3.3V GPIO로 12V 릴레이를 제어할 때는 MOSFET의 문턱전압보다 실제 게이트 전압에서 보증된 온저항을 먼저 확인해야 한다. 전원과 코일 공차로 정해지는 부하 전류, 코일 차단 시 드레인 피크 전압, GPIO의 충·방전 전류를 함께 계산하면 부품 선정 근거가 분명해진다.
아래는 특정 제품의 실측 결과가 아닌, 조건을 가정한 저속 DC 릴레이 ON/OFF 설계 예제다.
목차
1. VGS(th) 대신 보증 온저항을 확인하기
AO3400A 데이터시트 Rev 3.1에서 문턱전압 VGS(th)는 드레인 전류 250µA, VDS=VGS 조건으로 정의된다. 최소·표준·최대값은 각각 0.65V·1.05V·1.45V다. 이 시험 전류는 문턱을 정의하는 도통 전류이며, 릴레이 부하 전류에서 낮은 온저항을 보증하는 조건이 아니다.
제조사의 최대 온저항 규격은 다음과 같다. 표의 접합부 온도 조건은 TJ=25°C다.
| 게이트 전압 VGS | 시험 드레인 전류 | 최대 RDS(on) |
|---|---|---|
| 2.5V | 3A | 48mΩ |
| 4.5V | 5A | 32mΩ |
| 10V | 5.7A | 26.5mΩ |
3.3V MCU를 사용하더라도 GPIO의 High 출력이 항상 3.3V인 것은 아니다. MCU 데이터시트의 VOH 최소값과 부하 조건을 확인하고, 게이트 저항망의 전압 강하와 소스 전압 변동을 반영한 VGS가 온저항 규격의 시험 전압보다 충분히 높은지 확인해야 한다. 온저항 표의 시험 전류를 실제 PCB에서 허용되는 연속 전류로 해석해서도 안 된다.
출처: AO3400A 공식 데이터시트, 전기적 특성 및 열 특성 표.
2. 코일 전류와 도통 손실 계산
예제 조건은 다음처럼 가정한다. GPIO 값은 특정 MCU의 보증 사양이 아니다.
| 항목 | 예제 가정 |
|---|---|
| 공칭 코일 전압·저항 | 12V·120Ω |
| 최대 공급전압 | 13.2V |
| 저온과 공차를 고려한 최소 코일 저항 | 108Ω |
| GPIO VOH 최소값 | 2.9V |
| 게이트 충전 전류 예산 | 4mA |
| 계산에 사용할 온저항 | 48mΩ, VGS=2.5V·TJ=25°C 규격 |
공칭 전류는 12V/120Ω=100mA이고, 가정한 최대 전류는 다음과 같다.
\[I_{coil,max}=\frac{13.2}{108}\approx0.12222\ \mathrm{A}\]도통 손실은 전류의 제곱에 비례한다.
\[P_{cond}=I_{coil}^{2}R_{DS(on)}\]공칭 전류에서의 계산값은 0.100²×0.048=0.00048W, 즉 0.48mW다. 최대 전류 가정에서는 약 0.12222²×0.048=0.000717W, 즉 0.717mW다.
이 값은 25°C 온저항을 적용한 도통 손실 계산이다. 고온의 온저항 증가, 스위칭 손실, 실제 PCB 방열 조건을 포함한 최종 온도 보증값은 아니다. 데이터시트 열 특성은 2oz 구리를 사용한 1in² FR4 기판과 무풍 환경을 기준으로 하므로 실제 기판 조건을 별도로 확인해야 한다.
그래프의 저항 배율 1.0·1.3·1.5는 비교를 위해 선택한 모델 값이다. 특정 온도에 대응하는 제조사 보증값이나 실측 데이터가 아니다. 같은 온저항에서는 전류가 1.2배가 될 때 도통 손실이 1.44배가 되는 관계를 보여준다.
3. GPIO·게이트·릴레이의 연결 조건
예제는 MCU와 부하 전원이 공통 접지를 공유하는 로우사이드 N-MOSFET 회로다. 연결은 다음 표와 같다.
| 소자·노드 | 연결 |
|---|---|
| 릴레이 코일 | +12V와 Q1 드레인 사이 |
| Q1 소스 | MCU와 공유하는 공통 GND |
| 직렬 게이트 저항 Rg | GPIO와 Q1 게이트 사이, 예제값 1kΩ |
| 풀다운 저항 Rpd | Rg 뒤쪽의 Q1 게이트와 소스 사이, 예제값 47kΩ |
| 플라이백 다이오드 D1 | 캐소드가 +12V, 애노드가 Q1 드레인 |
로우사이드 N-MOSFET의 바디 다이오드는 소스에서 드레인 방향이다. 코일 차단 시 드레인이 전원보다 높은 양의 전압으로 상승하면 바디 다이오드는 역바이어스되므로 코일의 플라이백 환류 경로를 대체하지 못한다.
다이오드 정격과 릴레이 복귀 시간의 관계는 기존 릴레이 플라이백 다이오드 선정과 차단 시간 계산에서 이어서 확인할 수 있다.
4. 직렬 게이트 저항과 풀다운 계산
GPIO를 이상적인 3.3V 전압원으로 보고 초기 게이트 충전 전류 예산을 4mA로 정하면, 외부 직렬 저항의 하한 계산은 3.3V/4mA=825Ω이다. 예제에서는 1kΩ를 선택한다. GPIO 내부 출력 저항을 무시한 계산에서 초기 전류 상한은 3.3V/1kΩ=3.3mA다. 실제 부품 선정에는 MCU의 권장 source·sink 전류와 VOH·VOL 조건을 각각 대조해야 한다. 절대 최대 정격 전류를 상시 구동 목표로 사용하지 않는다.
게이트 뒤쪽에 47kΩ 풀다운을 연결하면 정상상태에서 분압이 발생한다. VOH 최소값 2.9V, 게이트 누설 무시, 소스 전압 바운스가 없는 공통 접지 조건에서는 다음과 같다.
\[V_{GS}=2.9\times\frac{47}{1+47}\approx2.8396\ \mathrm{V}\]이 DC 가정에서는 2.5V 온저항 규격의 시험 전압보다 높다. 실제 회로에서도 온도·전원 공차·소스 전압 변동을 포함한 여유를 확인해야 한다. GPIO를 3.3V로 두었을 때 저항망으로 흐르는 DC 전류는 3.3V/48kΩ=68.75µA다.
리셋 중 GPIO가 High-Z일 때를 위한 정적 계산도 가능하다. 총 누설 전류를 1µA, 허용 게이트 전압을 0.3V로 가정하면 Rpd≤0.3V/1µA=300kΩ이다. 47kΩ에서는 정적 누설 전압이 약 47mV다. 풀다운은 게이트 가까이에 배치하되, 이 계산이 급격한 드레인 전압 변화에 의한 밀러 유입 전류나 모든 전원 인가 순서에서의 오도통 방지를 보증하는 것은 아니다.
5. 코일 클램프를 포함한 MOSFET 내압 계산
AO3400A의 VDS 절대 최대 정격은 30V다. 선정 시에는 다음 전압 합에 설계 여유가 있어야 한다.
\[V_{sup,max}+V_{clamp,max}+V_{overshoot} < V_{DS,rating}\]일반 다이오드의 클램프 전압을 1V, 배선 오버슈트를 3V로 가정하면 피크는 13.2+1+3=17.2V다. 이는 30V보다 낮지만, 가정한 전압 합을 확인한 것이므로 실제 드레인 파형과 부품 공차를 검증해야 한다.
반대로 24V 제너와 순방향 전압 0.8V 다이오드를 조합하는 가정에서는 오버슈트가 없어도 13.2+24+0.8=38V다. 따라서 이 조건에 30V AO3400A를 적용할 수 없다. 더 높은 내압 소자를 선정할 때도 제너의 실제 클램프 전류·온도·공차와 배선 서지를 포함해 판단해야 한다. 공급전압만 보고 MOSFET 내압을 고르면 이 차이를 놓치기 쉽다.
6. 저속 ON/OFF와 PWM을 구분해 검증하기
AO3400A의 총 게이트 전하 Qg는 표준 6nC·최대 7nC이지만, 시험 조건은 VGS=4.5V·VDS=15V·ID=5.7A다. 이를 3.3V 구동에서 보증된 전하량으로 사용하면 안 된다. 또한 Qg/Ig는 거친 충전 시간 추정이며 밀러 플래토를 포함한 실제 드레인 천이 시간과 같지 않다. 관련 원리는 TI SLUA618A 게이트 드라이버 설계 문서를 참고할 수 있다.
저속 릴레이 ON/OFF용 저항값을 고속 PWM 솔레노이드 회로에 그대로 적용하지 않는다. 전용 드라이버의 필요 여부는 게이트 전하, GPIO의 source·sink 능력, 스위칭 손실, 온도와 EMI 예산을 함께 검토해 결정한다.
최종 확인 순서는 다음과 같다.
- 실제 부품의 코일 공차와 공급전압 범위로 최대 전류를 다시 계산한다.
- 정상 동작 중 게이트-소스 전압이 온저항 보증 조건을 만족하는지 측정한다.
- 부팅·리셋·전원 인가 순서에서 게이트 오도통과 소스 전압 바운스를 확인한다.
- 코일 차단 시 드레인 피크와 링잉이 선정한 내압 여유 안에 있는지 확인한다.
- 실제 PCB와 사용 온도에서 발열을 확인한다.
핵심은 실제 VGS에서 보증된 온저항 확인 → 최대 코일 전류와 손실 계산 → 게이트 저항망 검증 → 클램프를 포함한 VDS 검증의 순서다. 예제의 1kΩ·47kΩ는 이 조건에서 계산한 출발점이며, 적용할 MCU와 릴레이의 데이터시트로 다시 확인해야 한다.