션트(shunt)로 전류를 측정할 때는 전류 배선과 전압 측정 배선을 분리합니다

먼저 알아둘 용어

션트(shunt)·켈빈 연결(Kelvin connection) — 션트는 작은 저항의 전압 강하로 전류를 읽는 저항입니다. 켈빈 연결은 큰 전류가 흐르는 경로와 전압 감지 경로를 분리하여 배선·접촉 저항의 오차를 줄이는 방법입니다.

Rsh·Vsh·단위 — Rsh는 션트 저항, Vsh는 션트 양단 감지 전압이며 전류는 Vsh/Rsh입니다. mΩ은 0.001 Ω, mV는 0.001 V입니다.

로우사이드(low-side)·하이사이드(high-side)·공통모드 전압(common-mode voltage) — 로우사이드 션트는 부하의 리턴 쪽, 하이사이드 션트는 전원 공급 쪽에 놓습니다. 공통모드 전압은 두 감지 입력 전압의 평균을 증폭기의 기준 전위에 대해 나타낸 값입니다. 하이사이드에서는 증폭기가 버스(bus) 전압에 가까운 입력 전압을 허용해야 합니다.

작동 원리

션트 전압이 작을수록 패턴·납땜·접촉 저항의 전압 강하가 큰 오차가 됩니다. 굵은 전류 경로와 저항 양단을 읽는 감지선을 분리하되 감지선에도 부하 전류가 흐르는 공통 구간이 남지 않게 합니다.

션트 자체도 측정할 회로를 바꿉니다. 계산 예시로 이상적인 5 V 전원에 1 Ω 션트와 1 Ω 부하를 직렬 연결하면 전류는 2.5 A, 부하 전압은 2.5 V이며 션트 손실은 6.25 W입니다. 원래 부하에 5 V를 인가한 상태를 그대로 측정한 결과가 아닙니다.

분기점 앞에 넣은 저항은 두 갈래에 함께 영향을 줍니다

부하가 갈라지는 회로에서는 저항을 어느 갈래에 넣었는지 먼저 확인하세요. 아래는 실제 측정값이 아니라 이상적인 전원과 저항을 놓고 계산한 예시입니다. 10 V 전원과 분기점 사이에 1 Ω 저항을 직렬로 넣고, 분기점 뒤에 2 Ω 갈래와 3 Ω 두 개를 직렬로 이은 6 Ω 갈래를 병렬로 둡니다. 두 갈래의 합성 저항은 1.5 Ω이고 전체 저항은 2.5 Ω이므로, 분기점 앞 1 Ω에는 전체 전류 4 A가 흐릅니다. 그 저항에서 4 V가 떨어져 분기점은 6 V가 됩니다. 1 Ω의 손실은 4²×1=16 W로 계산됩니다. 2 Ω 갈래에는 3 A, 오른쪽 6 Ω 갈래에는 1 A가 흐르며, 마지막 3 Ω의 A–B 양단에는 3 V가 걸립니다.

1 Ω 자리를 도선으로 이어 10 V를 두 갈래에 직접 공급하면 전체 전류는 약 6.67 A, A–B 전압은 5 V가 됩니다. 저항을 빼서 회로를 열어 놓은 경우와는 다릅니다. 따라서 1 Ω을 넣고 읽은 4 A를 저항이 없는 회로의 전류로 해석해서는 안 됩니다. 특정 갈래의 전류만 알아야 한다면 감지 저항이 그 갈래에만 흐르는 경로에 있는지 따라가세요. 실제 회로에서는 저항에 예상되는 최대 손실과 부품의 전력 정격, 전원의 공급 가능 전류를 확인하고, 저항과 각 부하의 전압을 함께 재야 합니다.

계기 안의 병렬 션트와 부하에 직렬로 넣는 션트를 구분합니다

검류계(galvanometer)는 작은 전류가 흐를 때 바늘이 움직이는 계기입니다. 검류계로 더 큰 전류를 읽으려면 낮은 저항을 바늘 구동부와 병렬로 연결하여 전류 대부분을 우회시킬 수 있습니다. 이렇게 만든 계기 전체는 측정할 부하와 직렬로 연결합니다. 계기 안에서 병렬이라는 말과 회로 밖에서 직렬이라는 말을 혼동하면 전원 양단에 낮은 저항을 직접 연결하는 위험한 배선이 됩니다.

기판의 전류 감지에서는 보통 작은 감지 저항(current-sense resistor)을 부하 전류 경로에 직렬로 놓고, 그 저항의 두 감지 단자에 입력 임피던스가 높은 전압 측정 회로를 연결합니다. 이 감지선은 저항 양단 전압을 읽을 뿐 부하 전류를 우회시키는 길이 아닙니다. 두 방식 모두 ‘션트’라는 이름을 쓰지만, 배선도를 볼 때는 무엇과 병렬이며 전체 회로에서는 어디에 직렬인지 먼저 확인해야 합니다.

적용 순서

1. 허용할 전압 손실부터 정해 Rsh≤허용 전압 손실/최대 전류를 계산합니다. 10 A에서 75 mV라면 7.5 mΩ 이하이며, 7.5 mΩ을 선택했을 때 그 전류의 손실은 I²Rsh=0.75 W입니다. 실제 정격은 온도·과도 전류·실장 조건을 함께 검토합니다.

2. 감지선은 전류 패턴의 임의 지점이 아니라 션트의 지정 감지 지점에 붙입니다. 두 선을 함께 짧게 보내고 큰 전류가 감지 경로를 공유하지 않게 합니다.

3. 부하가 연결된 실제 상태에서 션트 양단 전압과 부하 양단 전압을 함께 잽니다. 전류는 Vsh/Rsh로 환산합니다.

4. 정상 온도에 도달한 뒤 값을 다시 비교합니다. 필요하면 부하 전류를 독립적인 계기로 확인하고 영점·이득 오차를 분리합니다.

적용 조건과 한계

저항 정격이 2 W라고 해서 0.75 W를 소모할 때의 온도가 정해지는 것은 아닙니다. 실장·주변 온도·과도 전류를 확인합니다. 로우사이드 션트에는 전압 강하가 생겨 부하의 GND(Ground) 전위가 전원 접지보다 높아지며, 우회 귀로가 있으면 그 전류를 놓칩니다. 하이사이드는 증폭기의 공통모드 범위가 버스 전압을 견뎌야 합니다.

발열은 저항값도 바꿀 수 있습니다. 저항 온도계수(temperature coefficient of resistance, TCR)는 온도가 1 °C 변할 때 저항이 얼마나 변하는지를 나타내며 보통 ppm/°C로 적습니다. ppm은 백만분의 일입니다. 좁은 온도 구간을 단순화하면 R(T)≈R₀[1+α(T−T₀)]입니다. 여기서 R₀는 기준 온도 T₀에서의 저항, T는 저항체의 실제 온도, α는 1 °C당 상대 변화율입니다. 예를 들어 양의 α=100 ppm/°C이고 저항체가 기준보다 40 °C 뜨거워지면 저항은 약 0.4% 증가합니다. 이때도 차가울 때의 R₀로 전류를 계산하면 전류를 약 0.4% 높게 읽을 수 있습니다. 이는 설명용 수치이며 특정 션트의 사양이나 측정 결과가 아닙니다.

켈빈 연결은 전류 배선과 납땜 접점에서 생기는 전압 오차를 줄이지만, 감지 저항체 자체의 온도 변화까지 없애지는 않습니다. 필요한 정확도를 정한 뒤 부품 데이터시트의 TCR, 실제 실장 조건에서의 저항체 온도, 허용 오차를 함께 계산하고, 차가울 때와 충분히 가열된 뒤의 읽기값을 비교하십시오.

션트를 고를 때에는 데이터시트의 허용 전류 정격(current rating)과 펄스 허용 조건을 찾아, 회로의 최대 연속 전류와 순간 피크를 각각 대조합니다. 패키지 크기(package size)와 권장 패드 면적이 실제 기판에 맞는지도 확인합니다. 별도 전류 정격이 없다면 표기 전력만으로 허용 전류를 단정하지 말고, 온도에 따른 전력 저감(derating)과 실제 실장 조건을 적용합니다.

하이사이드로 옮기면 작은 전압차와 높은 입력 전압을 따로 봅니다

설명용으로 12 V 전원의 공급선에 0.2 Ω 션트를 넣고 1 A를 흘리면 션트 전압은 0.2 V, 손실은 0.2 W입니다. 다른 손실을 생략하면 션트의 두 단자는 접지 기준으로 12 V와 11.8 V이고, 공통모드 전압은 평균인 11.9 V입니다. 증폭기가 읽을 신호는 0.2 V이지만 각 입력이 놓인 전위는 약 12 V입니다. 낮은 전압으로 동작하는 일반 연산증폭기에 두 입력을 그대로 연결해도 된다고 판단해서는 안 됩니다.

외부 저항 네 개로 만드는 차동 증폭기(difference amplifier)는 두 입력의 차이를 증폭하는 회로입니다. 아래 회로에서는 V₁을 R₁을 거쳐 반전 입력(−)에, V₂를 R₃을 거쳐 비반전 입력(+)에 넣습니다. R₂는 출력에서 반전 입력으로 되돌아가는 피드백 저항이고 R₄는 비반전 입력과 접지를 잇습니다. 두 입력 앞에 같은 직렬 저항만 넣으면 이 회로가 만들어지는 것은 아닙니다.

연산증폭기가 정상적인 음의 피드백 범위에 있고 입력 전류를 무시할 수 있다면 출력은 Vout=(1+R₂/R₁)×[R₄/(R₃+R₄)]×V₂−(R₂/R₁)×V₁입니다. V₁과 V₂가 같은 전압일 때 그 공통 전압이 출력에서 사라지려면 R₂/R₁=R₄/R₃이어야 합니다. 이 경우 Vout=(R₂/R₁)×(V₂−V₁)로 단순해집니다. R₁=R₃이고 R₂=R₄로 고르면 이 조건을 만족하지만, 실제 회로에서는 네 저항의 저항비가 온도에 따라 얼마나 함께 변하는지도 봐야 합니다.

입력 바이어스 전류(input bias current)는 연산증폭기 입력으로 흐르는 작은 직류 전류입니다. 이 전류가 입력 쪽 저항에 만드는 전압은 측정 오차로 더해질 수 있습니다. 두 입력의 바이어스 전류가 비슷하고 신호원 저항이 충분히 작다면 R₁∥R₂와 R₃∥R₄를 가깝게 맞추면 그 오차가 줄어듭니다. 여기서 ∥는 두 저항의 병렬(parallel) 등가 저항을 뜻합니다. 이 조건은 바이어스 전류의 영향을 줄이기 위한 것이며, 공통 전압을 지우는 저항비 조건과 목적이 다릅니다. 신호원 자체의 저항이나 두 입력 바이어스 전류의 차이가 크면 병렬값만 같게 해도 오차가 남습니다.

예를 들어 R₁=R₃=10 kΩ, R₂=R₄=100 kΩ이면 이상적인 차동 이득은 10 V/V입니다. 다른 저항은 그대로 두고 R₄만 101 kΩ이라면 V₁=V₂=1 V일 때 저항 네트워크의 불일치만으로 출력에 약 9 mV가 남습니다. 부하 전류를 일정하게 유지하고 공급 전압을 허용 범위 안에서 바꿨을 때 측정 출력이 움직이는지 확인하면 공통 전압 유입을 찾는 데 도움이 됩니다. 실제 하이사이드 회로에는 연산증폭기의 입력 공통모드 범위, 출력 범위, 오프셋과 전원 조건도 함께 적용해야 합니다.

먼저 실제 회로에서 출력이 어느 입력으로 되돌아오는지 따라갑니다. 이어 입력 공통모드 범위, 차동 입력 범위, 전원과 출력 범위가 전체 부하 조건을 포함하는지 확인합니다. 검증된 전류 감지 증폭기를 쓰더라도 출력 저항이나 기준 핀의 기능은 해당 부품의 전달식으로 계산합니다. 검증할 때는 부하 전류를 일정하게 두고 허용 범위 안에서 공급 전압을 바꾸어, 출력이 전류와 무관하게 움직이는지도 비교합니다.

작은 션트를 고른 뒤에는 ADC가 읽을 수 있는지 계산합니다

저항을 작게 만들면 전력 손실은 줄지만, 측정할 전압도 작아집니다. ADC(Analog-to-Digital Converter)는 아날로그 전압을 숫자로 바꾸는 회로입니다. 입력 전압을 무한히 잘게 나눌 수는 없으므로, 최소 전류 변화가 ADC의 몇 단계에 해당하는지 확인해야 합니다. 한 단계의 크기를 1 LSB(Least Significant Bit)라고 부릅니다.

설명용으로 션트 1 mΩ에 5 A가 흐른다고 가정하겠습니다. 션트 전압은 5 mV이며, 션트 손실은 5²×0.001=0.025 W입니다. 여기서는 ADC 입력 범위를 0~3.3 V, 분해능을 10비트로 두고 잡음과 오차는 우선 제외합니다. 10비트는 입력 범위를 2¹⁰=1,024단계로 나눈다는 뜻입니다.

• 1 LSB에 해당하는 전압은 3.3 V/1,024≈3.22 mV입니다.
• 5 mV를 직접 넣으면 약 1.55 LSB에 불과합니다. 전류가 꽤 변해도 표시값이 같은 숫자에 머무를 수 있습니다.
• 전류 감지 증폭기의 전압 이득 G를 60 V/V로 정하면 5 mV가 300 mV가 됩니다. ADC에서는 약 93.1 LSB에 해당합니다. V/V는 입력 전압에 대한 출력 전압의 배율입니다.
• 이때 ADC 한 단계에 해당하는 전류는 ΔI=3.3/(1,024×60×0.001)≈0.0537 A, 즉 약 53.7 mA입니다. 이 계산은 양자화 간격이며 실제 측정 정확도를 뜻하지는 않습니다.

60배는 계산을 설명하기 위한 값입니다. 필요한 최소 전류 변화와 최대 전류를 먼저 정하고 이득을 선택합니다. 기준 출력 전압을 Vzero, 최대 전류를 Imax라고 하면 예상 최대 출력은 Vzero+G×Imax×Rsh입니다. 부품 공차와 과도 전류까지 더한 값이 증폭기의 실제 출력 범위와 ADC 입력 범위 안에 있어야 합니다. 0 A 부근에서는 증폭기가 출력을 접지까지 충분히 낮출 수 있는지도 확인합니다.

분해능이 충분해도 영점 오차는 남습니다

입력 환산 오프셋(input-referred offset)은 입력이 같아도 증폭기 출력에 남는 오차를 입력 쪽의 작은 전압으로 환산한 값입니다. 전류 감지 입력 기준으로 50 µV의 오차가 남는다고 가정하면 1 mΩ 션트에서는 50 µV/1 mΩ=50 mA의 전류 오차와 같습니다. 이는 특정 부품의 보증값이 아닌 계산 예시입니다. 같은 오차도 5 A 측정에서는 1%, 0.1 A 측정에서는 50%에 해당합니다.

이득을 높이면 신호와 이 오차가 함께 커집니다. 따라서 증폭만으로 영점 오차가 줄지는 않습니다. 션트 단자의 두 전압을 뺀 차동 전압(differential voltage) 기준으로 환산한 오프셋인지, 일반 연산 증폭기 자체의 입력 오프셋인지도 구분합니다. 외부 저항으로 구성한 차동 증폭기는 신호 이득과 오프셋에 걸리는 이득이 다를 수 있으므로, 부품의 오프셋 수치를 그대로 전류 오차로 나누기 전에 실제 회로식을 확인합니다.

검증할 때는 부하 전류를 끈 상태의 출력부터 기록하고, 알려진 전류를 낮은 값과 높은 값으로 흘려 비교합니다. 처음부터 일정한 오차는 영점, 전류에 비례해 커지는 오차는 이득·션트 값, 시간이 지나며 커지는 오차는 발열과 온도 변화를 우선 살펴봅니다. 이 분류는 원인을 찾는 출발점이며, 여러 오차가 동시에 생길 수 있습니다.

확인과 기록

아래는 5 V 전원, 1 Ω 션트와 저항 부하를 직렬 연결한 이상적인 계산 예시입니다. 전원 전압=부하 전압+션트 전압인지 각 상태에서 검산합니다.

켈빈 연결은 배선 오차를 줄이지만 션트가 만드는 부하 효과까지 없애지는 않습니다. 실제 회로에서는 전원 내부 저항과 배선 손실도 포함하여 비교합니다.

작업 순서를 다시 확인합니다