3장 Arduino UNO Q 전원 사양과 전원 아키텍처 정리
개요
Arduino UNO Q는 STM32U585 마이크로컨트롤러와 Qualcomm Dragonwing™ QRB2210을 함께 사용하는 듀얼 프로세서 보드로, 내부 전원 구조가 상당히 복잡한 편입니다. 이 보드는 USB‑C, DC 입력, 5 V 핀 등 여러 입력을 받아 5 V, 3.3 V, 1.8 V 등 다양한 전압 레일로 변환하여 프로세서, 메모리, 주변 장치에 공급합니다.
이 노트에서는 UNO Q 공식 문서에 나오는 전원 입력 사양과 전원 트리(5V_SYS, 3.8 V, 3.3 V, 1.8 V) 구조를 정리하고, PMIC(PM4125)가 어떤 레일을 만드는지, 각 레일이 보드에서 어디에 쓰이는지를 이해하기 쉽게 설명합니다. 마지막에는 실제로 전원을 공급하거나 확장 보드를 설계할 때 꼭 알아두면 좋은 실전 팁도 함께 정리합니다.
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UNO Q 전원 입력 옵션과 권장 조건
UNO Q는 크게 세 가지 방법으로 전원을 공급할 수 있습니다. 첫째, USB‑C 커넥터(JUSB1)를 통한 5 V 입력입니다. 여기로 들어오는 USB‑C VBUS는 정격 5 V이고, UNO Q는 USB Power Delivery 협상을 통해 "5 V / 3 A" 계약만 요청하며 더 높은 전압 프로파일은 요구하지 않습니다. 따라서 5 V, 최소 3 A를 안정적으로 공급할 수 있는 어댑터와 케이블을 사용하는 것이 권장됩니다. 전류 여유가 부족하면 무선 송신 피크나 디스플레이 구동 시 순간적으로 전압이 떨어져 리셋이 발생할 수 있습니다.
둘째, VIN 핀(DC_IN)을 통한 7~24 V DC 입력입니다. 이 입력은 보드 위의 벅 컨버터에서 5 V로 강하된 후 내부 5 V 시스템 버스(5V_SYS)로 들어갑니다. 이때 사용하는 어댑터는 최종적으로 5 V에서 필요한 전류(보드 + 외부 부하)를 충분히 공급할 수 있도록 용량에 여유를 두어 선정하고, 케이블은 가능한 짧게 해서 전압 강하를 줄이는 것이 좋습니다.
셋째, JANALOG 헤더의 5 V 핀에 "규제된(regulated) 5 V"를 직접 인가하는 방법입니다. 외부에서 이미 안정된 5 V DC를 만들어 두었다면 이 핀을 통해 UNO Q에 전원을 공급할 수 있습니다. 이때도 최소 3 A 정도를 감당할 수 있는 공급원을 사용하는 것이 권장됩니다.
공식 문서의 권장 동작 조건을 보면, USB‑C 입력 VBUS는 최소 4.5 V, 전형 5.0 V, 최대 5.5 V 범위에서 동작하며, DC 입력(VIN)은 7.0~24.0 V 범위입니다. 보드의 3.3 V 시스템 레일(PWR_3P3V)은 3.1~3.5 V 범위에서 동작하도록 설계되어 있으며, 이는 레귤레이터의 허용 오차와 부하에 따른 변동을 포함한 값입니다. 동작 온도는 주변 공기 온도 기준 -10~60 ℃이며, 상한에 가까워질수록 레귤레이터와 PMIC의 허용 출력 전류가 줄어들 수 있습니다.
문서에서 말하는 최소(Min)는 "연속 동작을 위해 필요로 하는 최저 값", 전형(Typ)은 "설계 상 목표로 하는 일반적인 값", 최대(Max)는 "절대로 넘지 말아야 하는 상한 값"을 의미합니다. 특히 5 V 공급이 최소 값 아래로 떨어지거나 짧게 끊기면 리셋이나 링크 끊김이 발생할 수 있다는 점을 기억해야 합니다.
전원 트리 아키텍처 한눈에 보기
UNO Q의 전원 구조를 한 줄로 정리하면 다음과 같습니다. "여러 전원 입력(USB‑C, VIN, 5 V 핀) → 5V_SYS(시스템 5 V 버스) → 3.8 V 프리 레귤레이터(PWR_3P8V) → 3.3 V 시스템 레일(PWR_3P3V), 그리고 5V_SYS에서 PMIC가 1.8 V 및 내부 레일 생성".
USB‑C VBUS와 VIN에서 내려온 5 V는 각각 Schottky 다이오드를 통해 시스템 5 V 버스인 5V_SYS에 "다이오드 OR(diode‑OR)" 방식으로 합쳐집니다. 다이오드 OR 구조란, 각 전원 경로에 다이오드를 하나씩 넣고 공통 노드에서 합친 뒤, 더 높은 전압을 가진 쪽이 우선 사용되도록 하면서, 한 전원에서 다른 전원으로 역전류가 흐르지 않게 막는 방법입니다.
5V_SYS에서 먼저 3.8 V 프리 레귤레이터 노드(PWR_3P8V)를 만들고, 다시 이 3.8 V를 3.3 V 시스템 레일(PWR_3P3V)로 변환합니다. 동시에 5V_SYS는 PMIC(PM4125)의 주 입력으로 사용되어 1.8 V 외부 레일과 프로세서·메모리용 내부 레일들을 생성합니다. PWR_3P8V는 VBAT와도 연결되어 있으며, 시스템 설계 및 향후 기능을 위해 예약된 노드로 문서에서 명시하고 있습니다.
USB‑C 포트로 VBUS를 "역으로" 공급하는 경로(USB VBUS back‑drive)도 5V_SYS에서 나옵니다. UNO Q가 호스트나 OTG 모드로 동작할 때 이 경로를 통해 USB‑C 커넥터의 VBUS에 5 V를 내보내지만, 이 경로는 PMIC의 입력 경로와 분리되어 있고, P‑채널 MOSFET와 제어 회로를 이용해 레일이 정상일 때만 VBUS를 구동하도록 되어 있습니다.
개별 전원 레일 상세
5V_SYS - 시스템 5 V 버스
5V_SYS는 UNO Q 전체 전원 구조의 중심이 되는 5 V 시스템 버스입니다. USB‑C VBUS와 VIN(7~24 V)을 5 V로 낮춘 후의 출력이 각각 Schottky 정류 다이오드를 거쳐 이 노드에 합쳐집니다. Schottky 다이오드는 순방향 전압 강하가 낮고 스위칭 속도가 빨라, 전력 손실과 발열을 줄이면서도 다이오드 OR 기능을 수행할 수 있습니다.
5V_SYS는 두 개의 DC‑DC 스텝다운 컨버터에 전원을 공급하여 3.8 V(PWR_3P8V)와 3.3 V(PWR_3P3V) 레일을 만들어 내며, 동시에 PMIC(PM4125)의 주 입력으로 사용되어 프로세서·메모리용 다양한 저전압 레일을 생성합니다. 또한 UNO Q가 USB 호스트/OTG로 동작할 때 USB‑C 커넥터의 VBUS를 역공급(back‑drive)하는 전원 경로의 소스 역할도 합니다.
USB VBUS back‑drive 경로에는 P‑채널 MOSFET가 직렬로 들어가 있어, 이 MOSFET가 켜져 있을 때만 5V_SYS에서 USB‑C VBUS로 전원이 흘러 나갑니다. 이 MOSFET의 게이트 제어는 NPN 트랜지스터 등으로 게이팅되어 있어, 보드 내 전원 레일이 안정되지 않은 상태에서는 USB‑C에 5 V가 출력되지 않도록 보호합니다. 헤더 측에서는 이 5 V 버스가 VBUS_USBC라는 이름으로 노출됩니다.
PWR_3P8V - 3.8 V 프리 레귤레이터 노드
PWR_3P8V는 TPS62A02A 스텝다운 컨버터(U2801/U2802 중 하나)가 5V_SYS에서 3.8 V로 변환해 만든 중간 레일입니다. 이 3.8 V 레일은 다시 3.3 V 시스템 레일(PWR_3P3V)을 만드는 스텝다운 컨버터의 입력으로 사용됩니다.
문서에서는 PWR_3P8V가 VBAT와 연결되어 있으며, 시스템 설계와 향후 기능을 위해 예약된 노드라고 설명합니다. 즉, 현재 보드 기본 사용에서는 주로 3.3 V 생성의 전 단계로 쓰이지만, 확장 보드나 향후 버전에서 이 노드를 배터리 전원 관리 등 다른 용도로 활용할 수 있도록 여지를 남겨 둔 구조입니다.
중간 레일(프리 레귤레이터)을 두는 방식은 입력 5 V에서 바로 3.3 V를 만드는 것에 비해, 효율이나 EMI(전자파 간섭), 발열 분산 측면에서 설계상의 이점이 있을 수 있습니다. UNO Q의 경우 3.8 V를 VBAT와도 공용으로 사용하도록 해, PMIC의 전원 구조와 연동할 수 있도록 설계된 것으로 볼 수 있습니다.
PWR_3P3V - 3.3 V 시스템 레일
PWR_3P3V는 3.8 V(PWR_3P8V)에서 TPS62A02A 스텝다운 컨버터로 내려 만든 보드의 메인 3.3 V 레일입니다. 공식 사양에서 이 레일은 3.1~3.5 V 범위에서 동작하도록 정의되어 있으며, 이는 레귤레이터의 허용 오차와 부하 변동을 모두 감안한 값입니다.
이 3.3 V 레일은 다음과 같은 주요 블록들을 구동합니다.
STM32U585 마이크로컨트롤러의 여러 전원 핀(VDD, VDDA, VDDUSB, VREF+)
ANX7625 DSI‑to‑DisplayPort 브리지의 3.3 V 도메인(AVDD33, VDDIO_3V3)
3.3 V ↔ 1.8 V 레벨 시프터의 3.3 V 측 전원(VCCB)
보드 위의 각종 3.3 V 장치(센서, IC 등)
헤더(JANALOG, JDIGITAL, JMISC) 및 QWIIC 커넥터로 제공되는 3.3 V 핀
PMIC 내부에도 3.3 V LDO 레일이 따로 존재합니다. 예를 들어 VREG_L22A_3P3V는 무선/파워 앰프 바이어스용으로 사용되는 내부 3.3 V 레일입니다. 이들은 보드 전체에 퍼져 있는 PWR_3P3V와는 전기적으로 구분되지만, 논리적으로는 같은 "3.3 V 도메인"에 속한다고 볼 수 있습니다.
확장 보드를 설계하거나 외부 센서를 연결할 때는, PWR_3P3V가 단순히 마이크로컨트롤러만이 아니라 많은 회로를 동시에 구동한다는 점과, 전압이 3.1~3.5 V 범위에서 움직일 수 있다는 점을 고려해, 사용하는 외부 IC의 허용 전압 범위를 충분히 확인해야 합니다.
VREG_L15A_1P8V - 1.8 V 레일
VREG_L15A_1P8V는 PMIC PM4125 내부의 L15A LDO 레귤레이터가 생성하는 1.8 V 레일이며, UNO Q에서 외부로 "1.8 V 전원 레일"로 내보내는 유일한 PMIC 레일입니다. 이 1.8 V는 다음과 같은 블록에 사용됩니다.
Qualcomm Dragonwing™ QRB2210의 I/O 뱅크 및 고속 인터페이스
ANX7625 브리지의 1.8 V 도메인(DVDD18)
3.3 V ↔ 1.8 V 레벨 시프터의 1.8 V 측 전원(VCCA)
Wi‑Fi®/Bluetooth® 모듈의 디지털 I/O
JMISC 및 JCTL 헤더에 존재하는 1.8 V 신호/전원 핀
공식 문서는 "3.3 V 신호를 이 1.8 V 뱅크에 넣지 말라"고 강조합니다. 즉, 3.3 V 논리 수준을 그대로 1.8 V I/O 핀에 연결하면 프로세서 수준의 I/O에 과전압이 걸려 손상될 수 있으므로, 반드시 레벨 시프터를 거치거나 1.8 V 전용 디바이스만 연결해야 합니다.
이 1.8 V I/O 도메인은 PMIC의 전원 시퀀싱 제어 하에 있으며, 3.3 V 도메인이 먼저 살아난 뒤에 켜지고, 전원 차단 시에는 1.8 V가 먼저 꺼진 뒤 3.3 V가 꺼지도록 되어 있습니다. 이는 1.8 V 쪽 회로에 3.3 V가 잘못 역으로 공급되는 상황(back‑powering)을 방지하기 위한 설계입니다.
PMIC PM4125 전원 도메인
PMIC(Power Management IC)는 하나의 칩 안에 여러 개의 DC‑DC 벅 컨버터와 LDO 레귤레이터를 포함하고, 각 레일의 On/Off 시퀀스, 상태 모니터링, 배터리 충전 및 보호 기능을 통합한 전원 관리 전용 IC입니다. UNO Q에서 PM4125는 전체 프로세서/메모리 전원 구조의 중심 역할을 합니다.
PM4125는 5V_SYS를 주 입력으로 사용하여 다음과 같은 레일들을 생성합니다. 첫째, 외부로 노출되는 1.8 V 레일 VREG_L15A_1P8V입니다. 이 레일은 앞서 설명한 것처럼 QRB2210의 I/O 도메인, ANX7625 1.8 V 도메인, Wi‑Fi 디지털 I/O, 레벨 시프터 VCCA 등 1.8 V 주변 회로를 구동합니다.
둘째, Qualcomm Dragonwing™ QRB2210 SoC의 코어, 주변 장치, PLL 등을 위한 저전압 레일들입니다. 공식 문서에는 예시로 VDD2(약 1.1 V), VDDQ(약 0.6 V), VPP(1.8 V), VREF_DDR(약 0.6 V) 등이 언급되며, 이들은 LPDDR4X 메모리와 SoC 내부 블록들이 요구하는 전압입니다. 또한 eMMC 저장장치용으로 VCC(3.3 V 또는 1.8 V, 구성에 따라 선택)와 VCCQ(1.8 V) 레일도 PMIC에서 공급합니다.
셋째, 통합 오디오 바이어스 레일이 있습니다. 이 레일들은 문서에서 "예약(reserved)"된 것으로 표시되며, 일반 사용자는 접근하지 못하고 테스트 포인트에만 노출됩니다. 즉, 향후 확장이나 디버깅용으로 존재하지만, 일반적인 애플리케이션에서는 직접 사용하지 않는다고 보면 됩니다.
PM4125에는 USB_VBUS_IN을 감시하는 충전/전원 스위칭 블록도 있습니다. VBUS가 들어오면 이 블록은 VSW_CHG를 통해 VPH_PWR로 에너지를 전달하면서 VBAT를 감시합니다. PWR_3P8V와 VBAT는 시스템 및 향후 기능용으로 예약되어 있으며, PMIC 내부 전원 구조와 연동되어 동작합니다.
전원 시퀀싱 측면에서, PM4125는 3.3 V 레일이 먼저 유효한 상태가 된 뒤 1.8 V I/O 도메인을 활성화하도록 설계되어 있습니다. 전원 차단 시에는 역순으로 1.8 V 도메인을 먼저 비활성화하고, 이후 3.3 V 도메인을 끄는 순서를 지킵니다. 이러한 시퀀싱은 프로세서 I/O에 역전류가 흐르거나, I/O 전압이 코어 전압보다 먼저 걸려 발생하는 잠재적인 손상을 방지하기 위해 중요합니다.
주요 전원 부품별 역할
UNO Q 전원 트리에 등장하는 주요 부품들을 정리하면 다음과 같습니다. 각 부품이 어떤 역을 하는지 이해하면 회로도를 볼 때 훨씬 수월해집니다.
먼저 Schottky 다이오드 D2801, D2803입니다. 이 두 부품은 USB‑C VBUS 경로와 DC‑DC 벅 컨버터(7~24 V→5 V) 출력인 5V_BUCK_OUT을 5V_SYS로 합치는 "다이오드 OR" 역할을 합니다. 각 경로에 Schottky 다이오드를 하나씩 넣어 두 전원 간 역전류를 막으면서, 두 입력 중 더 높은 전압을 가진 쪽이 자동으로 선택되도록 합니다.
다음으로 LMR51440 벅 컨버터(U2803)는 VIN(7~24 V)을 5 V로 낮추는 "와이드 입력 DC‑DC 컨버터"입니다. 이 컨버터의 출력은 5V_BUCK_OUT이라는 노드로 나와, D2803을 거쳐 5V_SYS에 연결됩니다. 덕분에 VIN 전압이 7 V에서 24 V 사이 어디에 있든, UNO Q 내부에서는 항상 5 V로 변환된 전원이 사용됩니다.
TPS62A02A 스텝다운 컨버터(U2801, U2802)는 서로 다른 두 단계의 강압에 사용됩니다. UNO Q에서는 하나가 5V_SYS에서 3.8 V(PWR_3P8V)를 만들고, 다른 하나가 이 3.8 V에서 3.3 V(PWR_3P3V)를 만드는 식으로 구성되어 있습니다. 이렇게 "5 V → 3.8 V → 3.3 V"처럼 두 단계로 나누면, 각 스위칭 레귤레이터의 듀티비, 효율, 발열 분배를 설계자가 유리하게 조정할 수 있습니다.
TPS7A2030 LDO 레귤레이터(U3004)는 스위칭 컨버터에 비해 낮은 노이즈와 간단한 구조를 가진 선형 레귤레이터입니다. 문서에는 이 부품이 어떤 노드를 만드는지 구체적으로 쓰여 있지 않지만, 일반적으로 이런 LDO는 노이즈에 민감한 아날로그 회로나 레퍼런스 전압, 또는 별도 전압이 필요한 소규모 회로에 사용되는 경우가 많습니다.
P‑채널 MOSFET Q2801과 NPN 트랜지스터 Q2802는 USB VBUS back‑drive 경로를 제어하는 스위치 역할을 합니다. Q2801은 5V_SYS에서 USB‑C VBUS로 이어지는 고측(High‑side) 스위치로, 이 소자가 켜질 때만 UNO Q가 호스트/OTG로서 USB‑C 포트에 5 V를 내보낼 수 있습니다. Q2802는 이 MOSFET의 게이트를 제어해, 전원 레일이 안정되었을 때에만 MOSFET이 켜지도록 하고, 역전류나 비정상 상태에서의 오동작을 막는 역할을 합니다.
마지막으로 PMIC1(PM‑4125‑3‑NSP194‑TR‑01‑0)은 앞서 설명한 PM4125 전원 관리 IC이며, U3001 ANX7625는 DSI‑to‑DisplayPort 브리지, MCU1 STM32U585는 3.3 V 도메인에서 동작하는 마이크로컨트롤러입니다. 이 두 칩은 각각 3.3 V 및 1.8 V 도메인으로 나뉘어 전원을 공급받으며, 전원 도메인 간의 레벨 시프터를 통해 서로 신호를 주고받습니다.
실제 사용 및 설계 시 팁
UNO Q를 실제 프로젝트에 사용할 때는, 단순히 "전원을 꽂으면 동작하겠지"라는 수준을 넘어서 전원 구조를 이해하고 사용하는 것이 중요합니다. 다음은 문서 내용을 바탕으로 정리한 실전 팁입니다.
먼저 전원 공급 선택입니다. 개발 단계에서 간단히 사용한다면, 5 V / 3 A 이상을 안정적으로 제공하는 USB‑C PD 어댑터와 품질 좋은 케이블을 사용하는 것이 가장 간편합니다. 무선 통신, 고해상도 디스플레이, 여러 확장 모듈을 동시에 사용할 계획이라면, 피크 전류까지 고려해 3 A보다 여유 있는 어댑터를 사용하는 것이 안전합니다.
VIN(7~24 V)을 사용하는 경우에는, 5 V로 강하된 뒤에도 UNO Q와 외부 부하를 모두 감당할 수 있을 만큼 충분한 전류 용량을 가진 어댑터를 선택해야 합니다. 전압이 높을수록 같은 출력 전력에서 입력 전류는 줄어들지만, 벅 컨버터와 다이오드에서의 손실, 케이블 길이에 따른 전압 강하도 함께 고려해야 합니다.
JANALOG 헤더의 5 V 핀으로 직접 전원을 공급할 때는, 이 핀에 인가하는 전압이 곧 5V_SYS 버스로 들어간다는 점을 기억해야 합니다. 이미 5V_SYS에 USB‑C나 VIN 경로를 통해 전원이 공급되는 상태에서 동시에 5 V를 인가하면, 다이오드 OR 구조로 인해 전원 간 상호 작용이 생길 수 있습니다. 따라서 보드를 설계하거나 시스템에 통합할 때는, 한 번에 하나의 주 전원만 사용하도록 구성하는 것이 일반적으로 더 안전합니다(정확한 사용 제약은 전체 회로도 및 공식 문서를 추가로 확인하는 것이 좋습니다).
3.3 V와 1.8 V 핀을 활용할 때는, 연결하는 센서나 모듈의 동작 전압을 반드시 확인해야 합니다. 1.8 V 도메인은 SoC I/O와 고속 인터페이스가 직결되는 민감한 영역이므로, 3.3 V 신호를 직접 물리지 말고 꼭 레벨 시프터를 사용해야 합니다. 또한 PWR_3P3V는 3.1~3.5 V 범위에서 동작할 수 있으므로, 절대 최대 정격이 3.3 V에 매우 가깝게 설정된 외부 IC를 사용할 경우에는 여유를 두고 선택하는 것이 좋습니다.
열 관리 측면에서는, UNO Q 주변 공기 온도를 -10~60 ℃ 범위 내로 유지하는 것이 권장됩니다. 상한에 가까운 환경에서 고부하로 장시간 동작시키면 레귤레이터나 PMIC가 허용 출력 전류를 줄이거나, 온도 보호 기능이 동작할 수 있습니다. 따라서 밀폐된 공간에서 사용하거나 주변 온도가 높은 환경에서는 환기와 방열 설계를 함께 고려해야 합니다.
USB‑C 포트는 USB 3.1 데이터와 DisplayPort Alt‑Mode 비디오를 동시에 지원합니다. 이때 슈퍼스피드(SuperSpeed) 차동 페어가 DP Alt‑Mode와 USB 3.1 데이터가 공유하는 구조라서, 디스플레이 출력이 활성화되면 USB 데이터 속도가 낮아질 수 있습니다. 고해상도 디스플레이와 고속 USB 장치를 동시에 사용할 때는 전력 피크도 함께 커지므로, 5 V / 3 A 이상 충분한 전원을 준비하는 것이 특히 중요합니다.
정리
UNO Q의 전원 구조는 여러 전원 입력(USB‑C, VIN, 5 V 핀)을 Schottky 다이오드로 OR 결합해 5V_SYS라는 시스템 5 V 버스를 만들고, 여기서 다시 3.8 V 프리 레귤레이터(PWR_3P8V)와 3.3 V 시스템 레일(PWR_3P3V)을 단계적으로 생성하는 형태입니다. 동시에 PMIC PM4125가 5V_SYS를 입력으로 받아 1.8 V 외부 레일(VREG_L15A_1P8V)과 프로세서·메모리용 여러 내부 저전압 레일을 만들어 냅니다.
3.3 V 레일은 마이크로컨트롤러, 브리지 칩, 레벨 시프터, 각종 주변 장치와 헤더의 3.3 V 핀에 공급되는 보드의 "공용 로직 전원"이고, 1.8 V 레일은 SoC I/O와 고속 인터페이스를 위한 보다 민감한 도메인입니다. 이들 레일은 PMIC의 시퀀싱 제어 아래서 안전한 순서로 켜졌다 꺼지도록 설계되어 있어, 역전류와 과전압으로부터 프로세서를 보호합니다.
UNO Q를 사용할 때는 5 V / 3 A 수준의 충분히 안정적인 전원 공급원, 전압·온도 사양 준수, 3.3 V와 1.8 V 레벨 구분, 다중 전원 입력 사용 시의 주의사항을 함께 고려해야 합니다. 이렇게 전원 아키텍처를 이해해 두면, 단순한 개발보드 사용을 넘어, UNO Q를 기반으로 한 신뢰성 높은 제품이나 확장 보드를 설계하는 데 큰 도움이 됩니다.