 있습니다. 각 블록은 저마다의 요구 사항을 가지고 있지만, 최종 제품은 하나의 조화로운 비행 컴퓨터로 동작해야 합니다. 6층 PCB는 80 × 140mm의 소형 폼팩터를 유지하면서 이 회로들을 하나로 묶어주는 물리적 플랫폼 역할을 합니다.

이 프로젝트가 보여주는 것

1. 다층 PCB 설계

Athena는 복잡한 임베디드 시스템에 필요한 배선 자원과 층 구성 자원을 6층 PCB가 어떻게 제공할 수 있는지 보여줍니다. MCU 3개, 여러 센서, 통신 인터페이스, 스토리지, 전원 관리 회로, 제어 채널을 갖춘 이 설계는 하드웨어 기능이 늘어날수록 층수가 왜 중요한 아키텍처 고려 사항이 되는지를 잘 설명해 줍니다.

2. 기능 통합

Athena는 비행 기능을 여러 개의 독립된 보드에 분산하는 대신, 연산, 센싱, 통신, 전원, 제어를 하나의 PCB에 통합했습니다. 이러한 접근 방식은 전체 하드웨어 아키텍처를 단순화할 수 있지만, 그만큼 세심한 배치, 배선, 제조 준비의 중요성도 커집니다.

3. 하드웨어 이중화

여러 개의 IMU와 프로세싱 유닛을 사용한 것은 기능별로 전용 하드웨어 자원을 할당하는 설계 방식을 반영합니다. 고급 임베디드 시스템에서는 이러한 아키텍처 분리가 보드 전반의 연산 및 제어 부하를 체계적으로 나누는 데 도움이 될 수 있습니다.

4. 제조 준비도

이 프로젝트는 제조 및 조립을 JLCPCB가 담당했다고 밝히며, 오픈소스 EasyEDA 설계가 실제 하드웨어로 이어지는 전체 과정을 보여줍니다. 복잡한 PCB 프로젝트에서는 역량 있는 제조 파트너가 정교한 레이아웃을 실제 조립 완제품으로 만들어내는 데 중요한 역할을 합니다.

Athena 6층 PCB에 관한 FAQ

Athena 6층 PCB 결론

Athena는 고급 비행 컴퓨터 애플리케이션을 위해 설계된 고성능 6층 PCB의 대표적인 사례입니다. 80 × 140mm 보드에 STM32 MCU 3개, 여러 센서, GNSS, LoRa, 블루투스, CAN, USB, 스토리지, 전원 관리, 그리고 전용 파이로 및 PWM 제어 채널이 통합되어 있습니다.

이 프로젝트는 PCB 설계 결정을 제조 요구 사항과 연결하는 것이 얼마나 가치 있는지도 보여줍니다. 보드의 기능과 배선 밀도가 높아질수록 잘 계획된 다층 구조와 역량 있는 PCB 제조·조립 파트너의 중요성은 더욱 커집니다. JLCPCB는 6층 PCB 제조, 다층 제작, 임피던스 제어 옵션, 비아 인 패드 역량, PCB 조립 서비스를 통해 폭넓은 고급 PCB 설계를 지원할 수 있는 제조 옵션을 제공합니다.

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