전류 센싱 회로 설계법 – 저항으로 전류를 측정하는 방법

회로에서 전류를 측정한다는 것은 단순히 숫자를 읽는 것을 넘어, 회로의 상태를 파악하고 보호하며, 제어하는 데 필수적인 요소입니다.
예를 들어, 모터 구동 회로에서 전류를 모니터링하지 않으면 과부하 상태를 인식할 수 없고, 배터리 보호 회로에서는 충·방전 전류가 임계값을 넘는지 확인하지 못하면 위험 상황으로 이어질 수 있습니다.
이러한 이유로 전류 측정은 거의 모든 전력 회로나 임베디드 시스템에 필수적으로 포함됩니다.
이번 글에서는 가장 많이 쓰이는 방식인 샌스 저항(Shunt Resistor) 기반 전류 센싱 회로를 중심으로,
원리, 설계법, 증폭기 사용법, 실무 적용 사례까지 체계적으로 정리해드리겠습니다.

 

 

전류 센싱의 기본 원리 – 전압 강하를 이용한 측정

전류는 직접 측정하기 어려운 물리량이지만, 옴의 법칙(V = I × R)을 응용하면 전압 측정으로 전류를 간접적으로 알 수 있습니다.
회로에 아주 낮은 저항(샌스 저항)을 직렬로 연결하면, 그 양단에 흐르는 미세한 전압 차이를 측정하여
흐르는 전류를 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 0.1Ω 저항에 1A가 흐르면 0.1V가 발생하므로 이를 증폭해 전류를 계산할 수 있습니다.
이 방식은 구조가 간단하고 정확도가 높아 실무에서 가장 널리 사용됩니다.

 

 

샌스 저항(Shunt Resistor)은 어떻게 선택할까?

센싱 저항은 전압 강하가 발생하는 만큼 전력 손실과 발열이 생기기 때문에,
항상 ‘정확도 vs 손실’의 균형을 고려해야 합니다.

• 저항 값이 크면 전압 측정이 쉬워지지만 발열이 심해지고,
• 저항 값이 작으면 효율은 좋지만 측정이 어려워집니다.

실무에서는 보통 1mΩ~100mΩ 사이의 저항을 사용하며,
저항 오차는 ±1% 이하, 온도 계수(TCR)가 낮은 정밀 저항을 사용하는 것이 좋습니다.
전류가 클 경우에는 3W 이상 고전력 저항을 고려해야 하며, PCB의 발열 설계까지도 같이 검토해야 합니다.

 

 

고측(High-side) vs 저측(Low-side) 전류 측정

전류 측정 회로는 샌스 저항을 어디에 넣느냐에 따라 크게 두 가지 방식으로 나뉩니다:

• 저측(Low-side sensing): GND와 부하 사이에 저항을 넣는 방식. 회로가 간단하지만, GND 레벨이 떠버려 신호 간섭 위험이 있음.
• 고측(High-side sensing): 전원과 부하 사이에 저항을 넣는 방식. 시스템 GND를 유지할 수 있어 안정적이지만,
  게이트 드라이버와 증폭기가 고전압에 견딜 수 있어야 하며 설계가 약간 복잡합니다.

일반적으로 센서, MCU 입력 신호 등 민감한 회로에는 고측 방식이 권장됩니다.

 

 

전압 증폭기로 전압을 읽는 방식 – 차동 증폭기

센싱 저항 양단에서 발생하는 전압은 보통 수 mV 수준이기 때문에, 이를 그대로 ADC로 입력하기 어렵습니다.
따라서 일반적으로 차동 증폭기(Differential Amplifier)나 전용 전류 센싱 앰프를 사용하여 증폭한 후 ADC로 전달합니다.
대표적인 증폭기로는 INA180, INA219, INA226, MAX4372 등이 있으며, 일부는 전류 측정 + I2C 통신 + 전압 감시 기능까지 통합되어 있습니다.
이러한 전용 칩을 사용하면 간단하고 정밀한 센싱 회로를 쉽게 구성할 수 있습니다.

 

 

증폭기 구성 시 주의할 점

• 입력 신호가 양극이냐 단극이냐(양방향 vs 단방향 전류 측정)에 따라 회로 구성이 달라집니다.
• 차동 증폭기의 입력 오프셋 전압은 측정 오차에 큰 영향을 주므로, 수십 µV 이하 제품을 선택해야 합니다.
• 게인(Gain)은 센싱 전압 범위와 ADC 입력 범위를 맞춰 결정하며, 보통 10~100배 사이에서 설계됩니다.
• 필터링을 위해 샌스 저항 양단이나 증폭기 출력에 저용량 커패시터(10nF~100nF)를 병렬 연결하는 경우도 많습니다.

 

 

 

MCU와 연결 – ADC 설정 시 주의할 점

센싱 회로의 출력은 MCU의 ADC에 연결하여 디지털 값으로 변환합니다.
이때 주의할 점은 ADC 해상도, 참조 전압, ADC 입력 임피던스입니다.

• 저전압 신호를 읽을 경우, 외부 레퍼런스 전압을 사용하는 것이 정확도를 높이는 데 유리합니다.
• ADC 샘플링 속도는 전류 변화에 따라 적절히 설정해야 하며,
  너무 빠르면 노이즈를 읽고, 너무 느리면 변화를 놓치게 됩니다.

STM32, AVR, ESP32 등 주요 MCU는 대부분 ADC 내장형이며, 필요 시 외부 ADC(MCP3208 등)를 병용하기도 합니다.

 

 

실무 적용 예시

• 배터리 보호 회로: 충·방전 전류를 실시간으로 측정하여 과전류 시 차단
• 모터 드라이버: 모터 상태 감지 및 토크 제어
• DCDC 컨버터 보호: 출력 과전류 발생 시 동작 중단 또는 경고
• 스마트 전력계: IoT 기반 전류 측정 시스템 구성
• 로봇 제어 보드: 각 액추에이터의 전류 상태 감시

전류 센싱은 단순 측정을 넘어 시스템 보호, 에너지 관리, 고장 예측 등 다양한 역할을 수행합니다.

 

 

전류는 회로의 ‘건강 상태’를 말해줍니다

전류를 측정한다는 것은 단순한 데이터 수집이 아닙니다.
그것은 회로가 얼마나 정상적으로 동작하고 있는지를 보여주는 실시간 진단 신호이기도 합니다.
센싱 저항 기반 회로는 구조는 간단하지만, 정밀도, 증폭 회로, 레이아웃, 전력 손실까지 고려해야 하는 복합적인 설계 요소입니다.
정확한 전류 측정 회로를 구성할 수 있다면, 여러분의 회로는 훨씬 더 안정적이고 스마트해질 수 있습니다.