circuit

전원과 접지 개념 정리

한 줄 요약 — 측정 시스템의 성능 하한은 전원이 정합니다. 전원 설계는 “전압만 맞으면 되는” 일이 아닙니다.

전원에 요구되는 것

요구왜
정확한 전압기준전압(voltage reference), 로직 레벨
낮은 리플·잡음신호에 직접 침투
낮은 출력 임피던스(impedance)출력 임피던스 output impedance회로가 부하에 전압을 얼마나 굳건히 유지해 주는지를 나타내는 값으로, 낮을수록 부하에 덜 흔들립니다.자세히 보기 →부하 변동 시 전압 유지
빠른 과도응답(transient response)과도응답 transient response입력이 갑자기 바뀐 뒤 출력이 자리를 잡기까지의 움직임으로, 정상상태 해석으로는 안 보입니다.자세히 보기 →순간 전류 요구에 대응
충분한 전류여유 없으면 전압 강하
효율발열, 배터리 수명
안전과전압·역전압·과전류 보호

측정 회로에서는 잡음과 출력 임피던스가 특히 중요합니다.

전원 종류

종류효율잡음크기용도
배터리—최저중간최고 정밀 측정, 절연(isolation) 필요 시
리니어 (변압기+정류(rectification)정류 rectification교류를 한쪽 방향으로만 흐르게 걸러 직류로 만드는 일입니다.자세히 보기 →+레귤레이터(regulator))낮음 (30~50%)낮음큼·무거움저잡음 아날로그
LDO (후단)중간낮음작음아날로그 전원 정제
스위칭 (SMPS)높음 (80~95%)높음작음디지털, 전력
스위칭 + LDO중간낮음작음가장 흔한 절충

💡 실무 표준 구성: 스위칭으로 대략 낮추고(효율), LDO로 정제(저잡음). 예: 12 V → (벅) → 3.6 V → (LDO) → 3.3 V 아날로그

전원 트리 (power tree)

시스템 전체의 전원 계통도를 그리는 것이 설계의 출발점입니다.

공통 앞단 — 모든 레일이 여기를 먼저 지납니다.

DC 입력 12 V보호역전압 MOSFET · 퓨즈 · TVS벌크 커패시터 100 µF순간 전류를 받아 준다

그다음 세 갈래로 나뉩니다.

갈래경로최종 레일무엇을 먹이나왜 이 경로인가
①벅 → 5 V → LDO3.3 V 디지털MCU, 로직전류가 크므로 효율 우선(벅), 마지막만 LDO로 정리
② ★벅 → 5 V → LDO + 필터3.3 V 아날로그AFE①과 레일을 끝에서 갈라 디지털 스위칭 잡음이 넘어오지 않게 한다
③LDO 직결±5 V 아날로그OP앰프전류가 작고 잡음이 중요 → 처음부터 리니어

💡 ★이 붙은 ②가 이 문서 전체의 요점입니다. 5 V까지는 ①과 같은 길을 쓰다가 마지막 LDO에서 갈라집니다. 갈라지는 지점이 앞쪽일수록 격리는 좋아지고 부품 수·비용은 늘어납니다.

각 노드에서 확인할 것:

  • 최대 전류 (여유 30% 이상)
  • 전압 강하 (배선(trace) 저항 포함)
  • 발열 (ΔV×I\Delta V \times I)
  • 잡음 요구사항

★ 아날로그와 디지털 전원 분리

방법격리도비용
같은 레일 공유없음최저
페라이트 비드(ferrite bead)로 분리고주파만낮음
별도 LDO좋음 (PSRR만큼)중간
별도 레귤레이터 + 별도 접지매우 좋음높음
절연 DC-DC완전높음

왜 분리해야 하는가

디지털 회로는 클럭에 맞춰 펄스 형태로 전류를 끌어씁니다. 이 전류가 전원 임피던스를 통과하며 전압 변동을 만들고, 그것이 아날로그 회로로 침투합니다.

계산: MCU가 50 mA의 펄스 전류를 만들고 전원 배선 임피던스가 0.2 Ω이면:

ΔV=0.05×0.2=10 mV\Delta V = 0.05\times0.2 = 10\ \text{mV}
기호
Delta V전압 변화량voltage changeV
V전압voltageV

OP앰프의 PSRR이 60 dB(1 kHz)이면 입력 환산으로:

10 mV1000=10 μV\frac{10\ \text{mV}}{1000} = 10\ \mu\text{V}
기호
mu이동도mobilitym²/V·s

50 µV 신호의 20%입니다. 그리고 이건 1 kHz 기준이고, 고주파에서는 PSRR이 훨씬 나빠집니다.

⚠️ 분리했다고 안심하면 안 됩니다. 두 레일이 결국 같은 소스에서 나오고 접지를 공유하면, 결합(coupling) 경로가 남아 있습니다. 자세한 것은 06 저잡음 전원, 12-03.

접지 정리 (다시)

0-05에서 다룬 내용을 전원 관점에서 정리합니다.

접지특징
AGND (아날로그)작은 전류, 조용해야 함
DGND (디지털)큰 펄스 전류, 시끄러움
PGND (전력)매우 큰 전류 (모터, 스위칭)
섀시/실드안전, EMI

연결 원칙:

  • 각 접지는 자기 영역 안에서 낮은 임피던스를 유지
  • 서로는 한 점에서만 만남 (보통 전원 입구 또는 ADC 근처)
  • 큰 전류가 조용한 영역을 통과하지 않게

⚠️ 최근에는 “하나의 연속된 그라운드 플레인(plane)그라운드 플레인 ground plane한 층을 통째로 접지로 쓰는 것으로, 리턴 패스가 알아서 최단 경로를 찾게 해 줍니다.자세히 보기 → + 신중한 배치”가 분할보다 낫다는 것이 정설입니다. 플레인을 자르면 리턴 전류가 우회하면서 오히려 큰 루프를 만듭니다 → 12-05

계산 예제 — 전원 예산

시스템: MCU 40 mA, 계측 증폭기(instrumentation amplifier)계측 증폭기 instrumentation amplifier두 입력 모두 임피던스가 높으면서 차동만 증폭하는 구조로, 전극 측정의 표준 첫 단입니다.자세히 보기 → 5 mA, OP앰프 4개 × 5 mA, ADC 10 mA, LED 3개 × 5 mA

블록전류전압
MCU + 로직40 mA3.3 V
AFE (증폭기 5개)25 mA±5 V
ADC10 mA3.3 V
LED15 mA3.3 V
합계 (3.3 V)65 mA
합계 (±5 V)25 mA

여유 30% 적용: 3.3 V는 85 mA, ±5 V는 33 mA 이상 공급 가능해야 합니다.

입력이 12 V이고 리니어로 만들면:

Ploss,3.3V=(12−3.3)×0.085=0.74 WP_{loss,3.3V} = (12-3.3)\times0.085 = 0.74\ \text{W}
기호
P_loss,3.3V전력 (loss, 3.3V)power (loss, 3.3V)W

꽤 뜨겁습니다. 벅으로 5 V를 만들고 그 뒤에 LDO를 두면:

Ploss,LDO=(5−3.3)×0.085=0.14 W✅P_{loss,LDO} = (5-3.3)\times0.085 = 0.14\ \text{W} \quad ✅
기호
P_loss,LDO전력 (loss, LDO)power (loss, LDO)W

⚖️ 부품 트레이드오프

선택✅ 좋아지는 것⚠️ 나빠지는 것
배터리 전원최저 잡음, 접지 루프(ground loop)접지 루프 ground loop접지가 두 경로로 이어져 만들어진 고리로, 자기장을 받아 전압을 만들어 냅니다.자세히 보기 → 없음, 절연용량 한계, 전압 변동(방전에 따라), 충전 관리
리니어 전원저잡음, 간단, 낮은 출력 임피던스발열·부피, 효율 낮음, 변압기 자기장
스위칭 전원(SMPS)고효율, 소형, 넓은 입력 범위스위칭 노이즈, 공통 모드 노이즈, 설계·레이아웃 까다로움
스위칭 + LDO효율과 잡음의 절충부품 증가, LDO의 고주파 PSRR 한계
레일 분리상호 간섭(interference) 감소부품·비용·면적 증가, 여전히 접지로 결합
절연 DC-DC접지 루프 완전 차단(cutoff)비쌈, 자체 스위칭 노이즈, 공통 모드 용량 존재

🔌 실제 쓰임새

측정 시스템의 전형적 전원 구성:

블록전원이유
MCU·디지털스위칭 또는 LDO잡음 내성 있음, 전류 큼
AFE (프리앰프)전용 LDO + 필터잡음이 신호에 직결
ADC 아날로그부전용 LDO기준전압 정확도
ADC 디지털부디지털 레일
기준전압전용 저잡음 LDO정확도 상한을 정함
액추에이터별도 레일 + 별도 접지큰 전류 격리

⚠️ 이상과 실제의 차이

이상실제
전원 전압이 일정부하 변동·리플(ripple)리플 ripple직류가 되다 만 나머지 교류분으로, 평활 커패시터가 얼마나 큰지로 정해집니다.Vr=If CV_r = \frac{I}{f\,C}자세히 보기 →·노이즈로 흔들림
출력 임피던스 0주파수에 따라 변함 (LDO는 고주파에서 나빠짐)
접지가 0 V전류가 흘러 전위차 발생
레일 분리 = 완전 격리접지·용량 결합으로 여전히 연결
전원은 부수적전원이 시스템 성능의 하한을 정함

연습문제

문제 1. 12 V에서 3.3 V, 200 mA를 리니어로 만들면 발열은? 벅+LDO(5 V 중간)로 하면?

exercises/08-01-ldo-vs-buck-ldo.yaml
풀이

리니어 직접:

P=(12−3.3)×0.2=1.74 WP = (12-3.3)\times0.2 = 1.74\ \text{W}
기호
P전력powerW

벅(12→5 V, 효율 90%) + LDO(5→3.3 V):

  • LDO 손실: (5−3.3)×0.2=0.34(5-3.3)\times0.2 = 0.34 W
  • 벅 손실: 출력 5×0.2=15\times0.2 = 1 W, 입력 1/0.9=1.111/0.9 = 1.11 W → 손실 0.110.11 W
  • 총 0.45 W (74% 감소)

문제 2. 계측 증폭기(PSRR 100 dB @ DC, 60 dB @ 10 kHz)의 전원에 20 mVpp 리플이 있습니다. DC와 10 kHz에서 입력 환산 오차는?

연습 8-01-2 — PSRR 이 주파수에 따라 무너집니다 회로도RP100kΩPSRR 코너를 정합니다VRIP20mV전원 리플CP159pFSUPMIDGND
연습 8-01-2 — PSRR 이 주파수에 따라 무너집니다워크벤치에서 열기 →
풀이

DC (100 dB = 10510^5):

20 mV105=0.2 μV\frac{20\ \text{mV}}{10^5} = 0.2\ \mu\text{V}
기호
mu이동도mobilitym²/V·s

10 kHz (60 dB = 10310^3):

20 mV103=20 μV\frac{20\ \text{mV}}{10^3} = 20\ \mu\text{V}
기호
mu이동도mobilitym²/V·s

100배 차이입니다. 50 µV 신호를 재는데 20 µV의 간섭이면 심각합니다.

교훈: 스위칭 주파수(보통 수백 kHz)의 리플은 PSRR로 막을 수 없습니다. 전원 자체를 필터링해야 합니다 → 06

문제 3. 배터리로 측정 시스템을 구동하면 어떤 장점이 있고, 어떤 새로운 문제가 생깁니까?

exercises/08-01-battery-tradeoff.yaml
풀이

장점:

  1. 스위칭 노이즈가 전혀 없음 — DC 소스 그 자체
  2. 접지 루프 없음 — 대지와 절연되어 60 Hz 픽업 경로가 끊김 (12-08)
  3. 공통 모드 노이즈 없음 — 어댑터의 Y 커패시터(capacitor)를 통한 결합이 없음
  4. 안전 — 생체 측정에서 감전 위험 제거 (의료 규격 대응 쉬움)

새로운 문제:

  1. 전압이 방전에 따라 변함 — 리튬 셀은 4.2 V → 3.0 V. LDO나 벅으로 안정화 필요
  2. 내부 저항 — 방전이 진행되면 내부 저항이 커져 부하 과도응답이 나빠짐. 벌크 커패시터(bulk capacitor)벌크 커패시터 bulk capacitor보드 입구에 두는 큰 커패시터로, 디커플링이 못 따라가는 느린 전류 변화를 받아 냅니다.자세히 보기 → 필요
  3. 용량 한계 — 실험 시간 제약. 전력 예산을 엄격히 관리해야 함
  4. 충전 중에는 다시 연결됨 — 충전기가 접지 루프를 만듦. 측정 중에는 충전 금지
  5. 완전 절연이 오히려 문제일 수 있음 — 회로가 대지 기준으로 떠 있으면 정전기가 축적되고, 인체나 장비에 접근할 때 방전됨. 큰 저항(1~10 MΩ)으로 대지에 약하게 연결하는 것이 도움이 될 수 있습니다
  6. 오실로스코프(oscilloscope)를 연결하는 순간 절연이 깨짐 — 오실로스코프의 접지가 대지에 연결되어 있으므로. 차동 프로브(probe)나 절연 오실로스코프가 필요

배터리 구동은 저잡음 측정의 “황금 표준”이지만, 측정 장비를 연결하는 순간 그 이점이 사라집니다. 무선 전송이나 광절연으로 데이터를 빼내야 완전한 이점을 누립니다.

다음 → 02 리니어 레귤레이터와 LDO