[전자] 마이크로컨트롤러 및 로직 회로에서 N MOSFET의 사용

안녕하세요 꾸꾸입니다!

마이크로컨트롤러(MCU) 및 로직 회로에서 N MOSFET은 신호 변환, 스위칭, 인터페이싱 등의 역할을 수행합니다. 특히, 전압 레벨 변환, 전자 스위칭, 저전력 제어 회로에서 중요한 역할을 합니다.

1. N MOSFET의 주요 용도

1.1 로직 레벨 변환(Level Shifter)

서로 다른 전압을 사용하는 회로 간 신호를 변환할 때 사용됩니다. 예를 들어, 3.3V MCU와 5V 센서 간의 인터페이스 또는 5V MCU와 12V 모터 드라이버 간의 변환에 활용됩니다.

MOSFET 사용 이유

• 일반적인 저항 분압 회로보다 빠르고 안정적
• 양방향 신호 변환 가능 (I²C, UART 통신에 유용)

  

 

동작 원리 (3.3V -> 5V 변환 예제)

• 소스(Source): 낮은 전압(3.3V) 신호 입력
• 드레인(Drain): 높은 전압(5V) 출력
• 게이트(Gate): 고정된 3.3V

LOW 신호 입력 시: MOSFET이 ON 되어 5V 신호를 LOW로 변환합니다. HIGH 신호 입력 시: 풀업 저항을 통해 5V 신호를 유지합니다.

활용 사례:

• I²C, SPI, UART 같은 시리얼 통신 회로에서 전압 변환
• 3.3V 아두이노가 5V 또는 12V 장치를 제어할 때

1.2 로직 신호를 이용한 전력 스위칭

MCU(3.3V, 5V)에서 직접 높은 전압(12V, 24V) 장치를 켜고 끄는 것이 어려울 때 MOSFET을 사용합니다.

MOSFET 역할

• MCU의 작은 신호로 큰 전력 부하 제어 가능
• 기계식 릴레이보다 속도가 빠르고 소음이 없음

활용 사례:

• MCU가 LED, 모터, 솔레노이드, 릴레이 등을 ON/OFF 할 때
• 스마트 홈 장치에서 전등, 팬, 전자기기 제어

  

 

회로 예제 (12V 부하 제어)

• MCU(3.3V) -> MOSFET 게이트(G)
• 드레인(D) -> 12V LED, 모터 등
• 소스(S) -> GND

MCU에서 3.3V 또는 5V를 출력하면 MOSFET이 ON 되어 12V 부하가 동작합니다.

1.3 고속 스위칭 회로 (PWM 신호 제어)

PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 통해 LED의 밝기 조절, 모터 속도 조절, 전압 조절 등을 수행할 수 있습니다.

MOSFET 사용 이유

• 기계식 릴레이보다 빠른 ON/OFF 가능
• 고주파 신호에서도 안정적으로 동작
• 저전력 MCU가 고전력 장치를 제어 가능

활용 사례:

• PWM으로 LED 밝기 조절 (디밍)
• DC 모터 속도 제어
• 스위칭 전원 공급기(SMPS) 제어

PWM LED 밝기 조절 예제

• MCU에서 0% ~ 100% PWM 신호 출력
• MOSFET이 PWM 신호에 맞춰 LED 전류를 조절 → LED 밝기 조절

PWM 주파수가 1kHz 이하이면 LED가 깜빡거릴 수 있으므로 20kHz 이상 권장됩니다.

1.4 보호 회로 및 전자 퓨즈(E-Fuse)

과전류, 과전압, 반전(역극성) 보호 회로에서 MOSFET을 사용할 수 있습니다.

MOSFET 역할

• 역전류 방지(디지털 다이오드처럼 사용)
• 특정 전류 이상이 흐르면 자동 차단(전자 퓨즈 기능)

활용 사례:

• 배터리 보호 회로 (리튬이온 배터리 BMS)
• 산업용 전원 보호 장치

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2. 로직 회로에서 MOSFET이 필요한 이유

필요 조건	기계식 릴레이	N MOSFET
고속 스위칭	X (수ms)	✅ (수ns~수μs)
저전력 구동	X (코일 전력 필요)	✅ (게이트 드라이브만 필요)
긴 수명	X (기계적 접점 마모)	✅ (반영구적 사용 가능)
저소음	X (릴레이 소리 발생)	✅ (완전 무소음)
PWM 가능	X	O

결론: N MOSFET은 MCU의 낮은 전압으로 높은 전압의 장치를 제어할 때 필수적이며, 고속 스위칭이 가능하여 다양한 로직 회로에서 활용됩니다.

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3. MOSFET을 이용한 마이크로컨트롤러 제어 예제

3.1 아두이노로 LED 및 모터 제어 (12V 부하)

• 아두이노 5V → MOSFET → 12V LED/Motor
• PWM을 사용하여 밝기 및 속도 조절 가능

  

 

회로 구성

• 게이트(G): 아두이노(5V PWM 신호)
• 드레인(D): LED/모터 (+) 단자
• 소스(S): GND

PWM 신호를 조절하면 LED 밝기 또는 모터 속도를 조절할 수 있습니다.

3.2 라즈베리파이에서 5V → 12V 신호 변환

• 라즈베리파이(3.3V GPIO)로 12V 릴레이/모터 제어
• N MOSFET을 이용해 전압 증폭

  

 

회로 구성

• 게이트(G): 라즈베리파이(3.3V)
• 드레인(D): 릴레이 코일 (5V 또는 12V)
• 소스(S): GND

라즈베리파이의 3.3V 신호로 12V 릴레이를 ON/OFF 할 수 있습니다.

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4. 결론

✔ N MOSFET은 마이크로컨트롤러의 낮은 전압(3.3V, 5V) 신호를 이용해 높은 전압(12V, 24V) 장치를 제어하는 데 필수적입니다.

✔ 로직 레벨 변환, 전자 스위칭, PWM 속도 및 밝기 조절, 보호 회로 등에 널리 활용됩니다.

✔ 기계식 릴레이보다 속도가 빠르고 전력 손실이 적어 고속 제어 회로에 적합합니다.

 

✅ 최적의 MOSFET 선택과 적절한 회로 설계가 로직 제어 시스템의 성능을 좌우합니다.