[초급] 차를 세워 뒀을 뿐인데 왜 배터리가 방전될까? 제어기 슬립(Sleep) 모드가 필요한 이유

[초급] 차를 세워 뒀을 뿐인데 왜 배터리가 방전될까? 제어기 슬립(Sleep) 모드가 필요한 이유

차는 콘센트에 꽂힌 가전제품이 아닙니다. 시동을 끄면 발전기(알터네이터)가 멈추고, 그때부터는 충전 없이 배터리 하나로 버텨야 해요. 그런데 배터리에 직접 물린 제어기(B+ 전원)는 시동을 꺼도 전원이 끊기지 않습니다. 그래서 할 일이 없으면 스스로 일하는 상태(Normal)에서 조는 상태(Sleep)로 내려가 전류를 확 줄여야 합니다.

먼저 알아둘 용어

용어	원래 이름	쉽게 말하면
ECU	Electronic Control Unit	차 곳곳에 들어간 작은 두뇌 상자, 우리말로 '제어기'
MCU	Microcontroller Unit	제어기 안에서 실제로 생각하고 명령하는 칩 한 개짜리 컴퓨터
알터네이터	Alternator	엔진이 돌 때만 전기를 만들어 배터리를 채우는 발전기
B+	Battery plus (배터리 직결 전원)	시동과 상관없이 배터리에 항상 연결된 전원선
IGN	Ignition (시동 연동 전원)	시동을 켜야만 전기가 들어오는 전원선, 시동을 끄면 끊김
암전류	Dark current (Quiescent / Parasitic current)	시동을 끄고 모두 잠든 뒤에도 배터리에서 몰래 새어 나가는 전류
Normal	Normal mode	제어기가 깨어서 일하는 평소 상태, 불 다 켜진 집
Sleep	Sleep mode (슬립 모드)	할 일이 없을 때 불을 끄고 초인종만 켜 둔 채 조는 상태
웨이크업	Wake-up	자는 제어기를 깨우는 초인종, 또는 깨어나는 일
CAN	Controller Area Network	제어기들이 두 가닥 선으로 서로 말을 주고받는 차량용 단체 대화방
트랜시버	Transceiver	MCU와 CAN 선 사이에서 말을 전달하는 통역사 칩
클럭	Clock	칩 안의 모든 동작 박자를 맞추는 메트로놈
RAM	Random Access Memory	전원이 있어야 내용을 기억하는 칩 속 메모장
레귤레이터	Voltage regulator	배터리 12 V를 칩이 쓰는 5 V 등으로 낮춰 주는 감압 밸브, 자기도 전류를 조금 먹음
분압 저항	Voltage divider	저항 두 개로 높은 전압을 잴 수 있는 크기로 나누는 회로, 연결돼 있으면 계속 전류가 흐름
Ah	Ampere-hour (암페어시)	배터리 물통 크기, 1 A로 몇 시간 쓸 수 있는지

이런 일 겪어본 적 있나요? 주차만 했는데 배터리 방전

한 달 출장을 다녀와 공항 주차장에 세워 둔 차에 탑니다. 버튼을 눌렀는데 계기판만 깜빡이고 시동이 걸리지 않아요. 실내등을 켜 둔 것도 아닌데 말이죠.

제어기(ECU)를 만드는 협력사에게 이건 가장 무서운 이야기입니다. 같은 증상이 여러 대에서 나오면 완성차 업체는 명탐정 코난에 빙의해 범인을 찾기 시작하거든요. 차를 재운 뒤 암전류를 재고, 퓨즈를 하나씩 뽑아 전류가 뚝 떨어지는 회로를 찾고, CAN 기록을 뒤져 모두 잠든 뒤에도 혼자 떠들던 제어기를 가려냅니다. 범인으로 지목되면 이미 팔린 차 전체에 소프트웨어를 업데이트하는 무상 수리로 번지기도 해요.

차량 제어기에 Sleep 모드가 필요한 이유: 차는 상시전원이 아니다

집 냉장고는 24시간 켜 둬도 괜찮습니다. 콘센트 너머에서 전기가 끝없이 들어오니까요. 차는 다릅니다. 엔진이 도는 동안에는 알터네이터가 배터리를 채워 주지만, 시동을 끄는 순간 발전이 멈춰요. 그때부터 차는 충전 안 되는 물통 하나를 조금씩 꺼내 쓰는 처지가 됩니다.

제어기는 전원을 받는 선에 따라 두 부류로 나뉩니다. IGN 전원 제어기는 시동을 끄면 전원 자체가 끊기니 따로 잘 필요가 없어요. B+ 전원 제어기는 배터리에 항상 물려 있습니다. 시동이 꺼져도 문 손잡이를 당기거나 스마트키가 다가오면 바로 반응해야 하니까요. 선이 끊기지 않으니, 할 일이 없을 때 스스로 전류를 줄이는 수밖에 없습니다. 그 방법이 Sleep입니다. 참고로 현업에서는 B+를 '상시 전원'이라고도 부르는데, 이건 시동과 상관없이 선이 늘 붙어 있다는 뜻이지 전기가 끝없이 나온다는 뜻은 아니에요. 선 너머에 있는 건 결국 충전 안 되는 배터리입니다. 아래 애니메이션으로 10초 만에 흐름을 먼저 보고 가죠.

그림 1. 10초 동안 보는 시동 OFF 이후의 제어기. 발전기가 멈추면 IGN 선은 끊기지만 B+ 선은 그대로라, 우리 제어기는 스스로 Sleep으로 내려가 전류를 45 mA에서 0.1 mA로 줄입니다. 문 손잡이 같은 초인종이 울리면 잠깐 Normal로 올라왔다 다시 잠들어요. 배터리가 줄어드는 속도는 눈에 보이게 과장했습니다.

Sleep 모드는 무엇을 끄고 무엇을 남길까?

Normal이 모든 방에 불이 켜진 집이라면, Sleep은 불을 다 끄고 냉장고와 초인종만 살려 둔 집입니다. 불을 끄는 효과가 큰 이유는 MCU 속 작은 스위치들 때문이에요. 이 스위치들은 클럭이 한 번 똑딱일 때마다 켜졌다 꺼지며 아주 작은 컵에 물(전하)을 채웠다 비웁니다. 박자가 빠를수록 물을 자주 퍼 나르니 전류를 더 먹죠.

말로 먼저: 스위칭 전력 = 한 번에 퍼 나르는 물의 양 × 1초에 퍼 나르는 횟수
식으로: P_스위칭 ≈ α · C · V² · f  (α: 실제로 뒤집히는 스위치 비율, C: 컵 크기, V: 전압, f: 클럭 주파수)

Sleep의 핵심은 f를 0으로 만드는 겁니다. 클럭을 멈추면 이 몫이 통째로 사라져요. 여기에 센서 전원처럼 제어기 안에서 전류를 먹는 회로를 끄고, CAN 트랜시버도 저전력 상태로 돌립니다.

대신 두 가지는 남겨 둡니다. 하나는 RAM이에요. 전원을 유지하니 내용이 그대로 남아, 깨어나면 하던 일을 이어 갑니다. 다른 하나는 초인종, 즉 웨이크업 입구입니다. CAN 메시지가 오거나 문 스위치가 눌리거나 시동이 켜지면 이 입구가 MCU를 깨워 Normal로 올려 보내요.

잠들 때는 'CAN 조용함'도 조건입니다. CAN으로 연결된 제어기들은 기본적으로 다 같이 자고 다 같이 깨는 약속을 지키거든요. 하나라도 계속 메시지를 보내면 나머지도 덩달아 Normal에 머뭅니다. 완성차 업체가 CAN 기록부터 뒤지는 이유예요.

Sleep 전류는 얼마여야 할까? [예상]

정비 현장에서는 모든 제어기가 잠든 뒤 차 전체 암전류 20~50 mA 정도를 흔히 정상 범위로 봅니다. 배터리는 바닥까지 쓸 수 없고 시동 모터를 돌릴 힘을 남겨야 하니, 여기서는 용량의 절반까지 쓸 수 있다고 가정할게요. 추운 날이나 오래된 배터리면 이 비율은 더 작아지고, 자기방전은 계산에서 뺐습니다.

말로 먼저: 버티는 날 = (배터리 물통 크기 × 쓸 수 있는 비율) ÷ 새는 전류 ÷ 24시간
예: (60 Ah × 50%) ÷ 20.10 mA ÷ 24 = 30 Ah ÷ 0.0201 A ÷ 24 ≈ 62.2일

20.10 mA는 차 전체 20 mA에 우리 B+ 제어기의 Sleep 전류 0.10 mA를 더한 값입니다. 0.10 mA는 부품별 데이터시트 값을 더해 잡았어요.

부품	Sleep 예상 전류	근거
MCU (클럭 멈춤, RAM 유지)	30 µA	데이터시트 저전력 모드 전류, 상온 수십 µA대
CAN 트랜시버 (저전력 상태)	15 µA	웨이크업 신호를 듣느라 수~수십 µA
레귤레이터	40 µA	부하가 거의 없어도 스스로 먹는 전류
기타 (스위치 입력용 저항 등)	15 µA	회로도의 저항값과 전압으로 계산
합계	100 µA = 0.10 mA

배터리 용량 (Ah) 시동용 힘을 남기고 쓸 수 있는 비율 (%) 우리 제어기를 뺀 차 전체 암전류 (mA) 우리 제어기 때문에 새는 전류 (mA) 목표 주차 일수 (일)

62.2일차 전체 암전류 20.10 mA

목표 30일 → 충분해요 (32.2일 여유)

선이 빨간 점선(시동 한계)에 닿는 날이 시동이 안 걸리기 시작하는 날입니다. 목표일 전에 닿으면 선이 빨갛게 바뀌어요. 휴대폰에서는 그래프를 옆으로 밀어 끝까지 볼 수 있습니다.

버튼을 눌러 보세요. 제대로 Sleep이면 62.2일, 회로 하나를 안 끄면 58.7일, Normal에서 못 내려오면 19.2일, 우리 때문에 차 전체가 못 자면 3.9일입니다.

Normal에서 Sleep으로: 잠드는 순서 (수도 코드)

void EnterSleep(void)
{
    /* 1. Is anyone still asking us to stay in Normal? */
    if (IsWakeRequestPending())
    {
        return;                         /* try again next cycle */
    }

    /* 2. Switch off everything that eats current */
    SensorPower_Off();
    BatteryDivider_Off();               /* easy to forget! */
    UnusedPins_SetSafeState();

    /* 3. Put the CAN transceiver in low-power mode (it still listens) */
    CanTransceiver_SetSleep();

    /* 4. Clear old wake-up events, then arm the doorbells */
    Wakeup_ClearAllEvents();
    Wakeup_Enable(WAKEUP_CAN);
    Wakeup_Enable(WAKEUP_DOOR_SWITCH);

    /* 5. Lights out: stop the clock (RAM is kept) */
    Mcu_EnterSleep();

    /* 6. Doorbell rang: back to Normal, continue where we left off */
    RestoreNormalMode();
}

IsWakeRequestPending은 '아직 깨어 있어 달라는 요청이 남았는가', BatteryDivider_Off는 '배터리 전압 측정 회로 끄기', Wakeup_Enable은 '초인종 켜기', RestoreNormalMode는 '껐던 것들 다시 켜기'라는 뜻입니다. 함수 이름은 쓰는 MCU에 맞게 바꾸면 됩니다.

확인은 벤치(책상 위 시험 환경)에서 합니다. 12.0 V 전원 공급기를 B+ 입력에 물리고 그 사이에 전류계를 직렬로 넣어요. Normal 전류를 먼저 읽고, Sleep 조건을 만든 뒤 값이 더 떨어지지 않을 때 다시 읽습니다.

[결과] Sleep으로 전류가 정말 줄었을까?

항목	[예상]	[결과]
Normal 전류	45 mA (설계 값)	45 mA
Sleep 전류	0.10 mA	0.11 mA
배터리 버티는 날 (계산기 기본 조건)	62.2일	62.2일

Sleep으로 내려가자 전류가 45 mA에서 0.11 mA로, 약 400분의 1이 됐습니다. Normal에 그대로 머물렀다면 19.2일이던 배터리가 62.2일로, 3배 넘게 버텨요. 예상 0.10 mA와의 0.01 mA 차이는 데이터시트 전형값(대표값)과 실제 칩 사이의 편차 범위라 합격입니다. 이 제어기는 벤치 시험에 'Sleep 전류 0.15 mA 이하'를 합격 기준으로 넣어, 예상값에 부품 편차와 온도 여유를 더한 선에서 매번 확인하기로 했습니다.

Sleep 전류 측정 현장 팁

MCU가 잠들었다고 제어기가 잠든 건 아닙니다. MCU는 Sleep인데 배터리 전압을 재는 분압 저항 스위치를 안 꺼서 전류가 계속 새는 일이 종종 생겨요. 합쳐서 10 kΩ짜리 저항이 12 V에 붙어 있으면 12 V ÷ 10 kΩ = 1.2 mA가 쉬지 않고 흐릅니다. 계산기의 '회로 하나를 안 끔' 버튼이 이 경우입니다. 끌 것들은 EnterSleep 한 곳에 모아 두고, 회로가 늘 때마다 같이 고치세요.

잠들 때까지 기다리세요. 시동을 끄자마자 재면 아직 정리 중인 제어기들 때문에 수백 mA가 나올 수 있어요. 차종에 따라 다 잠드는 데 수십 분이 걸리기도 합니다.

재는 동안 회로를 끊지 마세요. 전류계 레인지를 바꾸다 전원이 잠깐 끊기면 제어기들이 처음부터 다시 켜집니다. 전류계와 나란히 스위치(바이패스)를 달아 두고, 옮길 땐 스위치를 닫아 전원을 유지하세요.

제어기 Sleep 모드 FAQ

Q. 시동을 끄면 전류가 0이 되지 않나요?

아니요. 시계, 보안, 스마트키 대기처럼 꺼져 있어도 살아 있어야 하는 기능이 B+ 전원으로 동작해서 암전류가 흐릅니다. 정비 현장에선 모든 제어기가 잠든 뒤 20~50 mA를 흔히 정상 범위로 봅니다.

Q. 모든 제어기가 Sleep을 해야 하나요?

배터리에 직접 물린 B+ 제어기가 대상입니다. IGN 전원만 받는 제어기는 시동을 끄면 전원이 끊겨 그냥 꺼져요.

Q. 제어기 하나가 1 mA 더 먹는 게 그렇게 큰일인가요?

한 대만 보면 며칠 차이지만 차에는 제어기가 수십 개라 합쳐지면 커집니다. 무엇보다 잠들지 못한 제어기가 CAN으로 다른 제어기까지 깨우면 수백 mA가 되어 며칠 만에 방전될 수 있어요.

정리: 차는 상시전원이 아니라서 잠들어야 한다

시동을 끄면 알터네이터가 멈추고 차는 배터리 하나로 버팁니다. IGN 제어기는 전원이 끊겨 꺼지지만, B+ 제어기는 스스로 Normal에서 Sleep으로 내려가야 해요. Sleep은 클럭을 멈추고 전류 먹는 회로를 끄되, RAM과 웨이크업 입구는 남겨 두는 상태입니다. 우리 제어기는 이것만으로 전류가 약 400분의 1로 줄고, 배터리가 버티는 날이 3배 넘게 늘었습니다.

참고 자료

N. H. E. Weste, D. M. Harris, CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective, 4th ed., Addison-Wesley, 2011 (ISBN 978-0-321-54774-3) — 동적 전력 P = αCV²f (5장 Power)