멀티미터로 대기 전류 재면 보드가 리셋될 때, 전류 레인지 부담 전압 확인

배터리가 하루 만에 닳는다는 리모컨, 무선 센서, 도어락 보드를 받으면 먼저 대기 전류를 재 보게 됩니다. 배터리나 전원 단자 한쪽을 떼고 멀티미터를 직렬로 넣은 뒤 µA 레인지로 돌리는 방식입니다. 그런데 이렇게 연결하는 순간 보드가 이상해지는 경우가 있습니다. 버튼을 누르면 LED가 한 번 깜빡이고 다시 처음부터 부팅하거나, 무선 송신을 할 때마다 리셋이 걸리거나, 표시값이 몇 µA와 OL 사이를 오갑니다. 계기를 빼고 직결하면 멀쩡하니, 보드 고장인지 측정 방법 문제인지 헷갈립니다.

원인은 전류계 자체에 있을 수 있습니다. 멀티미터의 전류 레인지는 내부의 션트 저항 양단 전압을 읽어 전류로 환산합니다. 그래서 전류가 흐르는 만큼 계기 양단에 전압이 생기고, 그 전압만큼 보드 쪽 전원이 낮아집니다. 이 전압을 부담 전압(burden voltage)이라고 부릅니다. 대기 중 10µA일 때는 거의 0이지만, 보드가 깨어나 수십 mA를 끌어가는 순간 µA 레인지의 션트는 볼트 단위의 강하를 만듭니다.

이 글에서는 3.3V 레일에 멀티미터를 직렬로 넣은 상황을 두 가지로 직접 확인해 봅니다. 하나는 같은 보드를 A, mA, µA 레인지로 잴 때 보드 전압이 얼마나 꺼지는지를 비교한 ngspice 시뮬레이션이고, 다른 하나는 µA 레인지를 그대로 쓰면서 보드 쪽에 커패시터를 덧대면 어디까지 버티는지를 비교한 시뮬레이션입니다. 여기에 레인지별 부담 전압과 버틸 수 있는 최대 전류, 필요한 커패시터 용량을 직접 계산한 표를 붙였습니다. 리셋 기준은 TI의 전압 감시 IC인 TPS3823-33 데이터시트의 문턱값을 씁니다.

증상으로 먼저 갈라 보기

µA 레인지를 넣었을 때 생기는 이상 증상은 보드 고장의 증상과 겉모습이 비슷합니다. 아래 표는 계기를 넣고 뺐을 때의 차이로 둘을 가르는 기준입니다. 표의 판단은 위에서 설명한 부담 전압의 원리에서 나온 것이고, 실제 보드에서는 두 가지가 겹쳐 있을 수도 있으니 다음 단계 측정으로 확인합니다.

마지막 두 줄처럼 계기를 빼도 증상이 같다면 측정 방법이 아니라 보드를 봐야 합니다. 반대로 앞의 세 줄처럼 계기를 넣었을 때만 증상이 나타난다면, 보드를 뜯기 전에 레인지와 연결 방법부터 바꿔 봅니다.

먼저 알아 둘 것: 계기 내부 저항은 가정값입니다

멀티미터마다 레인지별 내부 저항은 다릅니다. 션트 저항에 퓨즈와 배선 저항이 더해지고, 제조사는 이를 ‘mV/mA’ 같은 부담 전압 규격으로 표시합니다. 이 글에서는 특정 계기의 값을 쓰지 않고, 비교를 위해 A 레인지 0.03Ω, mA 레인지 2Ω, µA 레인지 100Ω을 가정한 대표값으로 정했습니다. 가지고 있는 계기의 사용 설명서에서 부담 전압 규격을 찾아 저항으로 바꿔 넣거나, 아래 ‘현장에서 재는 순서’처럼 다른 계기로 직접 재서 넣으면 됩니다.

리셋 기준도 정해 둡니다. TPS3823-33 데이터시트의 음방향 입력 문턱 V_IT−는 TA 0℃~85℃에서 최소 2.88V, 대표 2.93V, 최대 3.00V입니다. 전원이 이 문턱 아래로 내려가면 RESET이 걸립니다. 같은 부품이라도 개체마다 문턱이 이 범위 안에서 달라질 수 있으니, 안전하게 보려면 최대값 3.00V를 기준으로 삼습니다. 3.3V 레일에서 3.00V까지는 300mV의 여유뿐입니다. 보드에 감시 IC가 없더라도 MCU에 내부 저전압 감지(BOR)가 있다면 비슷한 역할을 하므로, 문턱 숫자만 그 MCU의 데이터시트 값으로 바꿔 보면 됩니다.

레인지만 바꿨을 뿐인데 보드 전압이 달라진다

직접 시뮬레이션: A·mA·µA 레인지에서 20mA 펄스를 받을 때 보드 전압

조건은 이렇습니다. 3.3V 전원과 보드 사이에 계기 내부 저항(0.03Ω, 2Ω, 100Ω)을 넣고, 보드 쪽에는 10µF 디커플링 커패시터와 대기 전류 10µA에 해당하는 330kΩ 부하를 달았습니다. 2ms 시점에 MCU가 깨어나 무선 송신을 한다고 보고 20mA 전류원을 3ms 동안 켭니다. 세 회로를 한 넷리스트에 나란히 넣어 같은 시간축에서 비교했습니다.

시뮬레이션 결과 A 레인지에서는 펄스 중 최저 전압이 3.2994V로 사실상 변화가 없고, mA 레인지에서는 3.26V까지 내려갑니다. µA 레인지에서는 대기 중 3.299V로 멀쩡하다가, 펄스가 시작되자 10µF가 100Ω을 통해 버티지 못하고 1.40V까지 떨어집니다. 시뮬레이션 결과 보드 전압이 대표 문턱 2.93V를 지나는 시점은 2.21ms로, 펄스가 시작된 직후입니다. 실제 보드라면 이 순간 RESET이 걸리고 MCU가 처음부터 다시 시작합니다. 그러면 부팅하면서 다시 전류를 끌고, 다시 전압이 꺼지는 반복이 생길 수 있습니다.

대기 중에는 세 레인지 모두 전압이 거의 같다는 점이 함정입니다. 직접 계산하면 10µA에서 µA 레인지(100Ω)의 부담 전압은 1mV뿐이라, 연결 직후 보드 전압을 재 보면 정상으로 나옵니다. 문제는 전류가 순간적으로 커지는 구간에서만 드러납니다.

이 결과를 진단에 쓰는 법

• µA 레인지를 넣었을 때만 리셋·재부팅이 반복되고, mA나 A 레인지에서는 정상이면 보드 고장보다 계기 부담 전압을 먼저 의심해 볼 만합니다.
• 계기를 넣은 상태에서 보드 쪽 전원 핀을 스코프로 보면, 송신이나 모터 구동 시점에 레일이 꺼지는 모습이 보입니다. 프로브 접지를 짧게 잡는 법은 오실로스코프 사용법과 파형 읽는 법에 정리해 두었습니다.
• µA 레인지 표시값이 일정하지 않고 크게 튀거나 OL이 뜬다면, 보드가 순간적으로 레인지 한도를 넘는 전류를 끌고 있다는 뜻일 수 있습니다.
• mA 레인지에서도 수십 mV는 꺼집니다. 레일 여유가 적은 1.8V 보드나, 배터리 전압이 낮아진 상태에서는 이 정도도 영향을 줄 수 있으니 레인지를 바꿔 가며 증상이 달라지는지 봅니다.

모델의 한계: 이상적인 부품 모델이라 실제 측정값과 다를 수 있습니다. 계기 내부 저항은 가정한 대표값이고, 실제 계기는 레인지 자동 전환이나 퓨즈 저항 때문에 값이 달라집니다. 보드는 커패시터 하나와 전류원으로 단순화했으며, LDO의 응답, 커패시터 ESR, 배선 인덕턴스, MCU가 리셋된 뒤 전류가 줄어드는 동작은 넣지 않았습니다. 그래서 1.40V는 ‘리셋이 걸린 뒤에도 같은 전류를 계속 끌었다면’의 값이고, 실제로는 리셋 직후 전류가 줄어 전압이 그보다 덜 떨어질 수 있습니다.

* 3.3V 레일 전류 측정: 멀티미터 레인지별 션트 저항(가정 대표값) 비교
* 보드: 10uF 디커플링, 대기 10uA(330k), 3ms 동안 20mA 펄스 부하
V1 vin 0 3.3
* A 레인지 0.03ohm
Ra vin ba 0.03
Ca ba 0 10u
Rsa ba 0 330k
Ia ba 0 PULSE(0 20m 2m 10u 10u 3m 20m)
* mA 레인지 2ohm
Rm vin bm 2
Cm bm 0 10u
Rsm bm 0 330k
Im bm 0 PULSE(0 20m 2m 10u 10u 3m 20m)
* uA 레인지 100ohm
Ru vin bu 100
Cu bu 0 10u
Rsu bu 0 330k
Iu bu 0 PULSE(0 20m 2m 10u 10u 3m 20m)
.tran 2u 8m
.meas tran min_a MIN v(ba) from=2m to=5m
.meas tran min_m MIN v(bm) from=2m to=5m
.meas tran min_u MIN v(bu) from=2m to=5m
.meas tran sleep_u FIND v(bu) AT=1.9m
.meas tran tcross_u WHEN v(bu)=2.93 FALL=1

레인지별로 버틸 수 있는 전류를 계산해 보면

직접 계산: 부담 전압과 3.3V 레일에서 문턱을 지키는 최대 전류

커패시터가 없다고 보면 계산은 단순합니다. 부담 전압 = 전류 × 계기 내부 저항이고, 보드 전압 = 3.3V − 부담 전압입니다. 보드 전압이 문턱 아래로 내려가지 않으려면 부담 전압이 3.3V − 문턱보다 작아야 하므로, 버틸 수 있는 최대 전류 = (3.3V − 문턱) ÷ 내부 저항입니다. 문턱은 TPS3823-33의 최대 3.00V와 대표 2.93V를 각각 넣었습니다. 내부 저항은 앞에서 정한 가정값입니다.

직접 계산하면 µA 레인지(100Ω)로는 3mA만 넘어도 문턱 최대값 3.00V 아래로 내려갈 수 있습니다. MCU가 깨어나 클럭을 올리기만 해도 몇 mA는 쉽게 넘으니, µA 레인지는 ‘잠든 상태만 재는 레인지’로 생각하는 편이 맞습니다. 반대로 20mA 펄스를 견디려면 직접 계산하면 계기 내부 저항이 15Ω 이하(대표 문턱 2.93V 기준으로는 18.5Ω 이하)여야 합니다. mA 레인지(2Ω)는 이 조건을 넉넉히 만족하고, 직접 계산하면 20mA에서 40mV만 꺼집니다.

µA 레인지에서 20mA가 계속 흐른다면 직접 계산하면 보드 전압은 1.3V까지 내려갑니다. 앞의 시뮬레이션에서 3ms 끝에 1.40V였던 것은 10µF가 아직 다 비워지지 않았기 때문이고, 펄스가 더 길었다면 1.3V 쪽으로 계속 내려갔을 것입니다.

이 표를 진단에 쓰는 법

• 재려는 보드의 최대 전류(무선 송신, 모터, LED 백라이트)를 먼저 어림합니다. 그 전류에서 부담 전압이 레일 여유(3.3V 레일과 리셋 문턱의 차이)보다 크면 그 레인지로는 동작 중 전류를 잴 수 없습니다.
• 대기 전류만 알고 싶다면, mA 레인지로 보드를 먼저 켜고 잠든 것을 확인한 뒤 µA 레인지로 바꾸는 방법도 있습니다. 다만 레인지를 바꾸는 순간 회로가 잠깐 끊기는 계기도 있어, 그 순간 보드가 리셋될 수 있습니다.
• 표시값과 증상이 어긋날 때는 계기 양단 전압을 다른 멀티미터로 직접 재 보면 부담 전압을 바로 확인할 수 있습니다.

계산의 한계: 커패시터, 전원의 내부 저항, 리드선 저항을 모두 무시한 정상 상태 계산입니다. 짧은 펄스에서는 보드 커패시터가 전압을 받쳐 주므로 이 표보다 덜 떨어지고, 긴 펄스에서는 이 표의 값에 가까워집니다. 계기 내부 저항은 가정한 대표값이므로 실제 계기의 부담 전압 규격으로 다시 계산해야 합니다.

µA 레인지를 그대로 쓰고 싶다면: 보드 쪽에 커패시터 덧대기

직접 시뮬레이션: 보드 쪽 커패시터 10µF·100µF·470µF·2200µF 비교

대기 전류는 µA 레인지로 재야 분해능이 나옵니다. 그렇다면 깨어나는 순간의 전류를 계기 대신 커패시터가 대 주도록 보드 쪽 전원 단자에 큰 커패시터를 덧대는 방법을 생각해 볼 수 있습니다. 조건은 앞과 같게 두고(100Ω 가정, 대기 10µA, 2ms부터 3ms 동안 20mA), 보드 쪽 커패시터만 10µF, 100µF, 470µF, 2200µF로 바꿨습니다. 회복 과정까지 보려고 40ms 동안 돌렸고, 커패시터는 시작부터 충전된 상태로 두었습니다.

시뮬레이션 결과 100µF로는 최저 2.78V까지 내려가 여전히 문턱 아래이고, 470µF에서 3.18V, 2200µF에서 3.27V로 버팁니다. 이 결과는 계산과도 맞습니다. 직접 계산하면 100Ω·20mA·3ms 조건에서 3.00V를 지키는 최소 용량은 RC 방전식으로 184.59µF, 단순한 I·t/ΔV 근사로 200µF입니다. 대표 문턱 2.93V를 기준으로 하면 RC 방전식으로 146.65µF입니다. 100µF는 이보다 작고 470µF는 넉넉합니다.

대신 대가가 있습니다. 직접 계산하면 100Ω·470µF의 시정수는 47ms, 100Ω·2200µF는 220ms입니다. 펄스가 끝난 뒤 커패시터를 다시 채우는 전류가 계기를 지나가므로, 그동안 µA 레인지 표시값은 대기 전류보다 크게 나옵니다. 시뮬레이션 결과 470µF는 39ms 시점에도 3.24V로 아직 다 차지 않았습니다. 대기 전류를 읽으려면 시정수의 몇 배만큼 기다린 뒤 표시값을 읽어야 합니다.

이 결과를 진단에 쓰는 법

• 덧댄 커패시터가 µA 레인지에서의 리셋을 없앤다면, 보드 자체보다 측정 방법이 원인이었다는 확인이 됩니다.
• 덧대는 커패시터 자체의 누설 전류도 계기를 지나갑니다. 전해 커패시터는 누설이 µA 단위로 있을 수 있으니, 보드를 빼고 커패시터만 단 상태의 표시값을 먼저 읽어 두고 빼서 계산합니다.
• 표시값은 펄스가 끝나고 충분히 지난 뒤, 숫자가 더 내려가지 않을 때 읽습니다. 송신 주기가 시정수보다 짧은 보드라면 이 방법으로는 대기 전류만 따로 읽기 어렵습니다.
• 극성을 반드시 확인합니다. 전해 커패시터를 거꾸로 달면 누설이 커지고 부풀 수 있습니다.

모델의 한계: 이상적인 부품 모델이라 실제 측정값과 다를 수 있습니다. 덧댄 커패시터의 ESR과 누설, 리드선 인덕턴스는 넣지 않았습니다. 실제 큰 전해 커패시터는 ESR 때문에 펄스 첫 순간에 조금 더 꺼질 수 있습니다. 보드의 펄스 전류 크기와 길이도 가정한 값이므로, 실제 보드의 송신 전류를 알고 있다면 넷리스트의 PULSE 값을 바꿔 다시 돌려 보면 됩니다.

* uA 레인지(100ohm 가정)로 잴 때 보드 쪽 커패시터 용량별 전압 유지
* 3ms 동안 20mA 펄스, 대기 10uA
V1 vin 0 3.3
R1 vin b1 100
C1 b1 0 10u
Rs1 b1 0 330k
I1 b1 0 PULSE(0 20m 2m 10u 10u 3m 40m)
R2 vin b2 100
C2 b2 0 100u
Rs2 b2 0 330k
I2 b2 0 PULSE(0 20m 2m 10u 10u 3m 40m)
R3 vin b3 100
C3 b3 0 470u
Rs3 b3 0 330k
I3 b3 0 PULSE(0 20m 2m 10u 10u 3m 40m)
R4 vin b4 100
C4 b4 0 2200u
Rs4 b4 0 330k
I4 b4 0 PULSE(0 20m 2m 10u 10u 3m 40m)
.ic v(b1)=3.2999 v(b2)=3.2999 v(b3)=3.2999 v(b4)=3.2999
.tran 10u 40m uic
.meas tran min_10u MIN v(b1) from=2m to=6m
.meas tran min_100u MIN v(b2) from=2m to=6m
.meas tran min_470u MIN v(b3) from=2m to=6m
.meas tran min_2200u MIN v(b4) from=2m to=6m
.meas tran end_470u FIND v(b3) AT=39m
.meas tran end_2200u FIND v(b4) AT=39m

현장에서 재는 순서

1. 계기 내부 저항부터 확인합니다. 다른 멀티미터의 저항 레인지로 첫 번째 계기의 COM–mA/µA 단자 사이를 재거나, 설명서의 부담 전압 규격(mV/mA 같은 값)을 저항으로 바꿉니다. 이 값을 위 계산식에 넣으면 자기 계기의 한계 전류가 나옵니다.
2. 보드의 최대 전류를 어림합니다. 벤치 파워에 직결해 동작시키며 전류 표시를 봅니다. 벤치 파워의 전류 제한을 거는 법은 벤치 파워 전류 제한으로 메인보드 첫 통전하는 법에 정리해 두었습니다.
3. A 또는 mA 레인지로 먼저 연결합니다. 보드가 정상 부팅하고 잠드는 것을 확인합니다. 이 단계에서도 리셋이 걸리면 계기보다 보드 쪽 문제일 가능성을 먼저 봅니다.
4. µA 레인지로 바꿉니다. 리셋이 반복되면 보드 쪽 전원 단자 전압을 함께 봅니다. 깨어날 때 레일이 문턱 아래로 꺼진다면 부담 전압이 원인입니다.
5. 필요하면 보드 쪽에 커패시터를 덧대거나, 계기 양단을 스위치로 단락해 둡니다. 부팅하는 동안 스위치로 계기를 건너뛰게 했다가, 잠든 뒤 스위치를 열어 µA 레인지로 읽는 방법입니다. 스위치를 여닫는 순간에도 전류 경로가 끊기지 않도록 계기를 먼저 연결한 상태에서 스위치만 엽니다.
6. 읽은 값을 판단합니다. 대기 전류가 정상 기대값보다 크면 그때부터 보드 쪽 누설 부품을 찾습니다. 리셋 IC 주변이 의심되면 RC 리셋의 누설과 방전 다이오드 글도 함께 참고할 수 있습니다.

저전류 LDO를 쓰는 보드는 레귤레이터 자체 소비가 아주 작습니다. 예를 들어 TI TPS7A02 데이터시트의 대기 전류(I_Q)는 대표 25nA입니다. 이런 보드에서 µA 단위로 전류가 읽힌다면 레귤레이터보다는 그 뒤에 달린 부품 쪽 소비나 누설을 먼저 의심해 볼 만합니다.

외부 션트 저항으로 재는 방법

계기의 전류 레인지 대신 작은 저항을 전원선에 직렬로 넣고, 그 양단 전압을 멀티미터의 mV 레인지로 재는 방법도 있습니다. 전류 = 양단 전압 ÷ 저항이고, 저항값을 직접 고를 수 있으니 부담 전압을 원하는 만큼 줄일 수 있습니다. 대신 저항값이 작을수록 대기 전류에서 읽히는 전압도 작아집니다.

직접 계산하면 1Ω 션트는 20mA에서 20mV만 꺼져 동작에는 문제가 없지만, 10µA에서는 0.01mV라 일반 멀티미터의 mV 레인지로는 읽기 어렵습니다. 10Ω으로 바꾸면 10µA에서 0.1mV로 커지지만 20mA에서 200mV가 꺼져 3.3V 레일 여유 300mV 중 200mV를 씁니다. 그래서 외부 션트도 ‘대기 전류는 큰 저항, 동작 전류는 작은 저항’이라는 같은 고민을 안고 있습니다. 앞에서 본 스위치 방식과 섞어, 큰 션트 양단에 스위치를 달아 부팅 중에는 단락하고 잠든 뒤 여는 방법이 실용적입니다. 션트 저항은 허용차가 작은 것을 쓰고, 저항값을 다른 계기로 재서 계산에 넣습니다.

배터리 기기를 잴 때의 안전 주의

• 리튬 이온·리튬 폴리머 배터리를 직렬 측정할 때는 리드선이 미끄러져 배터리 단자끼리 닿지 않도록 집게형 리드를 씁니다. 단락되면 큰 전류가 흘러 리드와 배선이 뜨거워지고 배터리가 손상될 수 있습니다.
• 계기를 전류 레인지(A·mA·µA 단자)에 꽂은 상태로 전압을 재면 계기가 전원을 단락시키는 셈이 됩니다. 전류 측정을 마치면 리드를 전압 단자로 옮겨 꽂는 것부터 합니다.
• µA·mA 단자의 퓨즈는 정격이 작은 편이라 끊어질 수 있습니다. 퓨즈가 끊긴 계기는 0이나 OL만 표시하므로, 측정값이 이상하면 계기 퓨즈부터 확인합니다.
• 덧대는 큰 커패시터는 작업이 끝난 뒤에도 전하가 남아 있습니다. 떼기 전에 저항을 통해 방전합니다.
• 부풀었거나 손상된 배터리는 측정하지 말고 분리해 둡니다.

정리하면, µA 레인지에서만 보드가 리셋된다면 고장을 찾기 전에 계기가 만든 전압 강하부터 의심해 볼 일입니다. 위의 넷리스트에 자기 계기의 내부 저항과 보드의 펄스 전류만 바꿔 넣으면, 그 조합에서 레일이 문턱 아래로 내려가는지 미리 확인할 수 있습니다.