주소 지정형 LED(addressable LED)는 데이터 신호로 각 LED의 색과 밝기를 개별 설정하는 부품입니다. 불을 끄라는 데이터를 보냈다고 해서 LED의 공급 전원이 물리적으로 끊기는 것은 아닙니다. 승압 변환기(boost converter)는 배터리 전압보다 높은 전압을 만들어 주며, 출력 쪽의 전류와 배터리 쪽의 전류가 같을 필요는 없습니다.
먼저 어느 전류를 비교할지 정합니다
전류 감지 저항(shunt resistor)은 부하 전류가 지나갈 때 양끝에 생기는 작은 전압 차로 전류를 알아내는 저항입니다. INA219(current/power monitor)는 이 저항의 양끝 전압과 부하 쪽의 전압을 읽는 측정 칩입니다. 측정값은 I²C(Inter-Integrated Circuit)라는 두 선식 통신 방식으로 제어기에 전달할 수 있습니다. 그림에서는 배터리 양극에서 승압기 입력으로 가는 길에 감지 저항을 직렬로 넣었습니다. 배터리 음극과 측정기·장치의 접지는 설계가 허용하는 공통 기준으로 연결합니다. 이런 배치를 전원선 쪽에서 전류를 재는 하이사이드 측정(high-side sensing)이라고 합니다.
배터리 사용 시간을 판단하려면 감지 저항 뒤에 승압기뿐 아니라 비교할 장치의 모든 배터리 구동 부하가 있어야 합니다. 어떤 센서나 제어기가 감지 저항 앞에서 따로 전원을 받거나 USB 전원이 동시에 들어오면, 표시된 전류는 배터리 전체의 소비 전류가 아닙니다. 충전 회로나 보호회로가 있는 완제품에서는 배터리·충전기·부하 사이의 실제 전원 경로를 회로도와 도통 검사로 확인한 다음 측정 지점을 정합니다. 조립된 리튬이온 전지 팩의 보호 기능을 우회하거나 전류계 단자를 배터리 양끝에 직접 대지 않습니다.
LED 가지에만 감지 저항을 넣으면 LED 공급선의 전류를 따로 볼 수 있지만, 그 값은 배터리 전류가 아닙니다. LED가 5 V 승압 출력에 있다면 그 가지의 5 V 전류를 배터리 쪽 전류와 바로 빼거나 더하지 않습니다. 배터리 쪽에서 절감량을 알고 싶다면 그림처럼 승압기 입력 쪽을 재고, LED 가지 자체의 동작을 진단하려면 별도 측정 지점을 마련합니다.
측정기에 표시되는 전압과 전력을 구분합니다
그림의 VIN+는 감지 저항의 배터리 쪽, VIN−는 승압기 쪽입니다. INA219의 버스 전압(bus voltage) Vbus는 VIN−와 접지 사이의 전압이고, 감지 저항 전압(shunt voltage) Vshunt는 VIN+와 VIN− 사이의 전압입니다. 방향이 그림과 같고 다른 우회 경로가 없다면 배터리 양극 쪽 전압은 대략 Vbat = Vbus + Vshunt입니다. Vshunt의 부호는 전류 방향과 배선에 따라 달라지므로, 값이 예상과 반대라면 배선부터 확인합니다. INA219가 측정한 값을 제어기가 읽고 저장하려면 칩 자체의 규격에 맞는 전원·공통 접지·I²C 연결도 필요합니다. 그림에는 이 보조 연결을 생략했습니다.
측정 전류를 Ibat라고 하면 승압기 입력 지점의 전력은 Pin = Vbus × Ibat입니다. 배터리 단자에서 내보낸 전력을 구하려면 Pbat = (Vbus + Vshunt) × Ibat로 감지 저항의 전압 강하까지 포함합니다. INA219의 전력 레지스터는 버스 전압을 사용하므로, 그 표시값을 배터리 단자 전력과 같다고 가정하지 않습니다. V(볼트)와 A(암페어)를 곱하면 W(와트)가 됩니다. 전류가 mA(밀리암페어)로 나오면 1,000으로 나누어 A로 바꿉니다.
INA219가 전류와 전력을 올바르게 계산하려면 실제 장착한 감지 저항값과 측정 범위에 맞는 보정(calibration)이 필요합니다. 모듈에 붙은 저항값과 라이브러리의 보정 설정이 일치하는지 확인합니다. 보정된 전류 표시가 의심스러우면 감지 저항 전압을 별도로 읽어 I = Vshunt ÷ Rshunt로 교차 확인합니다. 여기서 Rshunt는 실제 감지 저항값(Ω)이며, Vshunt가 mV(밀리볼트)로 표시되면 V로 바꿔 대입합니다. 감지 저항에서 생기는 전압 강하와 열도 회로에 영향을 줍니다. 예상 최대 전류에서 저항의 허용 전력, 측정 칩의 입력 범위와 승압기의 최저 입력 전압을 확인한 뒤 사용합니다.
LED 이외의 조건을 고정하고 끔→켬→끔 순서로 잽니다
LED를 끄는 소프트웨어 명령이 실제로 어떤 상태를 만드는지 먼저 확인합니다. 모든 LED 데이터값을 0으로 바꾸더라도 LED의 전원 레일과 제어기는 살아 있을 수 있습니다. 측정 프로그램이 INA219의 값을 읽지 않도록 바꾸는 것 역시 칩의 공급 전원을 끊는 동작은 아닙니다. 이 시험은 기능을 껐을 때의 시스템 차이를 재는 것이지 LED 칩의 대기 전류를 자동으로 분리하는 시험은 아닙니다.
- 같은 배터리 충전 상태에서 USB·외부 충전 전원을 분리하고, 나머지 표시 밝기·무선 연결·센서 측정·소리 출력·제어 프로그램의 동작 상태를 고정합니다. 외부 연결을 분리하면 장치가 아예 동작하지 않는 설계라면, 어떤 전원이 공급 중인지 기록하고 배터리 단독 시험이라고 부르지 않습니다.
- LED 끔 상태가 안정된 뒤
Vbus,Vshunt, 보정된 전류와 계산 전력을 일정 시간 기록합니다. 주소 지정형 LED의 점등 패턴이 있다면 여러 주기가 들어갈 만큼 같은 길이의 관찰 구간을 사용합니다. - LED를 미리 정한 색·밝기·패턴으로 켭니다. 그 밖의 기능은 그대로 두고 같은 측정 지점과 같은 길이의 구간을 기록합니다. 이어 다시 끄고 같은 시험을 반복합니다. 처음과 마지막 끔 값이 달라졌다면 배터리 전압 변화, 발열 또는 다른 부하 상태가 바뀌었는지 확인합니다.
- 각 구간에서 같은 변환 주기에 얻은 전압·전류 값을 한 쌍으로 저장하고
P = V × I를 계산합니다. INA219는 감지 저항 전압과 버스 전압을 순서대로 변환하므로 두 값이 완전히 동시에 측정된 것은 아닙니다. 빠르게 바뀌는 LED 패턴의 순간 전력에는 더 빠른 계측이 필요합니다. 평균 전력을 비교할 때는 표본마다 전력을 구한 뒤 그 평균을 냅니다. 평균 전압과 평균 전류를 따로 곱하면 두 값이 함께 변한 영향을 놓칠 수 있습니다.
다음은 계산을 설명하기 위한 가상 수치입니다. 실제 장치에서 잰 결과가 아닙니다. 감지 저항 뒤의 전압이 LED 끔에서 3.78 V, 전류가 0.160 A라면 입력 전력은 약 0.605 W입니다. LED 켬에서 3.70 V, 0.430 A라면 1.591 W입니다. 이 조건의 차이는 약 0.986 W입니다. 단순한 전류 차 0.270 A를 ‘5 V LED가 270 mA를 쓴다’고 옮길 수는 없습니다. 승압기의 효율과 두 측정 구간의 입력 전압이 달라졌기 때문입니다.
| 기록할 조건 | LED 끔 | LED 켬 | 다시 LED 끔 |
|---|---|---|---|
| 배터리·외부 전원 상태 | 동일 조건을 기록합니다 | 바꾸지 않습니다 | 처음 조건과 비교합니다 |
| LED 색·밝기·패턴 | 꺼진 방법을 적습니다 | 실제 설정을 적습니다 | 같은 방식으로 끕니다 |
Vbus, Vshunt, 보정된 전류 | 같은 길이의 구간을 기록합니다 | 같은 길이의 구간을 기록합니다 | 같은 길이의 구간을 기록합니다 |
| 평균 전력·최대 관찰 전류 | 표본으로 계산합니다 | 표본으로 계산합니다 | 처음 끔 상태와 값이 달라졌는지 확인합니다 |
점등 애니메이션처럼 전류가 빠르게 바뀌면 느린 화면 숫자 하나는 평균도 최댓값도 대표하지 못할 수 있습니다. 예를 들어 측정 코드를 200 ms마다 실행하거나 표시값을 평활하면 짧은 피크가 가려집니다. 표본 간격(sampling interval)은 값을 읽는 시간 간격이고, 평활(smoothing)은 여러 값을 섞어 표시 흔들림을 줄이는 처리입니다. 표시가 안정돼 보인다고 해서 공급 전원의 순간 여유가 충분한 것은 아닙니다. 가장 밝은 실제 사용 패턴에서 재시작이나 전압 강하가 문제라면 배터리·승압기 입력과 출력의 순간 전압을 더 빠른 계측기로 확인합니다.
절감량과 전원 불량을 따로 판단합니다
LED를 껐는데 입력 전력이 거의 같다면 데이터가 실제 LED에 전달됐는지, LED가 꺼진 뒤에도 전원·제어기·오디오가 그대로 전력을 쓰는지, 감지 저항을 우회하는 공급 경로가 없는지 확인합니다. 반대로 켤 때 배터리 전압이나 5 V 레일이 내려가면 LED 전류만 탓하지 말고 배터리 보호회로, 승압기 입력·출력 한계, 커넥터와 배선의 전압 강하를 구분합니다. 승압기 입력에서는 괜찮아 보여도 멀리 있는 LED 끝단의 전압이 낮을 수 있으므로, 최종 배선 길이와 점등 조건에서 출력 쪽 전압도 잽니다.
배터리 사용 시간을 추정할 때는 mAh(밀리암페어시, 전하 용량)를 위에서 구한 전력 W로 바로 나누지 않습니다. 같은 운전 조건에서 실제로 사용할 수 있는 배터리 에너지를 Wh(와트시)로 구하고, 여러 기능의 사용 비율을 반영한 평균 배터리 단자 전력으로 나누어야 대략의 시간을 얻습니다. 저전압 차단, 배터리 노화·온도, 승압 효율 변화와 짧은 전류 피크 때문에 계산 시간과 실제 시간은 다를 수 있습니다. LED 끔·켬 두 상태의 전력 차는 기능 하나의 효과를 판단하는 자료이며, 전체 배터리 수명의 보증값은 아닙니다.