배터리 보호 회로의 구조와 센싱 방식

리튬이온 배터리나 리튬폴리머 배터리는 에너지 밀도가 높고 반복 사용에 유리하지만, 전기적 조건에 매우 민감한 특성을 가지고 있습니다.
특히 과충전, 과방전, 과전류, 단락(쇼트) 등의 상황이 발생하면 배터리 내부 화학 반응이 불안정해져 발열, 부풀음, 폭발 위험까지 초래할 수 있기 때문에,
배터리 보호 회로(BMS: Battery Management System)는 배터리 기반 기기의 안전성과 신뢰성 확보를 위한 핵심 설계 요소입니다.
이번 글에서는 1셀 또는 다셀 리튬 배터리를 기준으로, 보호 회로의 기본 구조, 전류/전압 센싱 방식, MOSFET 스위칭 제어, 그리고 실무에서의 회로 구성 팁까지 단계별로 정리해보겠습니다.

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배터리 보호 회로란?

배터리 보호 회로는 전압, 전류, 온도 등의 정보를 실시간으로 감시하며,
안전한 범위를 벗어나면 즉시 회로를 차단하거나 동작을 제한하여 배터리를 보호하고, 시스템을 안정화시키는 역할을 합니다.
기본적으로는 다음과 같은 기능을 포함합니다:

• OVP (Over Voltage Protection) – 과충전 방지
• UVP (Under Voltage Protection) – 과방전 방지
• OCP (Over Current Protection) – 과전류 차단
• SCP (Short Circuit Protection) – 단락 감지 및 차단
• OTP (Over Temperature Protection) – 온도 센싱 기반 보호

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보호 회로의 기본 구성

보호 회로의 구성은 다음과 같은 블록으로 이루어집니다:

1. 센싱 블록: 배터리 전압과 충·방전 전류를 실시간으로 측정
2. 제어 블록 (Protection IC): 측정값을 기준으로 조건 비교 및 보호 판단
3. 스위칭 블록 (MOSFET): 조건에 따라 충전/방전 경로를 개폐

Protection IC는 TI(BQ 시리즈), SII(S-8261, S-8254), RICOH(RC5C080), Seiko 등 다양한 제조사에서 공급되며, 1셀~4셀까지 다양한 구성 지원이 가능합니다.

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전압 감시 – OVP / UVP 구성

각 셀의 전압은 보통 4.2V 이상에서는 과충전, 2.5V 이하에서는 과방전으로 간주됩니다.
Protection IC는 내부 기준 전압과 배터리 전압을 비교하여,
정해진 범위를 벗어나면 MOSFET을 끊거나 충전 회로를 차단하는 방식으로 동작합니다.
과충전 보호는 보통 충전 MOSFET을 끊고, 과방전 보호는 방전 MOSFET을 끊습니다.

전압 감시는 수십 ㎷ 단위로 동작하므로, 정확한 전압 기준과 빠른 응답 시간이 보호 신뢰성을 좌우합니다.

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전류 센싱 – OCP / SCP 방식

전류 센싱은 보통 샌스 저항(Shunt Resistor)을 이용해 구성됩니다.
보호 IC는 이 저항 양단의 전압 강하를 측정하여 전류를 판단하며, 기준 이상일 경우 방전 또는 충전 회로를 차단합니다.

• OCP (정상 범위 이상의 과전류)는 수백 mA~수 A 정도의 전류
• SCP (단락 상태)는 거의 순간적으로 수십 A까지 흐르기 때문에,
  차단 시간과 차단 조건을 분리하여 설계하는 경우가 많습니다.

Shunt 저항은 보통 10mΩ~100mΩ 사이로 설계되며, 정밀도와 발열 특성을 고려한 선택이 중요합니다.

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MOSFET 스위칭 – 충전/방전 경로 제어

보호 회로는 내부적으로 보통 2개의 MOSFET을 사용합니다:

• CHG FET (충전용 스위치)
• DSG FET (방전용 스위치)

Protection IC는 조건에 따라 각 FET을 ON/OFF하여 충전 및 방전 경로를 제어합니다.
보통 N채널 MOSFET이 사용되며, 하이사이드 구성이 어려운 경우엔 게이트 드라이버가 함께 동작해야 합니다.
Rds(on)가 낮고, 과전류 내성이 높은 MOSFET 선택이 필수입니다.

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온도 감시 기능 – NTC 연결

일부 Protection IC는 온도 감시 기능(NTC 서미스터 입력)도 함께 제공합니다.
NTC는 온도에 따라 저항이 변하는 부품으로, 설정된 임계값 이상 또는 이하의 온도에서 회로를 차단하게 됩니다.
특히 리튬 배터리는 0도 이하 또는 45도 이상에서 충전하면 위험하기 때문에,
온도 감시는 고급 BMS가 아닌 단순 보호 회로에서도 반드시 포함되는 기능 중 하나입니다.

 

 

 

 

실무에서의 회로 설계 팁

• 샌스 저항은 패드 면적 확보와 발열 고려 필수
• MOSFET의 Drain-Source 전압 정격은 최소 30V 이상 확보
• 충전/방전 구분을 위해 FET 순서를 명확히 구성
• 배터리-커넥터-보호회로 사이의 EMI 대비 설계
• 배터리 팩 외부에는 이 회로가 노출되지 않도록 반드시 실드 처리

또한, 회로 테스트 시에는 반드시 대전류 부하와 정전기 상황에서 시험해 보는 것이 중요합니다.

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실무에서 자주 발생하는 실수들

초보 설계자들이 자주 범하는 실수 중 하나는 Protection IC의 GND를 시스템 GND와 잘못 연결하는 것입니다.
배터리 보호 회로는 샌스 저항을 기준으로 전류 흐름을 감지하는 구조이기 때문에,
회로 GND와 시스템 GND가 정확히 분리되어야 정상적인 동작을 보장할 수 있습니다.
또한 MOSFET의 방향을 반대로 연결하거나, 충전/방전 FET 순서를 바꾸는 것도 빈번한 실수입니다.
이러한 문제는 종종 보호 동작이 되지 않거나, 정상 조건에서도 방전 차단이 되어 회로가 죽어버리는 원인이 됩니다.

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셀 밸런싱 기능이 필요한 이유

다셀 리튬 배터리(예: 2S, 3S, 4S 등)를 사용할 경우, 셀 간 전압 불균형이 점점 심해지는 현상이 발생할 수 있습니다.
하나의 셀이라도 기준 전압을 넘으면 전체 충전이 중단되기 때문에,
정상적으로 사용하더라도 전체 배터리 용량이 점점 줄어드는 문제가 생깁니다.
이를 해결하기 위해 고급 보호 회로나 BMS는 패시브 또는 액티브 셀 밸런싱 기능을 탑재하여,
각 셀의 전압을 감지하고 필요 시 잉여 전하를 방전시켜 균형을 맞춥니다.
긴 수명과 안정적인 충전을 원한다면, 셀 밸런싱은 반드시 고려해야 할 요소입니다.

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보호 회로 테스트 시 꼭 확인할 것들

보호 회로 설계 후에는 반드시 실제 배터리, 충전기, 부하를 연결한 상태에서 테스트를 진행해야 합니다.
단순히 이론만으로는 확인할 수 없는 문제들이 실제 환경에서 나타날 수 있기 때문입니다.
특히 확인해야 할 항목은 다음과 같습니다:

• 충전 중 과전압 차단 작동 여부
• 방전 중 과전류 차단 및 자동 복구 여부
• 전원 리셋 시 정상 동작 복귀 여부
• MOSFET 게이트 파형 이상 유무 확인 (오실로스코프 필수)
  이러한 테스트 항목을 체크리스트로 만들어 반복 검증하면, 제품 신뢰성이 대폭 향상됩니다.

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배터리 회로에서 가장 중요한 건 ‘보호’입니다

리튬 배터리는 효율적이지만 민감한 에너지 저장 장치입니다.
고용량, 고전압, 고출력 시대일수록 회로 보호는 선택이 아닌 필수가 됩니다.
보호 회로 하나만 잘 구성해도 제품의 수명, 안전성, 고객 신뢰도를 높일 수 있으며,
단순한 센싱 IC와 MOSFET 조합으로도 매우 효과적인 방어가 가능합니다.
배터리를 쓴다면, 반드시 보호 회로부터 고민해야 합니다.