KEMI Docs · 회로 실무
배터리 수명 계산과 저전력 설계
마지막 갱신: 2026-10-04
'코인셀 하나로 3년'은 저전력 기기 기획서에 자주 등장하는 문장입니다. 계산은 간단합니다. 배터리 용량을 평균 전류로 나누면 됩니다. 문제는 평균 전류를 구성하는 항목 대부분이 데이터시트의 대표값이 아니라 회로의 사소한 부분, 즉 레귤레이터의 무부하 전류, 풀업 저항, 배터리 측정용 분압, 디버그 칩에서 나온다는 것입니다. 이 글은 평균 전류로 수명을 계산하는 방법, 계산을 실제에 가깝게 만드는 보정, 숨은 전류를 찾는 요령, 그리고 µA와 mA가 섞인 전류를 제대로 측정하는 방법을 정리합니다.
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기본 공식 — 평균 전류
저전력 기기는 대부분의 시간을 잠들어 있다가 잠깐 깨어나 일하고 다시 잡니다. 이런 기기의 전류는 상태별 전류에 그 상태로 머무는 시간을 곱해 더한 뒤, 한 주기 시간으로 나눈 평균 전류로 봅니다. I_avg = Σ(I_i × t_i) / T. 수명은 배터리 용량 / I_avg이고, 여기에 뒤에서 설명할 보정 계수를 곱합니다. 계산은 전하량(µC 또는 µAh)으로 하면 단위 실수가 줄어듭니다.
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계산 예 — 1분마다 측정·송신하는 센서
CR2032 코인셀(용량 약 220mAh, 제조사·조건에 따라 220~240mAh)로 동작하는 온습도 센서를 생각해 봅시다. 60초마다 깨어나 50ms 동안 MCU와 센서가 2mA를 쓰고, 이 중 5ms 동안 무선 송신으로 15mA를 쓰며(편의상 별도 항목으로 계산), 나머지 시간은 3µA로 잡니다.
| 상태 | 전류 | 시간(1주기) | 전하량 |
|---|---|---|---|
| 슬립 | 3µA | 59.945s | 179.8µC |
| 측정(MCU+센서) | 2mA | 50ms | 100.0µC |
| 무선 송신 | 15mA | 5ms | 75.0µC |
| 합계 | — | 60s | 354.8µC |
평균 전류는 354.8µC / 60s = 5.91µA, 계산상 수명은 220mAh / 5.91µA ≈ 37,200시간 ≈ 4.2년입니다. 눈여겨볼 점은 슬립이 전체 전하의 51%를 차지한다는 것입니다. 송신 전류 15mA는 크지만 시간이 짧아 21%에 불과합니다. 저전력 설계에서 피크 전류보다 슬립 전류가 더 중요해지는 이유가 이것입니다.
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슬립 전류가 지배하는 구간
| 깨어나는 간격 | 평균 전류 | 계산 수명(220mAh) | 슬립 비중 |
|---|---|---|---|
| 1초 | 178µA | 약 0.1년(52일) | 2% |
| 10초 | 20.5µA | 약 1.2년 | 15% |
| 60초 | 5.9µA | 약 4.2년 | 51% |
| 600초 | 3.3µA | 약 7.6년 | 91% |
간격이 짧으면 활동 전류가, 길면 슬립 전류가 수명을 정합니다. 간격을 1분에서 10분으로 늘려도 수명은 두 배가 안 되는데, 이미 슬립 전류가 바닥을 정하고 있기 때문입니다. 이 구간에서는 활동 시간을 줄이는 노력보다 슬립 전류를 1µA 줄이는 것이 훨씬 효과적입니다. 반대로 1초마다 깨어나는 기기라면 활동 시간(센서 안정화 대기, 무선 연결 시간)을 줄이는 것이 우선입니다. 설계 초기에 이 표를 그려 보면 어디에 노력을 써야 할지가 분명해집니다.
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숨은 전류 — 계산이 틀어지는 진짜 이유
위 예의 슬립 3µA는 MCU 데이터시트의 슬립 전류에 RTC를 더한 값입니다. 실제 보드에서는 MCU 밖의 부품들이 µA를 보탭니다. 위 예에 상시 전류가 더해지면 수명은 이렇게 변합니다.
| 추가 상시 전류 | 흔한 원인 | 평균 전류 | 계산 수명 |
|---|---|---|---|
| +1µA | 나노파워 LDO, 센서 대기 전류 | 6.9µA | 약 3.6년 |
| +5µA | 배터리 측정 분압(수백 kΩ), 저가 LDO | 10.9µA | 약 2.3년 |
| +50µA | 범용 LDO 무부하 전류, 100k 분압, 전원 LED 소등 안 됨 등 | 55.9µA | 약 5개월 |
| +5mA | AMS1117 같은 범용 레귤레이터(무부하 약 5mA 수준) | 5.0mA | 약 2일 |
- 레귤레이터 무부하 전류(Iq): 범용 LDO 중에는 무부하 전류가 수 mA인 제품이 있습니다. 개발 보드에서 흔한 AMS1117 계열이 대표적이라, 그 회로를 그대로 가져오면 배터리가 며칠 만에 끝납니다. 저전력 기기에는 Iq 1µA 이하 제품(수십 nA급도 있음)을 쓰거나, 배터리 전압 범위가 맞으면 레귤레이터 없이 직결합니다. LDO와 벅의 선택 기준은 별도 문서를 참고하십시오.
- 풀업 저항: 10kΩ 풀업이 Low로 붙잡혀 있으면 3.3V에서 330µA가 흐릅니다. 슬립 중 Low 상태가 될 수 있는 신호(버튼, 오픈 드레인 인터럽트)는 풀업 값을 키우거나 MCU 내부 풀업을 필요할 때만 켭니다.
- 분압 회로: 배터리 측정용 100k + 100k 분압은 상시 21µA입니다. 스위칭 분압으로 측정할 때만 켭니다.
- 전해 커패시터 누설: 알루미늄 전해 커패시터의 누설 전류 규격은 흔히 0.01CV 또는 3µA 중 큰 값입니다(C는 µF, V는 정격 전압). 100µF 16V면 최대 16µA로, MCU 슬립 전류보다 큽니다. 배터리 쪽 벌크 커패시터는 MLCC나 저누설 품목을 고릅니다.
- 떠 있는 입력 핀: 연결되지 않은 GPIO 입력이 중간 전압에 떠 있으면 입력단에서 관통 전류가 흐를 수 있습니다. 사용하지 않는 핀은 아날로그 모드나 출력으로 설정합니다.
- 주변 칩 대기 전류: 센서, 플래시 메모리, USB-UART 변환 칩은 슬립 명령이나 전원 차단을 하지 않으면 수십~수백 µA를 씁니다. 특히 USB-UART 칩이 MCU의 TX 신호를 통해 역으로 전원을 받는 경우도 있습니다.
- 전원 표시 LED: 1~2mA짜리 LED 하나가 나머지 회로 전체보다 100배 많이 씁니다. 저전력 제품에는 상시 LED를 두지 않습니다.
- 디버거 연결: SWD 디버거가 연결된 상태에서는 디버그 회로가 살아 있어 슬립 전류가 크게 측정됩니다. 측정은 디버거를 분리하고 전원을 다시 켠 뒤 합니다.
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배터리 쪽 보정 — 용량은 고정값이 아니다
| 배터리 | 공칭 전압 | 자가방전(대략) | 주의점 |
|---|---|---|---|
| 리튬 코인셀(CR2032 등, Li-MnO₂) | 3.0V | 연 1% 안팎 | 내부저항이 커서 mA 펄스에 전압이 처짐 |
| 알칼라인(AA·AAA) | 1.5V | 연 수 % | 저온·고전류에서 용량 급감 |
| 리튬이온·리튬폴리머 | 3.6~3.7V | 월 수 % | 보호회로 자체 소비 µA급, 0°C 이하 충전 금지 |
| 니켈수소(NiMH) | 1.2V | 일반형은 월 수십 %, 저자가방전형은 1년 후 70~85% 유지 | 장기 대기 기기에는 부적합(일반형) |
| 리튬 염화티오닐(Li-SOCl₂) | 3.6V | 연 1% 이하 | 장기 보관 후 첫 펄스에서 전압 지연(패시베이션) |
- 용량은 측정 조건 값입니다: 데이터시트 용량은 특정 부하(예: 수십 kΩ 연속 부하)와 종지 전압(예: 2.0V)에서 측정한 것입니다. 기기가 2.4V 이하에서 동작하지 못하면 그 아래 남은 용량은 쓸 수 없습니다.
- 코인셀과 펄스: CR2032의 내부저항은 새것도 수~수십 Ω이고 방전이 진행되거나 온도가 낮아지면 더 커집니다. 15mA 펄스에서 수백 mV가 처져 MCU가 브라운아웃으로 리셋될 수 있습니다. 배터리 옆에 저누설 벌크 커패시터를 두어 펄스를 커패시터가 감당하게 하고, 데이터시트의 펄스 부하 곡선을 확인합니다.
- 저온: 대부분의 배터리는 0°C 이하에서 쓸 수 있는 용량과 펄스 능력이 크게 줄어듭니다. 실외·냉장 환경 제품은 최저 온도에서 다시 계산합니다.
- 보정 계수: KEMI는 계산 수명에 0.7~0.8을 곱해 약속합니다. 위 예라면 4.2년 × 0.7 ≈ 3년입니다. 기획서의 '3년'은 이렇게 나와야 합니다.
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실측 — µA와 mA를 함께 재는 법
계산은 실측으로 확인해야 끝납니다. 그런데 저전력 기기의 전류는 µA 슬립과 수십 mA 펄스가 수만 배 차이로 섞여 있어 일반 멀티미터로는 제대로 잴 수 없습니다. 멀티미터의 µA 레인지는 내부 션트 저항이 계측기에 따라 수십~수백 Ω이라, 15mA 펄스가 지나가면 그 저항에서 1V 이상이 떨어져(부담 전압) 기기가 리셋됩니다. 자동 레인지 전환도 펄스를 따라가지 못합니다.
- 전용 전류 프로파일러: nA~수백 mA를 자동 전환 없이 연속 기록하는 장비(예: Nordic PPK2, Joulescope, Otii 등)가 가장 확실합니다. 평균 전류와 상태별 전하량을 바로 얻을 수 있어 위 계산표와 1:1로 비교됩니다.
- 션트 + 오실로스코프: 작은 션트 저항(예: 10Ω)의 전압을 스코프로 보면 펄스 모양과 길이를 확인할 수 있습니다. 슬립 µA 측정에는 분해능이 부족하므로 슬립 바닥은 멀티미터로 따로 잽니다.
- 멀티미터로 슬립만 재기: 기기가 슬립에 들어간 뒤 µA 레인지로 바꾸고, 깨어날 때는 레인지를 바꾸거나 션트를 단락하는 스위치를 두는 방법입니다. 번거롭지만 장비 없이 슬립 바닥을 확인할 수 있습니다.
- 측정 조건: 디버거 분리, 최종 펌웨어(디버그 로그 끔), 실제 배터리 전압, 충분히 긴 시간(최소 수 주기). 평균은 짧은 창이 아니라 여러 주기에 걸쳐 냅니다.
- 변종 확인: 무선 재전송, 연결 실패 시 재시도, 센서 오류 처리처럼 드물지만 전류를 많이 쓰는 경로가 실제 평균을 끌어올립니다. 최악 조건(신호 약함, 저온)에서도 한 번 잽니다.
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자주 하는 실수
- MCU 슬립 전류만으로 수명을 계산한다: 레귤레이터, 분압, 풀업, 주변 칩을 더해야 합니다.
- 개발 보드 전원부를 그대로 쓴다: 범용 LDO와 전원 LED가 그대로 남아 있습니다.
- 배터리 용량을 공칭값 그대로 쓴다: 종지 전압, 펄스, 온도, 자가방전 보정이 빠졌습니다.
- 멀티미터로 펄스 기기의 평균 전류를 잰다: 부담 전압으로 리셋되거나 평균이 틀립니다.
- 디버거를 꽂은 채 슬립 전류를 잰다: 실제보다 크게 나옵니다.
- 전해 커패시터를 배터리 벌크로 쓴다: 누설 전류가 슬립 전류보다 클 수 있습니다.
- 드문 경로를 무시한다: 재전송·재접속이 많은 환경에서 평균이 몇 배로 뜁니다.
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실무 체크리스트
- 상태별 전류·시간 표를 만들고 평균 전류를 계산했는가?
- 깨어나는 간격별 수명 표로 슬립·활동 중 무엇이 지배하는지 확인했는가?
- 레귤레이터 Iq를 확인했는가(또는 직결이 가능한가)?
- 분압·풀업·LED·주변 칩의 상시 전류를 목록에 넣었는가?
- 사용하지 않는 핀과 주변 칩을 슬립 상태로 설정했는가?
- 배터리 종지 전압과 기기 최소 동작 전압을 맞춰 봤는가?
- 코인셀이면 펄스 전류와 벌크 커패시터를 검토했는가?
- 최저 사용 온도에서 용량을 다시 계산했는가?
- 계산 수명에 0.7~0.8 보정 계수를 적용했는가?
- 전류 프로파일러로 최종 펌웨어를 실측했는가?
FAQ
벅 컨버터를 쓰면 배터리가 더 오래가나요?
부하 전류가 큰 구간에서는 그렇습니다. 하지만 저전력 기기는 대부분의 시간이 µA 슬립이고, 일반 벅은 경부하 효율이 낮거나 자체 소비가 큽니다. 경부하 모드(PFM)와 µA급 무부하 전류를 지원하는 제품이어야 이득이 납니다.
배터리 잔량은 전압으로 알 수 있나요?
대략적으로만 가능합니다. 코인셀과 리튬 계열은 방전 곡선이 평탄해서 전압 변화가 작고, 부하·온도에 따라 전압이 흔들립니다. 정확한 잔량이 필요하면 전하량을 적산하는 연료 게이지를 씁니다.
슬립 전류는 어디까지 줄이면 되나요?
평균 전류에서 슬립 비중이 절반 이하가 되는 지점까지가 효과가 큽니다. 그 아래로는 활동 시간이나 송신 횟수를 줄이는 편이 낫습니다. 위 간격별 표를 기준으로 판단하십시오.
자가방전은 계산에 어떻게 넣나요?
자가방전을 등가 상시 전류로 바꿔 더하면 됩니다. 220mAh 셀이 연 1% 방전되면 2.2mAh / 8,760h ≈ 0.25µA를 평균 전류에 더하는 것과 같습니다.
함께 보기
이 문서는 KEMI가 실제 설계·발주 업무에서 쓰는 기준을 정리한 것입니다. 실제 제작 시에는 부품 데이터시트와 제조 사양이 우선합니다.