현대 카메라 렌즈 수리의 복잡한 내부(2024)

1 hour ago 2

전자 제어가 전혀 응답하지 않던 Sigma 45mm f/2.8 L-mount 렌즈는 제어 PCB 입력 전원 라인의 0603 SMT 퓨즈 교체 후 정상 동작으로 복구
초기 증상은 Lumix S5 장착 시 라이브 이미지는 표시되지만 렌즈 다이얼·스위치와 카메라 제어 다이얼이 모두 작동하지 않는 전기적 고장
진단 순서는 렌즈 접점 블록의 10단자 플렉스 케이블 연속성 확인, 입력 전원 추적, DC-DC 컨버터와 인접 퓨즈 점검
고장난 퓨즈는 DC-DC 컨버터 입력을 보호한 상태였고, 구체적 실패 지점은 발견되지 않았으며 TI 데이터시트의 과전류 조건이 추가 분석 단서
전체 수리는 1시간 미만의 렌즈 완전 분해와 퓨즈 교체로 끝났고, 작은 전원 보호 부품 하나가 정상 렌즈 전체를 멈출 수 있는 사례

배경

기능하는 렌즈 구매를 제한하고, 대체로 중고 판매가의 1/4 미만이면서 기계적 손상이 거의 없거나 없는 렌즈에만 입찰하는 개인 구매 기준
최근 생산된 Sigma I-series 렌즈의 주로 알루미늄 구조에 관심이 있었고, 1월 eBay에 고장 난 45mm f/2.8 렌즈가 저렴하게 등장
판매자는 고장 난 현대 카메라 장비 재고가 자주 있었고, 때때로 장비를 분해해 부품으로 판매하는 경우도 있는 상태

도착

렌즈는 잘 포장되어 도착했고, 초기 검사에서 배럴과 전후면 렌즈 요소에 흠집이 없는 상태
외부 렌즈 요소 검사는 오일 없는 공기 압축기로 먼지를 제거한 뒤 Kimwipe와 렌즈 세정액으로 전후면 요소를 청소하는 방식
- 외부 렌즈 대부분에는 약국의 안경 세정제도 충분하며, 이소프로필 알코올도 대안
- 플라스틱 렌즈에는 이소프로필 알코올 사용 금지
Lumix S5에 장착할 때 과도한 힘처럼 느껴질 정도로 뻑뻑했지만, 장착 후 카메라는 정상 부팅하고 라이브 이미지를 표시
렌즈의 다이얼과 스위치가 사용자 입력에 반응하지 않았고, 카메라 제어 다이얼 움직임도 등록되지 않아 전기적 고장으로 판단
제어 PCB는 보통 렌즈 뒤쪽의 후면 렌즈 접점 블록 가까이에 있으며, 매우 뻑뻑한 렌즈 마운트도 함께 확인할 수 있는 구조

도구

이 수리의 진입 장벽은 낮고, 대부분의 도구는 표준적이고 범용적인 장비
렌즈 외 가장 큰 비용은 여과된 공기지만, 압축 공기 더스터도 사용 가능
카메라 업계 설계 인력이 일본에 집중되어 있어 JIS 나사가 표준적이며, Phillips 드라이버도 작동하지만 JIS 나사 머리를 더 빨리 마모시키는 경향
사용 도구는 Kimwipes/보풀 없는 렌즈 와이프, 스프레이 이소프로필 알코올, 안경 세정제, 극세사 천, 니트릴 장갑, 고여과 작업장 공기/오일 없는 컴프레서, 테이프, Sharpie, 스칼펠, 플라스틱 스퍼저, 확대경/광학 장비, JIS x 2.5mm 또는 Philips #00 드라이버, JIS x 3.0mm 또는 Philips #0 드라이버

분해

분해 시 조리개 표시가 작업자와 테이블 앞쪽 가장자리를 향하도록 렌즈 방향 설정
후면 렌즈 요소 주변의 플라스틱 장식 스페이서를 먼저 제거하고, 검은색 기계 나사 3개를 제거
플라스틱 렌즈 블록 단자 인터페이스 측면을 금속 렌즈 마운트에 고정하는 니켈 도금 나사 2개 제거
나사는 렌즈 방향과 맞춘 배치로 양면테이프 위에 보관하며, 이후 재조립을 쉽게 만드는 방식
렌즈 마운트 베이오넷과 심(shim)은 방향과 순서가 중요해 별도 테이프에 보관
카메라 바디 장착에 문제가 있었기 때문에 심, 베이오넷 마운트 뒷면, 렌즈 바디의 결함과 표면 오염을 점검하고 이소프로필 알코올로 모든 표면 청소
렌즈 접점 블록 플렉스 케이블은 취급 시 특히 주의 필요
L-mount 접점 블록은 10개 단자를 갖고, 유연한 폴리이미드 케이블을 통해 제어 PCB와 연결
- 이 플렉스 케이블은 쉽게 찢어지는 경향
- 분해를 계속하기 전 멀티미터로 각 트레이스의 연속성 확인 필요
- 눈에 보이는 찢어짐이 있으면 문제 진단 전에 해당 플렉스 케이블 수리 우선
- 해당 렌즈의 플렉스 케이블은 연속성 측정에서 결함 없음
후면 CNC 가공 알루미늄 쉘은 다음 분해 대상
- 접지 스트랩 2개가 니켈 도금 기계 나사로 후면 쉘에 고정
- 스트랩 위치는 대략 2시와 7시 방향
- 11시 방향의 푸시인 스위치 플렉스 커넥터는 핀셋으로 흔들어 분리 가능
- 검은색 산화 처리 셀프태핑 나사 4개가 쉘과 중앙 플라스틱 렌즈 모듈을 결합
제어 PCB는 플렉스 케이블 분리 후 렌즈 바디에서 꺼내 세부 점검 가능
- PCB 고정 나사는 각각 2시, 7시, 10시 방향의 검은색 셀프태핑 나사 3개

PCB 분석

C자형 PCB는 다른 렌즈 제어 PCB와 비슷하게 메인 마이크로컨트롤러, DC-DC 컨트롤러, 모터 컨트롤러, 크리스털 오실레이터, 여러 수동 부품으로 구성
반대쪽 면에는 FPC(Flexible Printed Circuit) 커넥터, 테스트 포인트, 메인 마이크로컨트롤러 바로 아래의 8핀 SPI flash 패키지 배치
알 수 없는 PCB 고장 점검은 입력 전원 라인 추적부터 시작하는 방식
- 보드가 어디에서 전원을 받아야 하는지 확인
- V+와 Gnd 트레이스가 PCB에서 처음 시작되는 위치 확인
- 보드에서 처음 전원을 받는 부품 확인
- PCB 레이어와 점프된 트레이스가 복잡할 수 있어 간단한 전원 흐름 메모 작성이 유용
렌즈 단자 블록에서 입력 전원을 추적하면 두꺼운 플렉스 PCB 트레이스가 V+와 Gnd로 볼 수 있는 부분
이 PCB에서는 입력 전원 추적이 까다로운 구조
- 플렉스 케이블의 큰 트레이스가 FPC 커넥터 아래에 숨겨져 있음
- 비아(via)를 통해 PCB 반대쪽으로 지나감
- 전원 트레이스는 작은 정사각형 검은 칩인 DC-DC 컨버터로 연결
DC-DC 컨트롤러의 단서는 인접한 크고 두꺼운 황갈색·베이지색·검은색 블록 부품
- 표시된 “2R2” 부품은 2.2µH 인덕터
- 인덕터를 전원 컨트롤러 가까이에 두는 배치는 방사 방출과 노이즈를 줄이기 위한 반도체 제조사의 일반 권장
Sigma 렌즈 PCB에는 “PA71 TI 18i”로 표시된 16-VQFN 패키지 TI TPS62140RGTR Buck 컨버터 사용
레이아웃은 TI 데이터시트 권장 배치와 매우 비슷하고, C1은 Vin과 Gnd를 연결하는 DC-DC 컨버터의 주 입력 필터 커패시터 역할
입력 전압 레일에서 C1 옆의 “N” 표기 패키지는 DC-DC를 손상에서 보호하는 퓨즈
- 멀티미터 점검에서 해당 퓨즈가 열린(open) 상태
- 퓨즈가 DC-DC 컨버터를 파괴에서 보호한 상태
“N” 표기 퓨즈 검색은 유의미한 결과가 많지 않았지만, AliExpress에서 2A 정격 SMT 퓨즈 제안이 등장
TPS62140RGTR 데이터시트는 2A 출력 전류를 명시하며, Panasonic Semi SMT 퓨즈 경험을 바탕으로 2A 32V 빠른 차단 퓨즈 ERB-RE2R00V 선택
Lumix GH3, GH4, GH5 카메라는 32V 2.5A와 1.5A 퓨즈를 혼합 사용
카메라 전자회로에서 임의의 한 글자 표기가 있는 2단자 저항 모양 패키지는 SMT 퓨즈인 경우가 많고, 때로는 가리비 모양 단자를 가짐
고장 퓨즈 크기는 0603이어서 비교적 저렴하고 정밀도가 낮은 장비로도 수리 가능
- 0402와 0201 퓨즈도 존재
- 레이아웃은 퓨즈 옆에 수리 도구 접근 공간을 남긴 구조
- Lumix GH3/GH4 메인보드의 배터리 입력 퓨즈는 SD 카드 슬롯과 돌출된 배터리 커넥터 사이에 끼어 있는 예시
SMT 핀셋을 쓰면 퓨즈 교체가 쉽고, 임시로는 납땜 인두 2개도 사용 가능
수리 절차는 고장 퓨즈 제거, 패드 청소, 새 퓨즈 위치 정렬, 퓨즈 고정 후 단자별 납땜 순서

퓨즈 조사

퓨즈가 왜 고장났는지에 대한 구체적 실패 지점은 발견되지 않은 상태
원인 후보로 검토된 사용 조건은 AFC(연속 자동초점) 모드에서 렌즈를 둔 채 카메라가 몇 시간 또는 며칠 동안 초점을 계속 찾는 상황
TI 데이터시트의 동작 조건은 실패 지점 분석의 단서
- 출력 전류는 전류 제한으로 제한
- 내부 전파 지연 때문에 실제 전류가 그 시간 동안 정적 전류 제한을 초과할 수 있음
- ILIMF는 High-side MOSFET 순방향 전류 제한
- 테스트 조건은 VIN=12V, TA=25°C이며, 최소 2.45A, 일반 3A, 최대 3.5A
과전류 상황에서는 내부 전파 지연으로 실제 소비 전류가 매우 짧은 시간 동안 정적 전류 제한을 초과할 수 있음
렌즈 제어 PCB 설계자가 추정대로 2A 빠른 차단 SMT 퓨즈를 구현했다면, DC-DC 컨트롤러는 2A 퓨즈 사양 밖에서 동작했을 수 있다는 분석 단계의 추정

수리 결과

퓨즈 교체 후 렌즈는 정상 동작
AFC 성능은 매우 빠르지는 않지만, 수리 결과 확인에는 충분한 상태
수동 초점 다이얼은 잘 작동하고, 사용하기 좋은 수준의 댐핑을 가짐
조리개 링의 느낌은 Lumix LX100과 가까운 인상이며, 매우 우수하다는 평가

추가 문제 해결

퓨즈에 연속성이 있었다면 다음 점검 대상은 DC-DC 출력 전압
- 출력 전압이 동작 사양 안에 있는지 확인 필요
- 메인 마이크로컨트롤러의 전원 요구사항보다 낮거나 높은지 확인 필요
이 PCB의 메인 마이크로컨트롤러는 “341Fy 551486”로 표시되어 있지만 실제 부품은 Toshiba TMPM341FYXBG
- 32bit Arm M3 마이크로컨트롤러
- 여러 기능, I/O 주변장치 지원, 모터 제어 통신 프로토콜 보유
- 제어 PCB의 주 통신 허브 역할
전용 마이크로컨트롤러는 회로 내 다른 마이크로컨트롤러와 주변장치와 통신하기 위해 정확한 클록 신호 필요
PCB에서 전용 크리스털 오실레이터를 찾으면 근처에 마이크로컨트롤러가 있을 가능성이 높음
전통적인 석영 크리스털 오실레이터는 동작 주파수가 다양하고 은색 금속 패키지로 밀봉
- 표면실장 또는 스루홀 패키지로 흔히 존재
- MEMS 크리스털 오실레이터도 가능하지만 약간 더 비싸고 덜 흔함
- MEMS 오실레이터는 보통 매우 작은 정사각형 반사형 칩스케일 또는 플립칩 패키지
- 일부 마이크로컨트롤러는 온칩 오실레이터를 갖지만 외부 크리스털만큼 일관적이지 않아 외부 크리스털 선호
TMPM341FYXBG 입력 전원 확인이 다음 단계
- DC-DC 컨트롤러 출력 레일과 TMPM341FYXBG 전원 입력 사이 부품 고장은 메인 마이크로컨트롤러 오동작 원인
- TMPM341FYXBG는 0.5mm 피치, 6×6mm, 113볼 P-TFBGA113 BGA 패키지라 Vin과 Gnd 직접 프로빙이 쉽지 않음
- Arm M3 기반 부품이므로 3.3V 부품으로 취급
- Toshiba 데이터시트의 동작 전압 범위는 2.7~3.6V
- 마이크로컨트롤러 입력 전원이 이 범위를 벗어나거나 근처 Vin-Gnd 사이 쇼트가 있으면 위험 신호
실시간 전압 프로빙의 쉬운 방법은 렌즈 접점 플렉스를 제어 PCB에 다시 꽂고, 카메라 바디와 접촉시키기 위한 가짜 렌즈 지그를 3D 프린트하는 방식
Sigma는 거의 모든 카메라 바디와 액세서리의 STEP 파일을 GrabCAD 모델로 무료 공개
렌즈 제어 PCB를 제자리에 두고 카메라에 장착한 뒤 TMPM341FYXBG 근처의 넓은 트레이스에서 3.3V 프로빙 가능
마이크로컨트롤러가 사양 내 전원을 받는다면 렌즈 PCB 고장 진단을 위해 추가 문제 해결 필요
- 메인 마이크로컨트롤러 근처의 원형 테스트 패드는 조립 전 bed-of-nails 지그에서 프로그래밍과 테스트가 이뤄졌음을 가리키는 단서
- 테스트 패드는 라벨이 없어서 올바른 패드 찾기는 시행착오
- 마이크로컨트롤러 근처 테스트 포인트 프로빙에는 로직 애널라이저 필요
- 테스트 핀에서 UART를 찾으면 부팅 비트 시퀀스 해독으로 마이크로컨트롤러 정상 부팅 여부 확인 가능
“GD V4CE 2030”으로 표시된 8핀 SPI flash 패키지도 추가 분석 대상
- 정확한 데이터시트는 없지만, “GD”는 메모리 패키지 제조사 GigaDevice의 지정 접두사
- 8핀 패키지는 작은 외부 플래시 패키지에서 흔한 형태
- 해당 패키지는 3×2mm XY 풋프린트이며, GigaDevice 데이터시트의 USON8 LGA8 패키지와 매우 가까운 형태
- 플래시 패키지 고장이 의심되면 칩을 디솔더링한 뒤 내용을 읽거나 다른 플래시 패키지로 복제 가능
- 플래시 패키지 분석은 이 수리 범위를 넘어서는 작업
메인 마이크로컨트롤러가 올바르게 작동한다면 렌즈 제어 PCB 장착 시 카메라 LCD에 조리개나 초점 거리 같은 입력값이 표시될 수 있음
- 값이 틀릴 수는 있어도 렌즈 컨트롤러 마이크로컨트롤러에서 온 일부 값은 카메라 디스플레이에 표시되어야 함
다음 점검 대상은 “U24020 202184” 패키지인 Rohm BU24020GU 모터 컨트롤러
- 이 부품은 SPI 주변장치로 구성
- SPI는 동기식 통신이며, 마스터 컨트롤러와 슬레이브 장치 사이의 클록 신호 필요
BU24020GU 주변에는 수동 부품이 많고, 미실장 4핀 패키지도 존재
Rohm 데이터시트 기준 BU24020GU도 3.3V 부품이므로 전압 확인 필요
- 입력 전압 범위 2.7~3.6V를 받지 못하면 칩이 제대로 동작하지 않음
- 이 부품도 BGA라 프로빙이 어려움
- 전원 트레이스는 신호 트레이스보다 두꺼운 관례를 활용해 주변 전원 경로 추적 가능
U24020 칩 주변에는 접지에 묶인 커패시터 2개씩의 3개 배열 패턴 존재
- 두 커패시터는 디커플링 커패시터
- 큰 커패시터는 보통 0.1µF~1µF 범위
- 작은 커패시터는 나노패럿 범위
- 서로 다른 주파수의 노이즈를 줄이기 위한 흔한 배치
데이터시트는 BU24020GU를 4채널 모터 컨트롤러로 명시하며, 커패시터 배열은 모든 채널 전원이 PCB에 배치되었음을 가리킴
전원쌍 사이를 측정하면 필요한 전원 상태 확인 가능
- 데이터시트 기준 Vin은 DVDD, MVCC12, MVCC34
- Gnd는 DVSS, MGND12, MGND34
모터 컨트롤러가 3.3V를 받는데도 포커스 풀 동작에서 렌즈 초점 모터가 움직이지 않으면 렌즈 초점 플렉스 케이블의 광학적 점검 필요
- 플렉스 케이블은 굽힘 반경이 너무 작게 압축되면 피로 누적으로 끊어지는 경향
- 케이블 움직임에 따라 초점 메커니즘이 일시적으로 다시 작동할 수 있지만 이는 거짓 양성
- 다음 플렉스 움직임에서 렌즈 통신이 끊길 수 있음

기타 렌즈 PCB 관찰

렌즈 PCB 매크로 사진에는 보드 곳곳에 작은 구멍이 다수 존재
이 작은 구멍은 스루홀 비아이며, 상당수가 초록색 상단 레이어의 접지 폴리곤에 드릴링된 구조
비아는 PCB의 노이즈 많은 부품을 위한 리턴 경로 역할을 하며, 외부 레이어 접지 폴리곤을 내부 접지 레이어와 연결
특정 부위에 비아가 큰 군집을 이루는 이유는 via stitching 때문
- via stitching은 노이즈가 큰 부품이 유도하는 리턴 전류에 낮은 임피던스 경로 제공
- 노이즈가 큰 부품이나 PCB 영역을 둘러싸면 특정 최대 주파수까지 전자기파 전파 차단 가능
이 PCB의 stitching via는 특정 트레이스나 부품을 완전히 둘러싸지 않음
- Faraday cage나 guard ring으로 동작하지 않는 구조
- 최종 설계 과정에서 방사 EMI를 낮추는 데 도움이 되는 노이즈 리턴 경로 제공