CMOS 전지를 갈아도 시간이 초기화될 때, RTC 누설 전류부터 재야 하는 이유

CMOS 전지를 새것으로 갈았는데도 며칠, 몇 주 지나면 다시 BIOS 시간이 2000년대 초로 돌아가 있고 설정이 초기화되어 있다는 문의가 있습니다. 어댑터를 꽂아 두면 멀쩡하다가 플러그를 뽑아 두면 문제가 생긴다는 말도 같이 따라옵니다. 전지를 또 갈아 주면 한동안 괜찮아 보이기 때문에 전지 불량으로 결론을 내리기 쉬운데, 같은 증상을 두 번 겪었다면 전지가 아니라 전지를 빨아먹는 쪽을 봐야 합니다.

이 글에서는 RTC 백업 회로를 ngspice로 단순화해 두 가지를 직접 확인합니다. 하나는 보드 위에 누설 경로가 생겼을 때 VCCRTC 전압과 전지 전류가 각각 얼마나 달라지는가이고, 다른 하나는 대기 전원이 끊기는 순간 전지 상태에 따라 VCCRTC가 어떻게 넘어가는가입니다. 여기에 전지 용량을 나눠 본 수명 계산을 붙여서, 멀티미터로 무엇을 재야 원인이 갈리는지 정리했습니다.

증상과 의심할 곳 세 갈래

시간이 초기화되는 노트북이나 데스크톱 보드에서 확인할 곳은 크게 세 갈래로 나눌 수 있습니다.

• 전지 자체: 전압이 낮거나, 홀더와 접촉이 나빠 실제로는 연결이 끊겨 있는 상태입니다.
• 전지를 빨리 소모시키는 누설: VCCRTC 주변의 플럭스 찌꺼기, 습기나 침수로 생긴 부식, 내부 누설이 생긴 커패시터처럼 RTC 부하와 병렬로 붙은 저항 경로입니다.
• 전환 경로 이상: 대기 전원과 전지를 묶는 듀얼 쇼트키 다이오드(BAT54C 같은 부품)나 직렬 저항이 끊겨 전지 쪽 경로가 열려 있는 상태입니다.

이 셋은 증상만 보면 똑같이 “시간이 날아간다”로 나타납니다. 차이는 언제 날아가는가에 있습니다. 전지 경로가 끊겨 있으면 플러그를 뽑는 즉시 날아가고, 누설이 있으면 새 전지를 넣은 직후에는 멀쩡하다가 시간이 지나야 날아갑니다. 아래 두 시뮬레이션은 이 차이를 숫자로 보여 주기 위한 것입니다.

안전: 노트북은 CMOS 전지를 만지기 전에 어댑터를 뽑고 메인 배터리 커넥터를 먼저 분리합니다. 메인 배터리가 연결된 상태에서는 대기 전원이 살아 있어 측정값이 전지 전압이 아니라 대기 레일 값으로 읽힙니다. 코인 전지를 핀셋으로 잡을 때 양극 테두리와 음극 면을 동시에 집으면 전지가 단락되므로 플라스틱 핀셋을 씁니다. 리튬 코인 전지는 아이들 손이 닿지 않는 곳에 둡니다.

누설이 생기면 전압보다 전류가 먼저 변한다

직접 시뮬레이션: 전지 전압을 1.8V에서 3.2V까지 내리며 본 누설 저항별 VCCRTC

회로는 다음과 같이 가정했습니다. 코인 전지(내부 저항 10Ω 가정) → 직렬 1kΩ → 쇼트키 다이오드 → VCCRTC 노드입니다. VCCRTC에는 1µF 커패시터와 RTC 부하를 달았습니다. RTC 부하는 3V에서 6µA가 흐르도록 500kΩ 저항으로 둔 가정한 대표값이고, 실제 칩셋의 RTC 전류는 데이터시트마다 다릅니다. 쇼트키 모델도 일반 다이오드 식에 값을 넣은 가정 모델입니다. 참고로 Diodes Inc. BAT54 데이터시트는 VF 최대값을 IF 0.1mA에서 240mV, 1mA에서 320mV로 적고 있고, 이 모델은 그보다 낮은 쪽에 있습니다. 본전원은 꺼진 상태로 보고, 누설 저항을 없음, 1MΩ, 100kΩ, 20kΩ 네 가지로 바꾸면서 전지 전압을 DC 스윕했습니다.

* RTC 백업 회로: 코인 전지 -> 직렬 1k -> 쇼트키 -> VCCRTC(1uF), 본전원은 꺼진 상태
* RTC 우물 부하 6uA(3V에서 500k로 가정), 보드 위 누설 저항만 바꿔 비교
VB bat 0 3.0
Rbi bat b 10
* A: 누설 없음
Vm1 b b1 0
R1 b1 d1 1k
D1 d1 r1 DSCH
C1 r1 0 1u
RL1 r1 0 500k
* B: 누설 1M
Vm2 b b2 0
R2 b2 d2 1k
D2 d2 r2 DSCH
C2 r2 0 1u
RL2 r2 0 500k
RK2 r2 0 1Meg
* C: 누설 100k
Vm3 b b3 0
R3 b3 d3 1k
D3 d3 r3 DSCH
C3 r3 0 1u
RL3 r3 0 500k
RK3 r3 0 100k
* D: 누설 20k
Vm4 b b4 0
R4 b4 d4 1k
D4 d4 r4 DSCH
C4 r4 0 1u
RL4 r4 0 500k
RK4 r4 0 20k
.model DSCH D(IS=2e-7 N=1.05 RS=2 CJO=10p)
.dc VB 1.8 3.2 0.01
.meas dc va FIND v(r1) AT=3.0
.meas dc vb FIND v(r2) AT=3.0
.meas dc vc FIND v(r3) AT=3.0
.meas dc vd FIND v(r4) AT=3.0
.meas dc ia FIND i(Vm1) AT=3.0
.meas dc ib FIND i(Vm2) AT=3.0
.meas dc ic FIND i(Vm3) AT=3.0
.meas dc id FIND i(Vm4) AT=3.0
.meas dc vbat_a WHEN v(r1)=2.0
.meas dc vbat_b WHEN v(r2)=2.0
.meas dc vbat_c WHEN v(r3)=2.0
.meas dc vbat_d WHEN v(r4)=2.0

결과를 먼저 표로 보겠습니다. 전지 전압이 3.0V일 때의 값입니다.

시뮬레이션 결과 전지 3.0V에서 VCCRTC는 누설 없음 2.90V, 100kΩ 누설 2.82V로 0.08V 정도밖에 차이가 나지 않습니다. 반면 같은 조건에서 시뮬레이션 결과 전지 전류는 5.80µA에서 33.9µA로 늘었습니다. 20kΩ까지 가도 시뮬레이션 결과 VCCRTC는 2.68V로, 멀티미터로 찍어 보면 “전압은 나온다”고 판단할 수 있는 값입니다. 그런데 이때 시뮬레이션 결과 전류는 139.4µA입니다.

즉 누설은 VCCRTC 전압계 측정으로는 잘 드러나지 않습니다. 누설 저항이 RTC 부하보다 충분히 크지 않은 한 전압은 직렬 1kΩ과 다이오드에서 조금 더 떨어질 뿐이고, 늘어난 전류는 전지 용량에서 조용히 빠져나갑니다. 그래프에서 네 선이 거의 평행하게 내려가는 것도 같은 이야기입니다. VCCRTC가 2.0V 아래로 내려가는 전지 전압은 시뮬레이션 결과 누설 없음 2.088V, 20kΩ 2.276V로 0.19V 정도 당겨질 뿐입니다. 여기서 2.0V는 이 글에서 비교 기준으로 잡은 값이며, 칩셋마다 RTC가 유지되는 최소 전압은 해당 데이터시트를 따라야 합니다.

진단에 쓰는 법

• VCCRTC 전압이 정상 범위로 읽혀도 누설이 없다는 뜻은 아닙니다. 전압 측정은 전지 경로가 끊겼는지 확인하는 용도로만 씁니다.
• 누설은 전류로 봅니다. 어댑터와 메인 배터리를 모두 분리한 상태에서 코인 전지와 홀더 사이(또는 전지 커넥터 한 가닥)에 멀티미터 µA 레인지를 직렬로 넣습니다.
• 전류가 RTC 부하로 예상한 값보다 몇 배 이상 크게 읽히면 VCCRTC 노드 주변을 세척하고 다시 잽니다. 세척 뒤 전류가 줄면 원인은 오염이나 부식입니다.
• 세척으로 줄지 않으면 VCCRTC에 붙은 커패시터를 하나씩 떼면서 전류를 다시 봅니다.

µA 레인지에서는 멀티미터의 션트 저항 때문에 전압이 떨어지는데, 수 µA에서 수백 µA 정도의 전류라면 이 측정에서 큰 문제가 되지 않을 수 있습니다. 다만 어댑터를 꽂은 채로 재면 대기 전원 쪽 전류가 섞이고 레인지에 따라 보드가 리셋될 수 있으므로, 멀티미터 전류 레인지의 부담 전압 글에서 정리한 내용을 먼저 확인해 두는 편이 좋습니다.

모델의 한계: 이상적인 부품 모델이라 실제 측정값과 다를 수 있습니다. 실제 RTC 우물 전류는 온도와 칩셋 상태에 따라 달라지고, 오염에 의한 누설은 습도에 따라 바뀌는 비선형 저항이라 고정 저항 하나로 표현되지 않습니다. 쇼트키의 역방향 누설과 전지의 자가 방전도 넣지 않았습니다. 여기서 보려는 것은 “누설이 전압보다 전류에서 훨씬 크게 드러난다”는 경향입니다.

그 전류면 새 전지가 얼마나 가나

직접 계산: 누설 저항별 CR2032 소진 시간

앞의 전류를 시간으로 바꿔 보겠습니다. 전지 용량은 Power Glory CR2032 사양서의 공칭 용량 210mAh를 썼습니다. 이 값은 20℃에서 15kΩ 부하로 2.0V까지 연속 방전했을 때의 값입니다. 계산은 단순히 소진 시간 = 210mAh ÷ 전지 전류입니다. 자가 방전, 온도, 전지 전압이 내려가며 전류가 줄어드는 효과는 넣지 않았습니다.

직접 계산하면 누설이 없을 때 210mAh는 1,509일, 약 4.13년을 버팁니다. 100kΩ 누설이 생기면 직접 계산하면 258일로 1년을 넘기지 못하고, 20kΩ이면 직접 계산하면 63일입니다. “새 전지를 넣었는데 두 달 만에 또 시간이 날아간다”는 증상은 이 정도 누설로 설명될 수 있습니다.

거꾸로 1년을 기준으로 잡아 볼 수도 있습니다. 직접 계산하면 210mAh로 1년(8,760시간)을 버티는 평균 전류 상한은 24.0µA입니다. 여기서 RTC 부하 몫을 빼면 누설에 허용되는 전류는 직접 계산하면 18.2µA이고, VCCRTC 2.9V 기준으로 누설 저항 하한은 직접 계산하면 약 160kΩ입니다. 그러니 이 가정 회로에서는 VCCRTC 노드와 접지 사이 저항이 수백 kΩ 아래로 내려가 있다면 누설을 의심해 볼 만합니다.

사양서 용량을 읽을 때 주의할 점도 있습니다. 15kΩ 시험 부하는 3.0V에서 직접 계산하면 200µA가 흐르는 조건이라, RTC처럼 수 µA를 몇 년 동안 뽑는 조건과는 다릅니다. 표의 일수는 상대 비교용이고, 실제 수명은 자가 방전 때문에 이보다 짧아질 수 있습니다.

진단에 쓰는 법

• 전지 전류를 재서 위 표의 어느 줄에 가까운지 봅니다. 수 µA대면 누설보다는 전지나 접촉 쪽을 먼저 봅니다.
• 수십 µA 이상이면 “전지를 갈아도 다시 생기는” 증상과 맞아떨어지므로, 전지를 바꾸기 전에 누설부터 잡습니다.
• 보드를 세척했다면 완전히 말린 뒤에 다시 잽니다. 젖은 상태에서 잰 전류는 누설을 오히려 크게 보이게 합니다.
• 고객에게 돌려줄 때는 수리 전·후 전류를 같이 적어 두면, 다시 들어왔을 때 비교할 기준이 됩니다.

계산의 한계: 전지 전류는 시뮬레이션에서 전지 3.0V일 때의 값 하나만 썼습니다. 실제로는 전지 전압이 내려가면 누설 전류도 줄어 소진 시간이 조금 길어지고, 반대로 자가 방전과 저온은 용량을 줄입니다. 사양서 용량도 제조사마다 다르므로 표의 숫자는 비율로 보는 것이 맞습니다.

플러그를 뽑는 순간 무슨 일이 생기나

직접 시뮬레이션: 대기 3.3V가 끊길 때 새 전지, 닳은 전지, 전지 빠짐 비교

두 번째 시뮬레이션은 대기 전원에서 전지로 넘어가는 순간을 봅니다. 대기 3.3V가 쇼트키 하나를 거쳐 VCCRTC로, 전지가 직렬 1kΩ과 다른 쇼트키를 거쳐 같은 노드로 들어가는 OR 구조입니다. 0.2초부터 10ms에 걸쳐 대기 3.3V를 0V로 내렸고, VCCRTC 1µF와 RTC 부하 500kΩ은 앞과 같습니다. 전지는 새 전지 3.0V, 닳은 전지 2.2V, 전지가 빠졌거나 홀더 접촉이 끊긴 경우 세 가지입니다.

* 본전원(대기 3.3V)이 0.2s에 꺼질 때 VCCRTC 전환, 전지 상태별 비교
* 대기 3.3V -> 쇼트키 -> VCCRTC, 전지 -> 직렬 1k -> 쇼트키 -> VCCRTC(1uF), RTC 부하 500k
VS sb 0 PWL(0 3.3 0.2 3.3 0.21 0)
RS sb 0 1k
* A: 새 전지 3.0V
DA1 sb ra DSCH
VBA ba 0 3.0
RBA ba ba2 1k
DA2 ba2 ra DSCH
CA ra 0 1u
RLA ra 0 500k
* B: 닳은 전지 2.2V
DB1 sb rb DSCH
VBB bb 0 2.2
RBB bb bb2 1k
DB2 bb2 rb DSCH
CB rb 0 1u
RLB rb 0 500k
* C: 전지 빠짐(홀더 접촉 불량)
DC1 sb rc DSCH
CC rc 0 1u
RLC rc 0 500k
.model DSCH D(IS=2e-7 N=1.05 RS=2 CJO=10p)
.tran 1m 2
.meas tran va_on FIND v(ra) AT=0.1
.meas tran va_end FIND v(ra) AT=1.9
.meas tran vb_end FIND v(rb) AT=1.9
.meas tran vc_end FIND v(rc) AT=1.9
.meas tran vc_1s FIND v(rc) AT=1.21
.meas tran tc_2v WHEN v(rc)=2.0 FALL=1

시뮬레이션 결과 대기 전원이 있을 때 VCCRTC는 3.20V이고, 대기 전원이 끊긴 뒤 새 전지에서는 2.90V에서 멈춥니다. 닳은 전지 2.2V는 시뮬레이션 결과 2.11V에서 버팁니다. 전지가 없으면 시뮬레이션 결과 0.427초에 2.0V를 지나고, 1.9초에는 0.02V까지 내려갑니다. 0.2초에 전원을 끊었으므로 약 0.23초 만에 기준 아래로 내려간 셈입니다. 1µF와 500kΩ의 시정수는 직접 계산하면 0.5초이므로 그래프의 지수 곡선과 맞습니다.

여기서 두 가지를 읽을 수 있습니다. 첫째, 전지 경로가 끊긴 보드는 플러그를 뽑자마자 1초도 안 돼 시간이 날아갑니다. “뽑으면 바로 초기화”라면 누설보다 홀더 접촉, 직렬 저항, 쇼트키의 전지 쪽 경로를 먼저 의심해 볼 만합니다. 둘째, 닳은 전지는 대기 전원이 있는 동안에는 드러나지 않습니다. 대기 전원 쪽이 더 높아 다이오드가 전지를 막고 있기 때문입니다. 그래서 보드가 켜진 상태에서 VCCRTC를 재면 전지 상태와 상관없이 같은 값이 나올 수 있습니다.

진단에 쓰는 법

• VCCRTC는 어댑터와 메인 배터리를 모두 뺀 상태에서 잽니다. 그래야 전지 쪽 경로의 값이 보입니다.
• 이 상태에서 VCCRTC가 0V에 가깝다면 전지 전압, 홀더 접점, 직렬 저항, 쇼트키 순서로 따라갑니다. 다이오드 모드로 쇼트키 양방향을 재 보는 것도 이 단계입니다.
• 전지 단자 전압은 정상인데 VCCRTC가 0V라면 그 사이 경로가 끊긴 것입니다. 전지 전압과 VCCRTC의 차이가 직렬 저항과 다이오드 강하만큼(이 가정 회로에서는 0.1V 안팎)이면 경로는 살아 있습니다.
• 대기 전원이 살아 있을 때 VCCRTC가 낮다면 대기 전원 쪽 다이오드나 그 레일 자체를 봅니다.

VCCRTC 노드에 RC 리셋 회로가 붙어 있는 보드라면, 누설이 리셋 핀 전압을 어떻게 바꾸는지는 RC 리셋 회로의 누설 글의 시뮬레이션과 같은 원리로 볼 수 있습니다.

모델의 한계: 이상적인 부품 모델이라 실제 측정값과 다를 수 있습니다. 실제 보드는 대기 전원이 끊길 때 대기 레일의 커패시터와 다른 부하가 같이 방전되므로 전환 모양이 다릅니다. 전지는 내부 저항이 없는 전압원과 1kΩ으로만 넣었고, 닳은 전지에서 내부 저항이 커지는 효과나 RTC 칩이 주기적으로 깨어나며 뽑는 펄스 전류는 넣지 않았습니다.

측정 순서로 묶으면

두 시뮬레이션과 계산을 합치면 “시간이 날아간다”는 증상을 세 갈래로 가르는 순서가 나옵니다.

3단계에서 전류가 아주 크게, 예를 들어 mA대로 읽히면 단순 오염보다는 커패시터 단락이나 다른 레일과의 단락일 수 있습니다. 이때는 코인 전지를 빼고 벤치 파워로 VCCRTC에 전류를 제한해 걸어 발열 지점을 찾는 방법을 쓸 수 있습니다. 전압은 3V 이하로, 전류 제한은 낮게 시작합니다. 자세한 설정은 벤치 파워 전류 제한으로 첫 통전하는 방법 글을 참고하세요.

주의: 침수 보드는 VCCRTC 주변만 닦고 끝내지 않습니다. 전지가 살아 있는 동안 부식은 계속 진행될 수 있으므로, 코인 전지를 빼고 보드 전체를 세척·건조한 뒤 전지를 다시 넣습니다. 세척에 쓰는 이소프로필 알코올은 인화성이므로 전원을 완전히 분리하고 환기된 곳에서 씁니다.

새 전지를 고를 때

교체 전지는 원래 전지와 같은 규격(CR2032 등)과 같은 연결 방식을 씁니다. 노트북은 리드선이 달린 전지가 커넥터에 꽂히는 구조가 있는데, 리드선 전지의 극성을 반대로 연결하면 VCCRTC에 역전압이 걸릴 수 있으니 커넥터 극성을 확인합니다. 그리고 앞의 계산이 보여 주듯, 전지를 바꾸는 것만으로는 누설이 남아 있는 보드의 증상을 몇 달 미룰 뿐입니다. 전지 교체 전에 3단계 전류 측정을 한 번 해 두면 같은 보드가 다시 들어오는 일을 줄일 수 있습니다.