[STM32] 6. 풀업 저항 기본 원리

풀업 저항 (Pull-Up)

풀업 저항은 디지털 회로에서 입력 핀의 기본 상태를 높은 전압(논리적 '1')으로 설정하기 위해 사용된다. 풀업 저항이 없으면 입력 핀이 떠다니는 상태(floating)가 되어 예기치 않은 전압 값을 가질 수 있다. 풀업 저항을 사용하면 입력 핀이 안정된 높은 전압 상태를 유지하게 된다.

📌 1. 풀업 저항의 역할

• 기본 상태 유지: 풀업 저항은 입력 핀이 아무 신호도 받지 않을 때 기본적으로 논리 '1' 상태(높은 전압)를 유지하도록 한다.
• 안정성 향상: 회로의 안정성을 높여, 입력 핀이 불안정한 상태(플로팅 현상)에서 예기치 않은 동작을 방지한다.

• 풀업 저항(R): 저항이 INPUT 핀과 Vcc(+5V) 사이에 연결된다.
• 스위치: 스위치가 닫히면 INPUT 핀은 GND와 연결되어 논리 '0'이 된다.
• 기본 상태: 스위치가 열려 있으면 풀업 저항에 의해 INPUT 핀은 논리 '1' 상태를 유지한다. 

📌 2. 풀업 저항 예시

• 스위치를 사용한 입력 회로
• 센서 입력 회로
• I2C 통신 회로 등

요즘 임베디드는 전장 업계가 호황인데, 대게 자동차 부품에 스위치가 있다면 내가 말하는 대부분의 회로 구성이 아닐까 싶다. 자동차 배터리는 +12V 이므로 5V나 3.3V 동작하는 MCU를 위해 전압 강하를 하고, 그 사이에 풀업 저항을 통해 스위치를 제어한다. 차량이 IGN1이나 Engine On 상태일 때, MCU는 Normal 모드로 동작하며 스위치가 눌리지 않는 상태에서는 해당 스위치의 GPIO Input 핀에 동작 전압(5V 및 3.3V, Output High)이 흐르다가 스위치가 눌리게 되면 Input 핀에는 0V(Output Low)가 흐른다. (정확히는 실제 Input 핀에 오실로스코프를 이용하여 전압을 측정하면 0V가 아닌 0V(10mV~ 100mV)에 가까운 전압이다.)  이는 스위치가 눌리지 않았을 때 Output High이고, 스위치가 눌렸을 때 Output Low 이므로, 이를 Active Low라고 한다. 나는 소프트웨어 개발자로 회로 설계자 만큼 깊은 지식을 소유하고 있지는 않지만, 회로 설계자가 회로도를 제공했을 때, 소프트쟁이가 읽어야만 하는 몇 안되는 기본 회로(전압 분배, 스위칭 회로, 필터 회로 등) 중 하나라 생각한다.

📌 3. 풀업 저항과 플로팅 현상

• 플로팅(Floating) 현상
  디지털 회로에서 입력 핀이 플로팅 상태가 되면 핀이 어떠한 고정된 전압 수준(논리 '1' 또는 논리 '0')으로 연결되지 않아 불안정한 상태에 놓이게 된다. 이는 입력 핀이 외부 신호에 의해 드라이브되지 않을 때 발생한다. 이러한 상태에서는 입력 핀이 노이즈에 민감해지고, 임의의 전압 수준을 가지게 되어 예기치 않은 동작이 발생할 수 있다.
• 풀업 저항(Pull-up Resistor)
  풀업 저항은 입력 핀을 전원 전압(Vcc)에 연결하여 기본적으로 높은 전압 수준(논리 '1')을 유지하도록 하는 저항이다. 이를 통해 입력 핀이 플로팅 상태에 놓이는 것을 방지한다.

📌 4. 장점

• 안정적인 신호 유지: 풀업 저항을 사용하면 입력 핀이 항상 안정된 전압 수준을 유지하여 신호의 일관성을 보장한다.
• 디지털 회로 보호: 풀업 저항은 입력 핀이 불안정한 상태에서 발생할 수 있는 불안정한 신호로 인한 회로 오작동을 방지한다.
• 전력 소모 최소화: 적절한 저항 값을 사용하면 전력 소모를 최소화하면서도 안정적인 입력 신호를 유지할 수 있다.
• 노이즈 방지: 플로팅 상태의 입력 핀은 환경 노이즈에 민감하므로, 풀업 저항을 사용하면 이러한 노이즈 영향을 최소화할 수 있다.
• 예측 가능한 동작: 입력 핀이 항상 논리 '1' 상태를 유지하도록 하여 예기치 않은 동작을 방지할 수 있다.

📌 5. 팁

• 내부 풀업 저항 사용: STM32의 GPIO 설정에서 내부 풀업 저항을 활성화하면 외부 저항 없이 회로를 간단하게 만들 수 있다.
• 디바운싱 처리: 스위치를 사용할 때 노이즈로 인해 잘못된 입력이 발생할 수 있으므로 디바운싱(SW, HW) 처리를 고려해야 한다.
• 적절한 저항 값 선택: 외부 풀업 저항을 사용할 경우, 저항 값은 일반적으로 4.7~10kΩ 정도가 적당하지만 회로 요구사항에 따라 다를 수 있다.