자동차용 제어기에 풀업(Pull-up)/풀다운(Pull-down) 저항을 쓰는 이유와 설정 가이드

자동차용 제어기는 다양한 센서에서 신호를 받아 제어에 활용합니다. 제어기 내부의 신호 입력단에는 풀업 저항(Pull-up resistor)이 전원단에 연결되어 있거나 풀다운 저항(Pull-down resistor)이 접지단(Ground)에 연결되어 있습니다. 여기서는 풀업/풀다운 저항을 연결하는 이유와 저항값 설정 가이드를 확인해 보겠습니다.

자동차는 기계 구동을 기본으로 하지만 정확한 타이밍에 정밀한 구동을 하기 위하여 여러 센서를 장착하고 제어기(Controller)가 센서 신호를 받아 계산하고 여러 엑추에이터를 동작시키고 제어합니다. 센서는 목적에 따라 압력센서, 온도센서, 위치 센서, 레벨센서, 각도센서, 진동센서 등이 있고 센싱 방식에 따라 포텐셜 미터, 인덕티브 타입, 홀 타입, 피에조 타입, 초음파 타입으로 나뉘고 종류가 다양합니다. 상대적으로 전원 공급이 일정하고 안정적인 제어기의 5V 전원으로 작동하는 센서를 많이 사용합니다.

센서_제어기_결선도_풀다운

위의 그림은 5V 전원을 사용하고 풀다운 저항을 사용하는 센서와 제어기의 전형적인 결선도입니다.

풀업(Pull-up)/풀다운(Pull-down) 저항(Resistor)

정의

풀업 저항은 신호단을 "당겨가서" 전원단과 연결하는 저항이고 풀다운 저항은 접지단과 연결하는 저항입니다.

사용 목적

센서 및 회로의 고장 진단

센서의 신호값은 많은 경우 전압값으로 표출되는데 센서가 고장이 나거나 회로상의 문제가 발생할 경우 진단을 하기 위해 풀업/풀다운 저항을 사용합니다. 전압값에 따른 정상 작동 및 고장 진단 범위는 아래와 같습니다.

• 정상 작동: 0.3 V ~ 4.7V
• 고장 진단 범위: 0~ 0.2V, 4.8V~5V

풀업/풀다운 저항은 회로상의 이상이 발생했을 때 특히 단선이 발생했을 때 고장 진단 범위로 신호값을 가져갈 수 있도록 만들어 줍니다. 아래 표는 전원단/신호단/접지단의 단선/단락 시 수렴되는 전압값을 표시하였습니다. 동일 센서 내의 단락의 경우 풀업/풀다운 저항이 없더라도 고장 진단 범위로 신호값이 수렴됩니다. 단선의 경우는 풀업/풀다운 저항을 통해 고장 진단 범위로 강제합니다. 특히 신호선 단선의 경우 다음 단락에서 설명하는 플로팅(Floating) 상태에 빠질 수 있습니다.

단락	전원	신호	접지
전원	-	5V	0V
신호	5V	-	0V
접지	0V	0V	-

단선	전원	신호	접지
풀업	5V	5V	5V
풀다운	0V	0V	0V

플로팅(Floating) 상태 방지

플로팅(Floating)이란 말 그대로 "붕 떠 있다"는 말이고 신호단에 신호가 없어서 제어기 입장에서 신호값을 확정할 수 없는 상태를 말합니다. 기능적으로 매우 불안정한 상태이고 외부 전자파 노이즈에 매우 취약하고 치명적인 오작동을 유발할 수 있습니다. 마이크로 컨트롤러가 포함된 제어기의 설계 시 플로팅이 발생하지 않거나 부득이한 경우 최소화할 수 있도록 설정해야 합니다. 그 방법의 하나가 제어기 내부에 풀업/풀다운 저항을 설정하는 것입니다. 풀업/풀다운 저항은 문제가 발생한 경우 강제로 신호값를 5V 또는 0V로 확정시켜 플로팅을 방지할 수 있습니다.

설정 가이드

정상적인 작동의 경우 풀업/풀다운 저항이 신호에 영향을 주면 안 되므로 높은 저항값을 사용하는 것이 좋습니다. 전류는 저항이 작은 쪽으로 흐르므로 대부분의 전류를 신호선으로 흘려보낼 수 있기 때문입니다. 하지만 센서 및 회로 특성에 따라 풀업/풀다운 저항값을 제한해야 하는 경우도 있습니다.

예를 들어 접지선이 단선된 경우를 보겠습니다. 원리적으로 센서의 전원단과 신호단의 저항은 무한대이므로 신호선에 전류가 흐르면 안 됩니다. 하지만 실제로는 저항이 무한대가 될 수 없으므로 미세하게 전류가 흐르고 이를 누설전류라고 부릅니다. 누설전류는 전류원 역할을 하여 저항값에 상관없이 일정하게 흐릅니다. 만약 누설 전류가 1 μ A 이고 풀다운 저항이 500 k Ω이라면 풀다운 저항 양단에 걸리는 전위차는 0.5V이고 위에서 언급한 진단범위 0~ 0.2V를 넘어서서 제어기는 정상 제어 영역으로 판단하고 오작동할 수 있다. 누설 전류가 1 μ A인 경우는 진단 범위 이내로 편차를 고려 150 k Ω으로 풀다운 저항을 선정할 수 있습니다.

센서와 제어기 간의 회로 설계 시에는 환경 조건 및 작동 조건 등을 고려하여 모든 경우의 수에 대해 모든 검증하고 결과값이 스펙 이내인지 그리고 고장이 발생 시에 인지할 수 있고 원인을 규정할 수 있는지 반드시 확인해야 합니다.