전압/전류 모니터링 회로 구성법 – 실시간 파라미터 감시의 핵심 기술

현대의 전자 시스템은 단순히 동작하는 것만으로는 부족합니다.
전원이 정상인지, 부하에 과전류가 흐르진 않는지, 배터리의 전압은 안전한 범위에 있는지 등,
실시간으로 전압과 전류 상태를 감시할 수 있는 회로 구성이 시스템의 신뢰성과 안전성을 결정짓습니다.
특히 배터리 회로, 전력 컨버터, 모터 제어 보드, 서버 전원장치 등에서는 전압/전류 모니터링 회로가 필수적으로 들어갑니다.
이번 글에서는 전압과 전류를 정확하게 측정하기 위한 센싱 방식, ADC 연결법, 증폭기 사용법, 보호 회로 구성법까지
실제 회로 설계를 위한 노하우를 체계적으로 정리해보겠습니다.

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전압/전류를 왜 실시간으로 감시해야 하나요?

전압과 전류는 회로의 ‘건강 상태’를 보여주는 가장 직접적인 지표입니다.

• 배터리의 과방전 방지
• 과전류 상황에서 부품 보호
• 전력 소비량 측정 및 로깅
• 고장 진단 및 예방 정비
  이러한 기능은 모두 전압/전류 데이터를 실시간으로 수집할 수 있어야 가능합니다.
  따라서 대부분의 전원 회로나 스마트 장치에는 반드시 이 감시 회로가 포함되어 있어야 합니다.

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전압 측정 회로 구성 – 분압과 ADC

전압 측정은 보통 분압 저항을 통해 전압을 낮춘 후, ADC로 입력하는 방식이 가장 많이 사용됩니다.
예: 12V를 측정하려면 100kΩ/10kΩ 정도의 저항을 사용해 1.09V로 만들고, 이를 MCU의 3.3V 기준 ADC에 연결합니다.
주의할 점은 분압 저항의 오차율, 열 안정성, 그리고 ADC 입력 임피던스와 RC 필터 구성입니다.
고정밀 측정을 원한다면 1% 이하의 정밀 저항을 사용하고, 100nF 정도의 바이패스 캐패시터를 병렬로 추가하여 노이즈를 줄이는 것이 좋습니다.

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전류 측정 – Shunt 저항 방식

전류 측정은 일반적으로 샌스 저항(Shunt Resistor)을 직렬로 연결하고, 그 양단의 전압 강하를 측정하여 전류를 간접 계산하는 방식입니다.
이때 저항 값은 보통 1mΩ~100mΩ 사이이며,

• 값이 크면 전압 강하가 커져 측정이 쉽지만 전력 손실이 크고
• 값이 작으면 효율이 좋지만 정확한 측정을 위해 증폭 회로가 필요합니다.
  정확도 확보를 위해 INA219, INA226, MAX4372, ACS712 같은 전류 센싱 전용 IC를 사용하는 경우도 많습니다.

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차동 증폭기의 활용 – 정밀 전류 측정을 위한 핵심

Shunt 저항 양단의 전압은 매우 작기 때문에, 이를 정확하게 측정하려면 차동 증폭기(Differential Amplifier)가 필수입니다.
이 회로는 두 입력의 차이를 증폭하여, ADC가 읽을 수 있는 수준(예: 0~3.3V)으로 전압을 키워줍니다.
게인(Gain) 설정은 사용된 저항 비율로 결정되며, 고정 게인이 내장된 전류 센싱 IC를 사용하면 편리하게 구성할 수 있습니다.
주의할 점은 증폭기의 입력 오프셋 전압, CMRR(공통모드 제거 성능), 전원 잡음 영향 등을 함께 고려해야 한다는 점입니다.

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고측(High-side) vs 저측(Low-side) 측정

전류 측정 위치에 따라 회로 구조가 달라집니다:

• 저측 측정: 부하와 GND 사이에 샌스 저항 삽입. 구조가 간단하지만 GND가 흔들릴 수 있음
• 고측 측정: 전원과 부하 사이에 샌스 저항 삽입. GND 레벨 유지 가능, 회로는 약간 복잡
  고측 측정 시에는 차동 증폭기나 전용 센싱 IC가 거의 필수이며, 정확하고 안정적인 데이터 수집이 가능합니다.
  특히 배터리 회로나 고속 스위칭 회로에서는 고측 측정이 더 안전하고 일반적입니다.

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ADC와 연결할 때 주의사항

측정된 전압을 ADC에 입력할 때는 다음 사항을 꼭 고려해야 합니다:

• ADC 입력 전압 범위: MCU에 따라 3.3V 또는 5V 제한
• 해상도(분해능): 10bit는 1024단계, 12bit는 4096단계 – 고해상도 ADC일수록 소수점까지 측정 가능
• 샘플링 속도: 너무 빠르면 노이즈 증가, 너무 느리면 변화 추적 불가
• 레퍼런스 전압의 안정성: 외부 기준 전압(예: 2.048V 정밀 기준) 사용 시 정확도 향상

필요시 고정밀 외부 ADC(MCP3208, ADS1115 등)를 추가로 사용하는 것도 좋은 선택입니다.

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보호 회로 및 필터 구성

센싱 회로 앞단에는 반드시 노이즈 차단 및 정전기 보호 회로가 필요합니다.

• TVS 다이오드, RC 필터, Ferrite Bead 등을 통해 외부 서지로부터 ADC나 MCU를 보호
• 고속 ADC의 경우, 10Ω 직렬 저항 + 100nF 필터 커패시터 조합으로 간단한 로우패스 필터 구성
  이러한 보호 회로는 시스템이 불안정하거나 측정값이 튈 때도 첫 번째로 점검해야 할 부분입니다.

 

 

실무에서 자주 마주치는 측정 오류와 그 해결법

실제 제품 개발 현장에서는 전류나 전압 측정값이 튀거나, 간헐적으로 0 또는 MAX 값으로 표시되는 경우가 자주 발생합니다.
이러한 오류의 대부분은 GND 루프 문제, 노이즈 유입, 센싱 저항 배선 불량, ADC 기준 전압 흔들림 등 하드웨어적 이슈에서 비롯됩니다.
특히 고속 스위칭 회로나 모터 제어 시스템에서는 스위칭 노이즈가 측정 라인에 직접 영향을 주는 경우가 많기 때문에,
센싱 회로 자체를 별도의 GND 영역에 배치하거나, 신호 라인을 쉴딩하거나, 디지털 회로와 물리적으로 분리하는 설계가 필요합니다.
디버깅 시에는 반드시 ADC 입력 전압과 GND 기준을 오실로스코프로 확인하고, 측정 파형이 안정적인지 먼저 점검하는 것이 좋습니다.

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전압/전류 모니터링은 전력 설계의 감각기관

정확하고 안정적인 전압/전류 측정 회로는 단순 계측 이상의 가치를 갖습니다.
이는 회로 상태를 파악하고, 오작동을 방지하고, 데이터를 기반으로 에너지 최적화, 상태 모니터링, 스마트 제어까지 가능하게 해주는 핵심 기반입니다.
측정값의 정확도는 전체 시스템 제어의 신뢰도와 직결되며,
센싱 회로는 ‘보이지 않는 감각기관’처럼 회로 전체의 상태를 감지하는 역할을 합니다.
단순한 분압과 저항에서 시작하더라도, 정확한 회로 구성과 검증을 통해 정밀한 전력 설계의 출발점이 될 수 있습니다.