껐다 바로 켜면 먹통인 보드, RC 리셋의 누설과 방전 다이오드 확인

가전 제어 보드나 소형 장비 보드를 수리하다 보면 이런 증상을 듣게 됩니다. 콘센트에서 뽑았다가 한참 뒤에 꽂으면 멀쩡히 켜지는데, 껐다가 바로 다시 켜면 표시창이 이상한 글자를 띄우거나 버튼이 먹지 않습니다. 또는 반대로 전원을 넣어도 LED만 켜지고 MCU가 아예 움직이지 않다가, 보드를 세척하고 말리고 나면 다시 됩니다. 전원 레일을 재 보면 5V든 3.3V든 정상으로 나오니, 전원부 고장으로 보기도 어렵습니다.

이럴 때 MCU 옆의 RESET 핀을 먼저 의심해 볼 만합니다. 전용 리셋 IC 대신 풀업 저항 하나와 커패시터 하나로 만든 RC 리셋 회로는, 전원이 들어온 뒤 커패시터가 충전될 때까지 RESET을 Low로 붙잡아 두었다가 놓아 주는 단순한 회로입니다. 단순한 만큼 커패시터 누설, 오염, 방전 경로 같은 작은 변화에 동작이 바로 흔들립니다.

이 글에서는 이 회로를 두 각도에서 직접 확인합니다. 첫째, 커패시터 양단에 누설 저항이 생겼을 때 RESET 핀 전압이 어디까지 올라가는지를 ngspice로 시뮬레이션했습니다. 둘째, 전원을 껐다가 20ms 만에 다시 켜는 상황을 방전 다이오드가 있는 회로와 없는 회로로 시뮬레이션했습니다. 여기에 RC 값별로 ‘몇 ms를 꺼 두어야 다시 리셋이 걸리는지’를 직접 계산해 표와 도표로 정리했습니다.

증상에서 원인 후보 좁히기

이 글에서는 RC 리셋 쪽 증상을 두 갈래로 나눠 봅니다. 하나는 리셋이 풀리지 않는 쪽이고, 다른 하나는 리셋이 걸려야 할 때 걸리지 않는 쪽입니다. 겉으로는 둘 다 ‘가끔 안 켜진다’로 들리지만 원인과 측정 방법이 다릅니다.

표의 마지막 줄은 부품 고장이 아니라 회로 구조의 한계입니다. 이 차이는 뒤에서 전용 리셋 IC와 비교하며 다시 다룹니다. 먼저 첫 번째 갈래, 누설부터 시뮬레이션으로 보겠습니다.

누설이 생기면 RESET 핀은 어디까지 올라가나

직접 시뮬레이션: 커패시터 누설 저항별 RESET 핀 충전 곡선

조건은 이렇습니다. 5V 레일이 0V에서 5V까지 1ms에 걸쳐 올라가고, RESET 핀에는 10kΩ 풀업과 10µF 커패시터가 붙어 있습니다. 이 값은 특정 제품에서 가져온 것이 아니라 계산하기 쉬운 가정한 대표값입니다. 커패시터 양단에 누설 저항을 하나 더 달아, 없음·100kΩ·47kΩ·22kΩ·8.2kΩ 다섯 경우를 같은 그래프에 겹쳐 그렸습니다. 누설 저항은 커패시터 자체의 누설일 수도 있고, 핀 사이에 남은 플럭스나 습기, 부식으로 생긴 경로일 수도 있습니다. MCU 입력 쪽 내부 풀업과 입력 누설 전류는 넣지 않았습니다.

RESET이 풀리는 문턱은 두 가지로 봤습니다. SN74HC14 데이터시트의 VCC 4.5V 조건에서 상승 문턱 VT+는 최소 1.55V, 대표 2.5V, 최대 3.13V입니다. 대표값 2.5V와 최대값 3.13V에서 각각 RESET이 풀리는 시간을 .meas로 쟀습니다. MCU마다 RESET 입력 문턱은 다르므로, 수리하는 보드의 MCU 데이터시트에서 해당 값을 다시 확인해야 합니다.

시뮬레이션 결과에서 눈여겨볼 점은 누설이 ‘늦게 풀리게’ 만드는 효과보다 ‘끝까지 못 올라가게’ 만드는 효과가 크다는 것입니다. 시뮬레이션 결과 2.5V 문턱 기준으로 정상은 69.8ms, 22kΩ 누설은 89.8ms에 풀려서 시간 차이는 크지 않습니다. 하지만 시뮬레이션 결과 최종 전압은 정상이 4.99V, 22kΩ 누설이 3.44V로 내려갑니다. 풀업 10kΩ과 누설 저항이 분압기를 이루기 때문입니다.

시뮬레이션 결과 8.2kΩ 누설에서는 최종 전압이 2.25V에 머물러 2.5V 문턱에 닿지 못합니다. 이 상태에서는 전원을 아무리 오래 넣어 두어도 MCU가 리셋에서 빠져나오지 못합니다. 레일 전압은 정상인데 MCU가 전혀 움직이지 않는 증상이 바로 이 경우입니다.

문턱이 최대값 쪽에 있는 부품이라면 여유는 더 줄어듭니다. 시뮬레이션 결과 22kΩ 누설에서는 3.13V 문턱까지 166.5ms가 걸리고, 최종 전압 3.44V와 문턱 사이 여유가 작습니다. 누설은 온도와 습도에 따라 달라질 수 있으므로, 이런 보드는 어떤 날은 켜지고 어떤 날은 안 켜지는 식으로 증상이 오락가락할 수 있습니다.

직접 계산: 리셋이 풀리지 않게 되는 누설 저항의 경계

최종 전압은 분압식 V = 5V × R_누설 / (10kΩ + R_누설)로 구할 수 있습니다. 이 값이 문턱과 같아지는 누설 저항을 풀면 R_누설 = 10kΩ × V_문턱 / (5V − V_문턱)입니다. 직접 계산하면 2.5V 문턱에서는 10.0kΩ, 3.13V 문턱에서는 16.74kΩ이 경계입니다. 즉 RESET 핀과 GND 사이 저항이 이 값보다 낮아지면 리셋이 풀리지 않습니다.

풀업 저항이 클수록 같은 누설에도 더 많이 무너집니다. 풀업이 100kΩ인 보드라면 경계도 같은 비율로 커집니다. 이 관계는 I2C 풀업 저항값별 SCL 파형에서 풀업 저항과 누설이 만드는 분압과 같은 원리입니다.

이 시뮬레이션을 진단에 쓰는 방법

• 전원을 넣은 상태에서 RESET 핀과 GND 사이 직류 전압을 잽니다. 레일 전압과 거의 같으면 누설은 문제가 아닙니다. 레일보다 눈에 띄게 낮으면 누설 경로를 의심합니다.
• 전원을 끄고 커패시터를 방전시킨 뒤 RESET–GND 사이 저항을 잽니다. 커패시터가 충전되면서 값이 올라가는 것이 정상이며, 수십 kΩ 이하에서 멈추면 누설 경로가 있다고 볼 수 있습니다. 다만 MCU 내부 회로가 병렬로 걸려 있으므로 커패시터 한쪽 다리를 들어 따로 재야 정확합니다.
• 커패시터 주변에 플럭스 잔여물이나 습기 자국이 보이면 IPA로 세척하고 충분히 말린 뒤 다시 잽니다. 세척 후 RESET 전압이 올라가면 원인은 오염입니다.
• 세척 후에도 낮으면 커패시터를 떼어 단품으로 확인하고, 같은 용량·정격의 새 부품으로 바꿉니다.

모델의 한계: 이 시뮬레이션은 이상적인 저항·커패시터 모델이라 실제 측정값과 다를 수 있습니다. 실제 MCU는 RESET 핀에 내부 풀업이 있거나 입력 누설 전류가 있어 최종 전압이 조금 달라지고, 누설 경로는 일정한 저항이 아니라 온도·습도에 따라 변합니다. 또 일부 MCU는 내부 브라운아웃 감지나 리셋 필터를 갖고 있어 동작이 달라질 수 있습니다. 그래프는 ‘누설이 분압을 만들어 최종 전압을 깎는다’는 방향을 보여 주는 용도로 읽어 주세요.

껐다 바로 켜면 먹통인 이유: 방전 경로

직접 시뮬레이션: 20ms 꺼짐 뒤 재투입, 방전 다이오드 유무 비교

두 번째 갈래는 리셋이 걸려야 할 때 걸리지 않는 경우입니다. 전원을 껐다가 금방 다시 켜면 커패시터가 아직 덜 비워진 상태라 RESET이 Low로 충분히 내려가지 않습니다. 이것을 막으려고 RESET 노드(애노드)에서 VDD(캐소드)로 다이오드를 하나 다는 회로가 있습니다. 전원이 꺼져 VDD가 내려가면 이 다이오드가 켜져 커패시터를 빠르게 VDD 쪽으로 비웁니다.

시뮬레이션 조건은 같은 10kΩ·10µF 회로이고, 레일에는 보드 부하 대신 1kΩ을 달았습니다. 5V 레일을 0ms에 켜고, 300ms에 1ms 동안 0V로 내리고, 20ms 꺼 둔 뒤 320ms부터 1ms에 걸쳐 다시 5V로 올렸습니다. 한쪽 회로에는 방전 다이오드가 없고, 다른 쪽에는 1N4148급 소신호 다이오드 모델을 달았습니다. 다이오드 모델 파라미터(Is, N, Rs)는 1N4148급 소신호 다이오드를 흉내 내도록 가정한 값입니다.

시뮬레이션 결과 다이오드가 없는 회로는 20ms 꺼진 동안 RESET이 4.75V에서 3.89V까지만 내려갑니다. 시뮬레이션 결과 최저 3.89V가 2.5V 문턱보다 높으므로 MCU 입장에서는 리셋이 한 번도 걸리지 않은 것입니다. 그 사이 VDD는 0V까지 내려갔다 올라왔으니, MCU 내부 상태는 전원이 빠지는 도중에 망가졌는데 리셋 없이 다시 실행을 시작합니다. 표시창이 깨지거나 버튼이 먹지 않는 증상은 이렇게 설명할 수 있습니다.

시뮬레이션 결과 다이오드가 있는 회로는 꺼지자마자 RESET이 0.37V까지 떨어지고, 재투입 뒤 382.2ms에 2.5V를 넘어 리셋이 풀립니다. 직접 계산하면 재투입(321ms) 뒤 리셋이 풀리기까지 61.2ms로, 처음 전원을 넣을 때의 69.8ms(시뮬레이션 결과)보다 조금 짧습니다. 다이오드 순방향 전압만큼 커패시터에 전압이 남아 있기 때문입니다.

같은 결과를 공식으로도 확인할 수 있습니다. 직접 계산하면, 커패시터가 10kΩ 풀업을 거쳐 0V 레일 쪽으로 빠진다고 보고 4.75V에서 시정수 100ms로 20ms 동안 방전한 전압은 3.89V로, 시뮬레이션 값과 맞습니다. 커패시터를 비우는 시간 계산은 방전 저항 몇 Ω이 적당할까: 325V 콘덴서 방전 시간 계산과 같은 지수 감쇠 식입니다.

직접 계산: RC 값별로 다시 리셋이 걸리려면 몇 ms 꺼져야 하나

다이오드가 없는 보드라면 ‘얼마나 오래 꺼 둬야 다시 정상으로 켜지는가’가 궁금해집니다. 리셋이 다시 걸리려면 RESET이 하강 문턱 아래로 내려가야 합니다. SN74HC14 데이터시트의 VCC 4.5V 조건에서 하강 문턱 VT−는 최소 0.9V, 대표 1.6V, 최대 2.45V입니다. 커패시터가 5V에서 출발해 풀업 저항을 거쳐 0V 레일로 빠진다고 보고, 필요한 꺼짐 시간을 t = RC × ln(5V / V_문턱)로 계산했습니다. 레일 쪽 부하 저항과 MCU 입력 쪽 경로는 무시했습니다.

직접 계산하면 10kΩ·10µF 조합은 다시 리셋이 걸리기까지 대표 문턱 기준 114ms, 최소 문턱 기준 171ms를 꺼 두어야 합니다. 100kΩ·10µF처럼 시정수가 큰 조합은 직접 계산하면 1139ms에서 1715ms까지 늘어납니다. 사용자가 ‘1초쯤 기다렸다 켜면 된다’고 느끼는 보드라면 이 범위에 있을 수 있습니다.

한 가지 더 볼 점은 리셋 해제 시간과 필요한 꺼짐 시간이 같은 시정수로 함께 움직인다는 것입니다. 직접 계산하면 10kΩ·10µF 조합에서 해제 시간은 69.3ms, 필요한 꺼짐 시간은 114ms입니다. 리셋을 길게 잡으려고 시정수를 키우면, 다이오드가 없을 때 짧은 정전에 리셋이 걸리지 않는 구간도 그만큼 길어집니다. 원래 다이오드가 있던 자리를 빈 채로 두면 안 되는 이유입니다.

이 계산을 진단에 쓰는 방법

• 고객이 말하는 ‘몇 초 기다리면 된다’는 시간과 보드의 RC 값으로 계산한 꺼짐 시간이 비슷하면, 방전 경로를 먼저 의심해 볼 만합니다.
• 회로도나 패턴에서 RESET 노드와 VDD 사이 다이오드 자리를 찾습니다. 부품이 있는데도 증상이 있으면 다이오드 모드로 개방 여부를 확인합니다.
• 오실로스코프로 VDD와 RESET을 동시에 걸고, 전원을 끈 직후 RESET이 따라 내려가는지 봅니다. 시뮬레이션 결과에서는 다이오드가 있을 때 RESET이 0.37V까지 바로 떨어졌고, 없을 때는 3.89V까지만 천천히 내려갔습니다. 스코프 트리거 설정은 오실로스코프 사용법과 파형 읽는 법을 참고하세요.
• VDD 레일 자체가 천천히 내려가는 보드(큰 벌크 커패시터, 부하가 작음)는 다이오드가 있어도 RESET이 VDD를 따라 천천히 내려옵니다. 이 경우는 RESET만이 아니라 레일 방전 곡선도 같이 봐야 합니다.

모델의 한계: 계산은 레일이 0V로 바로 떨어지고 그 상태로 유지된다고 가정했습니다. 실제 레일은 벌크 커패시터와 부하에 따라 천천히 내려가고, MCU 내부 보호 다이오드가 RESET 핀에서 VDD로 방전 경로를 만들 수도 있어 실제 꺼짐 시간은 이 계산보다 짧을 수 있습니다. 시뮬레이션도 이상적인 부품 모델이라 실제 측정값과 다를 수 있습니다. 표는 RC 조합 사이의 상대적인 차이를 보는 용도로 쓰는 것이 맞습니다.

RC 리셋으로는 못 막는 것: 전원 처짐

방전 다이오드를 달아도 RC 리셋이 해결하지 못하는 경우가 있습니다. 전원이 0V까지 떨어지지 않고 MCU가 오동작할 만큼만 처졌다가 돌아오는 경우입니다. RC 회로는 전압을 감시하지 않기 때문에, VDD가 조금 내려가도 다이오드가 켜질 만큼 내려가지 않으면 RESET은 그대로 High에 남습니다.

전용 리셋 IC는 이 부분을 다르게 처리합니다. TI TPS3823 데이터시트에 따르면 이 계열은 VDD가 1.1V를 넘으면 RESET을 걸고, VDD가 문턱 V_IT−보다 낮은 동안 RESET을 Low로 유지합니다. 내부 타이머는 RESET 출력이 비활성(High)으로 돌아가는 것을 지연 시간 t_d만큼 늦춥니다. 공급 전압이 V_IT− 아래로 떨어지면 출력은 다시 Low가 됩니다.

수리 관점에서 정리하면, RC 리셋 보드에서 ‘전원이 살짝 흔들릴 때 오동작’하는 증상은 리셋 부품을 바꿔서 고쳐지는 고장이 아닐 수 있습니다. 이때는 전원 레일이 왜 처지는지(평활 커패시터 용량 감소, 어댑터 불량, 부하 단락)를 먼저 찾습니다. 레일 처짐 자체를 잡는 것이 수리의 본론입니다.

반대로 리셋 IC가 달린 보드에서 MCU가 켜지지 않는다면, RESET 핀이 Low에 묶여 있는지와 VDD가 해당 부품의 V_IT−보다 높은지를 함께 봅니다. TPS382x-50처럼 5V 레일용 부품은 대표 문턱이 4.55V라, 레일이 4.5V 근처에서 머무르면 리셋을 놓지 않을 수 있습니다. 레일이 정상인데도 RESET이 계속 Low라면 리셋 IC 출력이나 RESET 라인의 단락을 의심합니다.

현장에서 재는 순서

1. 전원 레일을 먼저 잽니다. 레일이 정상 범위에 있어야 RESET을 의심할 의미가 있습니다. 레일이 낮다면 벤치 파워의 전류 제한을 걸고 소모 전류부터 봅니다. 방법은 벤치 파워 전류 제한으로 메인보드 첫 통전하는 법에 정리해 두었습니다.
2. 전원을 넣은 상태에서 RESET 핀 직류 전압을 잽니다. 레일과 거의 같으면 다음 단계로, 눈에 띄게 낮으면 누설·오염을 확인합니다.
3. RESET이 낮다면 보드를 세척·건조한 뒤 다시 잽니다. 그래도 낮으면 커패시터 한쪽 다리를 들고 RESET 전압이 올라오는지 봅니다. 올라오면 커패시터, 그대로면 MCU 쪽이나 패턴 누설입니다.
4. 껐다 켤 때만 문제가 생긴다면 스코프 두 채널로 VDD와 RESET을 함께 잡고 전원을 끕니다. RESET이 VDD를 따라 내려가지 않으면 방전 다이오드 자리를 확인합니다.
5. 리셋 IC가 달린 보드라면 IC 출력 핀을 보고, VDD가 데이터시트 문턱 위에 있는데도 Low에 머무르는지 확인합니다.

교체할 때는 원래 값과 같은 커패시터를 씁니다. 용량을 임의로 키우면 위 표처럼 리셋 해제 시간과 필요한 꺼짐 시간이 함께 늘어납니다. 방전 다이오드 자리가 비어 있다면, 같은 보드의 다른 생산분이나 회로도를 확인해 원래 부품이 있던 자리인지부터 확인합니다.

작업 전 안전 주의

가전 제어 보드는 MCU 쪽 GND가 상용 전원과 절연되지 않은 비절연 전원으로 만들어졌을 수 있습니다. 이런 보드에서는 5V 레일과 GND가 220V 라인에 직접 연결되어 있을 수 있어, 전원을 넣은 채 스코프 접지 집게를 물리면 감전이나 장비 손상으로 이어질 수 있습니다. 전원부가 절연형인지 확인하기 전에는 절연 트랜스를 거쳐 전원을 넣거나, 전원을 빼고 벤치 파워로 저전압 레일만 따로 공급해 측정합니다. 전원을 뺀 뒤에도 1차측 평활 커패시터에 전압이 남아 있을 수 있으니, 방전을 확인한 뒤 손을 댑니다.

시뮬레이션 넷리스트

아래 넷리스트를 ngspice 44.2에서 그대로 실행해 위 그래프와 표의 시뮬레이션 값을 얻었습니다. 저항·커패시터 값을 수리하는 보드의 값으로 바꿔 넣으면 같은 방식으로 확인해 볼 수 있습니다.

누설 저항별 충전 곡선 (sim1.cir)

* MCU RC reset at power-on: 5V rail ramps 0->5V in 1ms
* R = 10k pull-up to VDD, C = 10uF to GND (assumed typical values)
* leakage across C (contamination / damaged cap): none, 100k, 47k, 22k, 8.2k
* reset release threshold 2.5V and 3.13V (SN74HC14 VT+ typ and max at VCC 4.5V)
Vdd vdd 0 PWL(0 0 1m 5)
R1 vdd r1 10k
C1 r1 0 10u
R2 vdd r2 10k
C2 r2 0 10u
Rl2 r2 0 100k
R3 vdd r3 10k
C3 r3 0 10u
Rl3 r3 0 47k
R4 vdd r4 10k
C4 r4 0 10u
Rl4 r4 0 22k
R5 vdd r5 10k
C5 r5 0 10u
Rl5 r5 0 8.2k
.tran 10u 600m
.meas tran t_ok WHEN v(r1)=2.5 RISE=1
.meas tran t_100k WHEN v(r2)=2.5 RISE=1
.meas tran t_47k WHEN v(r3)=2.5 RISE=1
.meas tran t_22k WHEN v(r4)=2.5 RISE=1
.meas tran vf_ok FIND v(r1) AT=590m
.meas tran vf_100k FIND v(r2) AT=590m
.meas tran vf_47k FIND v(r3) AT=590m
.meas tran vf_22k FIND v(r4) AT=590m
.meas tran vf_8k2 FIND v(r5) AT=590m
.meas tran t313_ok WHEN v(r1)=3.13 RISE=1
.meas tran t313_100k WHEN v(r2)=3.13 RISE=1
.meas tran t313_47k WHEN v(r3)=3.13 RISE=1
.meas tran t313_22k WHEN v(r4)=3.13 RISE=1

20ms 꺼짐 뒤 재투입 (sim2.cir)

* quick power cycle: 5V rail on, off at 300ms for 20ms (falls/rises in 1ms), then on again
* same RC reset: R = 10k pull-up, C = 10uF (assumed)
* a: no discharge diode   b: 1N4148-type diode from RESET (anode) to VDD (cathode)
.model dsig D(Is=2.52n N=1.752 Rs=0.568)
Vdd vdd 0 PWL(0 0 1m 5 300m 5 301m 0 320m 0 321m 5)
Rdd vdd 0 1k
Ra vdd ra 10k
Ca ra 0 10u
Rb vdd rb 10k
Cb rb 0 10u
Db rb vdd dsig
.tran 10u 500m
.meas tran va_on FIND v(ra) AT=300m
.meas tran va_min MIN v(ra) FROM=300m TO=330m
.meas tran vb_min MIN v(rb) FROM=300m TO=330m
.meas tran ta_rel WHEN v(ra)=2.5 RISE=LAST
.meas tran tb_rel WHEN v(rb)=2.5 RISE=LAST
.meas tran va_321 FIND v(ra) AT=321m
.meas tran vb_321 FIND v(rb) AT=321m