풀업·오픈드레인·레벨 시프터

한 줄 요약 — 풀업(pull-up) 저항 값 하나가 I2C 통신 속도와 소비 전력을 정합니다.

풀업 / 풀다운

목적: 신호가 정의되지 않는 상태(하이임피던스)를 막습니다.

상황	필요
오픈 드레인(open drain) 출력	풀업 필수
버튼 입력	풀업 또는 풀다운
MCU 부팅 중 GPIO가 하이임피던스	외부 소자의 오동작 방지
MOSFET 게이트	플로팅 방지
미사용 CMOS 입력	고정 필수

내부 풀업 vs 외부 풀업

	내부 (MCU)	외부
값	20~50 kΩ (부정확)	정확
부팅 전	동작 안 함	항상 동작
I2C	대개 부족	필요
비용	0	저항

⚠️ MCU 리셋/부팅 중에는 내부 풀업이 동작하지 않습니다. 그 사이 외부 소자(MOSFET, 릴레이 드라이버)가 오동작하면 위험하므로, 안전이 중요한 신호에는 외부 풀업/풀다운을 쓰세요.

★ I2C 풀업 계산

I2C는 오픈 드레인(drain)이므로 풀업이 필수이고, 그 값이 속도와 전력을 동시에 결정합니다.

최소값 (전류 제한)

R_{min} = \frac{V_{DD} - V_{OL}}{I_{OL}}

기호

I_OL전류 (OL)current (OL)A

R_min최소 저항minimum resistanceΩ

V_DD전압 (DD)voltage (DD)V

V_OL출력 Low 전압output low voltageV

I2C 규격: $I_{OL}$ = 3 mA, $V_{OL}$ = 0.4 V

3.3 V: $R_{min} = \dfrac{3.3-0.4}{0.003} = 967\ \Omega$ → 약 1 kΩ

최대값 (상승 시간)

풀업 저항과 버스 용량이 RC를 만듭니다. 30%→70% 상승 시간:

t_r = 0.8473\times R_pC_b

기호

C_b정전용량 (b)capacitance (b)F

R_p피크 저항peak resistanceΩ

t_r상승 시간rise times

모드	최대 $t_r$	최대 $C_b$
표준 (100 kHz)	1000 ns	400 pF
고속 (400 kHz)	300 ns	400 pF
초고속 (1 MHz)	120 ns	550 pF

R_{max} = \frac{t_r}{0.8473\times C_b}

기호

C_b정전용량 (b)capacitance (b)F

R_max최대 저항maximum resistanceΩ

t_r상승 시간rise times

계산 예제

400 kHz, 버스 용량 200 pF:

R_{max} = \frac{300\times10^{-9}}{0.8473\times200\times10^{-12}} \approx 1.77\ \text{k}\Omega

기호

R_max최대 저항maximum resistanceΩ

허용 범위: 1 kΩ ~ 1.77 kΩ → 1.5 kΩ 선택

100 kHz, 버스 용량 100 pF:

R_{max} = \frac{1000\times10^{-9}}{0.8473\times100\times10^{-12}} \approx 11.8\ \text{k}\Omega

기호

R_max최대 저항maximum resistanceΩ

4.7 kΩ(관례값)이 잘 맞습니다.

💡 “I2C 풀업은 4.7 kΩ” 이라는 관례는 100 kHz, 짧은 버스 기준입니다. 400 kHz나 긴 버스에서는 계산해서 낮춰야 합니다.

버스 용량 추정

요소	용량
IC 핀	5~10 pF
PCB 배선(trace)	1 pF/cm
커넥터·케이블	50~100 pF/m

오픈 드레인 (오픈 컬렉터)

출력이 Low로 당기거나(sink), 하이임피던스만 됩니다. High는 풀업이 만듭니다.

✅ 장점	⚠️ 단점
와이어드-AND (여러 출력을 묶을 수 있음)	상승이 느림 (RC)
레벨 변환 자유 (풀업 전압으로 결정)	상시 전력 소비 (Low일 때)
버스 충돌 안전	노이즈 마진(noise margin)노이즈 마진 noise margin논리 레벨이 잘못 읽히기 전까지 견딜 수 있는 잡음의 크기로, 레벨 시프터를 고를 때의 기준입니다.자세히 보기 →이 상승 구간에서 취약

용도: I2C, 인터럽트 병합, 리셋 라인, 레벨 시프트

레벨 시프터

1. 저항 분압 (3.3 V ← 5 V)

가장 간단하지만 속도가 느립니다 (RC).

저항 분압 레벨 시프터 (5V → 3.3V)워크벤치에서 열기 →

단순한 분압기분압 voltage divider직렬로 이은 두 저항은 입력 전압을 저항비대로 나눠 갖습니다. $V_{out} = V_{in}\,\frac{R_2}{R_1+R_2}$ 자세히 보기 →입니다. $R_1$ 이 위(5 V 쪽), $R_2$ 가 아래(GND 쪽)이고 중간점이 3.3 V 입력으로 갑니다.

$R_1 = 1.7$ kΩ, $R_2 = 3.3$ kΩ 정도 (비율 1:1.94)

⚠️ 고속 신호에는 부적합. 그리고 단방향입니다.

2. MOSFET 양방향 (I2C에 표준)

BSS138 양방향 레벨 시프터 (I2C)워크벤치에서 열기 →

부품	어디에 붙나	하는 일
M1 소스	3.3 V(낮은) 쪽 버스	바디 다이오드가 3.3 V 쪽 → 5 V 쪽 방향을 향하게 만드는 배치
M1 드레인	5 V(높은) 쪽 버스
M1 게이트	3.3 V 레일에 고정	$V_{GS} = 3.3 - V_{SDA(low)}$ 가 되어, 낮은 쪽이 내려갈수록 더 세게 켜진다
$R_{up}$ (양쪽)	각 레일 ↔ 각 버스	오픈드레인 버스를 High로 올린다. 양쪽 전압이 달라도 각자 자기 레일로 올라간다

게이트를 3.3 V에 연결. 양방향으로 동작하며 I2C에 완벽합니다.

동작 원리:

3.3 V 쪽이 Low → MOSFET이 켜짐 → 5 V 쪽도 Low
5 V 쪽이 Low → 바디 다이오드(diode)를 통해 3.3 V 쪽이 내려가고, 그러면 $V_{GS}$ 가 커져 MOSFET이 완전히 켜짐
둘 다 High → MOSFET 차단(cutoff), 각자 풀업으로 High

3. 전용 IC

IC	특징
74LVC1T45	단방향, 방향 제어 핀, 고속
74LVC2T45	2채널
TXB0104	양방향 자동, 오픈드레인에 부적합
TXS0102	양방향, I2C용 (풀업 내장)
PCA9306	I2C 전용 레벨 시프터(level shifter)

⚠️ TXB 시리즈는 I2C 같은 오픈드레인 버스에 쓰면 안 됩니다. 내부에 약한 드라이버가 있어 오픈드레인과 충돌합니다. TXS 시리즈나 PCA9306을 쓰세요.

4. 5 V 내성 입력 활용

많은 3.3 V MCU의 일부 핀은 5 V 내성(5V tolerant) 입니다. 이 경우 5 V → 3.3 V 방향은 직접 연결 가능합니다.

⚠️ 데이터시트에서 어느 핀이 내성인지 확인하세요. 아날로그 기능이 있는 핀은 대개 내성이 없습니다.

시뮬레이션으로 확인

I2C 풀업 저항과 상승 시간워크벤치에서 열기 →

# examples/09-digital/i2c-pullup.yaml
meta:
  name: I2C 풀업 저항과 상승 시간
  lesson: docs/09-digital/05-pullup-levelshift.md
  note: RP를 1k/4.7k/10k로 바꾸며 상승 시간을 비교
components:
  - {ref: VDD, type: vdc, value: 3.3}
  - {ref: RP,  type: r, value: 4.7k, label: 풀업}
  - {ref: CB,  type: c, value: 200p, label: 버스 용량}
  - {ref: SW,  type: sw, model: SW_IDEAL}
  - {ref: VC,  type: vpulse, params: {v1: 5, v2: 0, td: 1u, tr: 10n, tf: 10n, pw: 5u, per: 10u}}
nets:
  VP:  [VDD.p, RP.1]
  SDA: [RP.2, CB.1, SW.1]
  CTL: [VC.p, SW.cp]
  GND: [VDD.n, CB.2, SW.2, SW.cn, VC.n]
analyses:
  - {type: tran, tstep: 10n, tstop: 20u}

$R_P C_B$ 시정수시정수 time constantRC 회로가 목표값까지 63%를 가는 데 걸리는 시간으로, 회로의 빠르기를 한 숫자로 나타냅니다. $\tau = RC$ 자세히 보기 →를 확인하세요. 4.7 kΩ × 200 pF = 940 ns → 30~70% 상승 시간 약 800 ns로 400 kHz 규격(300 ns) 초과입니다.

⚖️ 부품 트레이드오프

선택	✅ 좋아지는 것	⚠️ 나빠지는 것
작은 풀업 (1 kΩ)	빠른 상승, 노이즈 면역↑	소비 전류↑ (3.3 mA), 드라이버 부담
큰 풀업 (10 kΩ)	저전력	느린 상승 → 속도 제한, 노이즈에 취약
내부 풀업	부품 0개	값 부정확, 부팅 전 무효, I2C에 부족
저항 분압 레벨 시프트	부품 2개, 저렴	느림, 단방향, 상시 전류
MOSFET 레벨 시프트	양방향, 빠름, 저렴	부품 3개(MOSFET + 풀업 2개)
전용 IC	빠르고 확실	비쌈, 전원 필요

측정 회로 관점

⚠️ I2C/SPI 배선을 아날로그 입력 근처로 지나가게 하지 마세요. 통신 중 발생하는 에지가 용량 결합(coupling)으로 아날로그에 들어옵니다.

가능하면 측정 중에는 통신을 멈추세요. ADC 변환 중에 I2C 트래픽이 있으면 그 노이즈가 그대로 데이터에 들어갑니다. 변환 완료 후 읽는 방식으로 타이밍을 분리하세요.

🔌 실제 쓰임새

자리	값
I2C (100 kHz, 짧은 버스)	4.7 kΩ
I2C (400 kHz)	1.5~2.2 kΩ
I2C (긴 케이블)	1 kΩ + 버퍼 IC (PCA9600 등)
버튼 입력	10 kΩ
MOSFET 게이트 풀다운	100 kΩ
리셋 라인	10 kΩ
인터럽트 (와이어드-OR)	10 kΩ

⚠️ 이상과 실제의 차이

이상	실제
상승이 즉시	$RC$ 로 느림
버스 용량이 작음	커넥터·케이블로 크게 증가
풀업 값이 자유	최소·최대 제약이 동시에 존재
레벨 시프트가 투명	지연·왜곡 추가
5 V 내성이면 안전	전원이 꺼진 상태에서 5 V가 들어오면 기생 급전(back-powering) 위험

연습문제

문제 1. I2C 400 kHz, 버스 용량 150 pF, 3.3 V. 풀업 저항 범위는?

연습 9-05-1 — I2C 풀업 저항의 위아래 한계워크벤치에서 열기 →

풀이

최소: $\dfrac{3.3-0.4}{0.003} = 967\ \Omega$

최대: $\dfrac{300\times10^{-9}}{0.8473\times150\times10^{-12}} \approx 2.36\ \text{k}\Omega$

범위: 1 kΩ ~ 2.36 kΩ → 1.8 kΩ 또는 2.2 kΩ

문제 2. 3.3 V MCU와 5 V 센서를 I2C로 연결합니다. 어떻게 하겠습니까?

풀이

BSS138 MOSFET 레벨 시프터 (SDA, SCL 각각):

BSS138 양방향 레벨 시프터 (I2C)워크벤치에서 열기 →

SDA·SCL 두 신호에 각각 하나씩, 총 BSS138 2개 + 풀업 4개가 필요합니다.

왜 이 방법인가:

I2C는 양방향이므로 방향 제어가 필요 없는 방식이어야 함
오픈드레인 특성을 유지해야 함
저렴하고 검증됨

대안: PCA9306, TXS0102 같은 전용 IC (더 빠르고 확실하지만 비쌈)

⚠️ 주의: 양쪽에 각각 풀업이 필요하고, 버스 용량이 두 배가 되므로 풀업 값을 다시 계산해야 합니다.

더 간단한 대안: 센서가 3.3 V로도 동작한다면(많은 5 V 센서가 3.0~5.5 V 범위) 그냥 3.3 V로 구동하세요. 레벨 시프터가 아예 필요 없습니다.

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