전압 강하를 막는 방법 – Power Path 설계 팁

전압 강하는 회로를 설계할 때 간과하기 쉬운 부분이지만, 실제로는 제품의 성능과 안정성을 크게 좌우하는 요소입니다.
특히 고전류 회로나 전원 공급 라인이 길거나 복잡할 경우, 예상보다 낮은 전압이 실제 부하에 도달해 오작동이 발생하는 경우가 많습니다.
정상적인 전압을 공급했음에도 불구하고 시스템이 리셋되거나, 센서가 오동작하며, MCU가 불규칙하게 동작하는 현상들은 대부분 전압 강하로부터 비롯된 문제입니다.
이번 글에서는 전압 강하가 발생하는 주요 원인부터, 실무적으로 이를 줄이기 위한 Power Path 설계 전략들을 구체적으로 정리해보겠습니다.

 

 

전압 강하가 왜 발생할까요?

전압 강하는 간단히 말하면, 전류가 흐를 때 배선이나 부품에 저항(임피던스)이 존재하기 때문에 발생합니다.
전원에서 공급된 전압은 회로를 따라 흐르며, 선로의 길이, 굵기, 커넥터, 스위칭 소자 등 다양한 요소에서 전압 손실이 발생하게 됩니다.
특히 전류가 클수록 전압 강하량은 커지며, 이는 곧 부하 단에 도달하는 전압이 기대치보다 낮아지는 결과를 낳습니다.
정격 전압 5V를 요구하는 디바이스에 실제로는 4.3V밖에 도달하지 않는다면, 이는 설계상의 결함으로 이어질 수 있습니다.

 

 

배선의 길이와 두께는 기본 중의 기본

전압 강하를 줄이기 위한 가장 기본적인 방법은 전원 라인을 짧고 굵게 설계하는 것입니다.
PCB 설계 시에는 전류가 흐르는 트레이스의 폭과 두께(oz)를 고려해야 하며, IDC나 와이어 하네스 같은 연결부도 전류에 맞는 규격을 선택해야 합니다.
예를 들어 2A 이상의 전류가 흐른다면 최소 1mm 이상의 폭을 확보하고, Via도 병렬로 배치하는 것이 좋습니다.
가능하면 전원과 GND를 각각 Plane(면)으로 구성하여 전압 강하를 줄이는 것이 권장됩니다.

 

 

커넥터와 FET도 전압 강하의 원인입니다

단순히 배선만 짧고 굵게 해도 부족한 경우가 많습니다. 전력 경로에는 FET, 다이오드, 커넥터, 릴레이 등의 소자가 포함되며, 이들 각각은 고유의 전압 강하 특성을 가집니다.
예를 들어, FET의 Rds(on)가 30mΩ이고, 여기에 2A가 흐르면 60mV의 전압 강하가 발생합니다.
커넥터는 접촉 저항에 따라 훨씬 더 큰 손실을 야기할 수 있으며, 오염이나 열화에 따라 저항이 점점 증가합니다.
따라서 고전류 라인에서는 커넥터 수를 최소화하고, FET의 Rds(on)를 충분히 낮춘 모델을 선택하는 것이 중요합니다.

 

 

전압 드롭을 줄이는 부품 선택 팁

Power Path에는 단순한 배선 외에도 다양한 스위칭 소자들이 들어갑니다.
이 중에서도 가장 큰 영향을 주는 것이 P채널 vs N채널 FET 선택입니다.
N채널 FET는 Rds(on)가 낮아 전압 강하가 적지만, High-side 스위치로 사용하려면 게이트 드라이버가 필요합니다.
반면 P채널은 간단히 사용할 수 있지만 Rds(on)가 높고, 열 발생 및 전압 드롭이 심합니다.
상황에 따라 드라이버 회로를 추가하더라도 N채널 FET로 설계하는 편이 전압 손실을 줄이는 데 유리합니다.

 

 

Low-Dropout Regulator(LDO)의 한계 이해하기

많은 회로에서 전압 강하 문제를 해결하려 LDO를 사용하는 경우가 있습니다.
하지만 LDO 자체가 전압 강하를 유발하는 부품이라는 점을 간과해서는 안 됩니다.
입력 전압과 출력 전압 간에 최소한의 차이(Vdropout)가 존재해야 하며, 전류가 클수록 발열도 심해집니다.
이 경우엔 LDO 대신 스위칭 레귤레이터(DCDC 컨버터)를 사용하는 것이 효율적일 수 있으며, LDO를 사용하더라도 Low Dropout 특성이 우수한 제품을 선택해야 합니다.

 

피크 전류와 부하 변화도 고려해야 합니다

일부 디바이스는 부팅 시 또는 특정 순간에 순간적으로 높은 피크 전류를 소비합니다.
이 순간의 전류를 충분히 버티지 못하면 전압이 급격히 떨어지고, 이는 MCU 리셋이나 통신 에러로 이어집니다.
이를 방지하려면 충분한 용량의 바이패스 커패시터(Cbulk)를 부하 근처에 배치하고, 피크 전류 대비 여유 있는 전원 설계를 해야 합니다.
전원 설계에서는 평균 전류보다도, 순간 최대 전류(Peak Current)를 기준으로 설계해야 안정성이 확보됩니다.

 

 

멀티보드 시스템에서는 전압 드롭 모니터링이 필수입니다

복수의 보드가 연결된 시스템에서는, 전압 드롭이 각 보드마다 다르게 나타날 수 있습니다.
예를 들어, 메인보드에서는 5V가 유지되지만, 가장 먼 위치에 있는 슬레이브 보드에는 4.6V만 도달할 수 있습니다.
이럴 경우 오작동의 원인을 찾기 어렵고, 자칫하면 전체 시스템에 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 중요한 회로에는 전압 모니터링 IC를 삽입하거나, ADC를 이용해 전압을 실시간으로 모니터링하는 방식이 실무에서 자주 활용됩니다.

 

 

Power Path 설계는 전체 시스템 안정성의 시작입니다

전압 강하는 사소해 보이지만, 전체 회로를 흔들 수 있는 치명적인 변수입니다.
전류가 흐르는 모든 경로에서 손실이 발생할 수 있다는 전제를 바탕으로, 라인 구조, 부품 선택, 배선 방식, 커패시터 위치 등을 꼼꼼히 설계해야 합니다.
전압 강하를 줄이기 위한 Power Path 설계는 단지 전원 공급의 문제가 아니라, 시스템 전체의 신뢰성과 성능을 좌우하는 핵심 요소임을 반드시 기억하시기 바랍니다.