릴레이와 MOSFET 차이: 배터리 전원 스위치, 무엇을 선택할까?

작은 DC 배터리 기기에서 긴 사용 시간과 잦은 스위칭이 중요하다면 MOSFET을 먼저 검토합니다. 제어부와 부하 사이의 절연이나 무전압 접점이 필요하면 릴레이가 유리합니다. 이 글은 저전압 DC 기기의 일반 비래칭 전자기식 릴레이와 전력 MOSFET을 비교합니다.

릴레이와 MOSFET 선택 핵심 요점

• 릴레이는 코일로 접점을 움직입니다. MOSFET은 게이트와 소스 사이의 전압으로 전류를 제어합니다.
• 일반 릴레이는 동작 상태를 유지하는 동안 코일 전력을 소비합니다. MOSFET은 도통저항에 따른 손실이 발생합니다.
• MOSFET은 문턱전압보다 실제 게이트 전압에서의 도통저항을 확인해야 합니다.
• MOSFET 한 개는 꺼져 있어도 바디 다이오드 방향으로 전류가 흐를 수 있습니다.
• 배터리의 연속·피크 전류, PCM, 배선도 스위치와 함께 검토해야 합니다.

1. 릴레이와 MOSFET 차이 한눈에 비교하기

릴레이는 코일로 접점을 움직이고, MOSFET은 게이트-소스 전압(VGS)으로 전류를 제어합니다. 무전압 접점은 자체 전압을 공급하지 않고 외부 전류 경로를 열고 닫습니다. 코일 전원과 부하 전원의 구분은 릴레이 코일과 접점의 작동 원리에서 확인할 수 있습니다.

릴레이 부품에 절연 구조가 있어도 완성 회로 전체가 절연되는 것은 아닙니다. 두 회로가 다른 배선이나 공통 GND로 연결되면 그 경로도 함께 봐야 합니다.

또한 MOSFET으로 릴레이 코일만 구동하는 회로는 여전히 릴레이 방식입니다. 코일 드라이버를 바꾸는 것만으로 코일 소비전력이 사라지지는 않습니다.

2. 릴레이와 MOSFET 소비전력 비교: 2A 부하 계산

두 방식을 비교할 때는 코일 전력과 부하 경로의 손실을 함께 계산합니다. 두 방식 모두 2A DC 부하를 계속 켠다고 가정합니다. 릴레이는 코일에 계속 전류를 흘려 NO(상시 열림) 접점을 닫아 두는 조건입니다.

코일 전력과 도통손실을 같은 조건으로 계산하기

OMRON G5LE의 5V 코일 소비전력은 정격 전압에서 약 0.40W입니다. 계산에서는 3.7V 배터리의 5V 승압 효율을 85%로 가정합니다.

릴레이 접점 경로 저항은 50mΩ, MOSFET의 켜진 상태 저항인 RDS(on)은 20mΩ으로 놓습니다. 두 저항은 비교용 가정이며 특정 제품의 보증값이 아닙니다. MOSFET 저항은 실제 VGS와 온도에서 확보되는 값이어야 합니다.

• 코일 구동 입력 전력: 0.40W ÷ 0.85 ≈ 0.47W
• 릴레이 접점 손실: (2A)² × 0.05Ω = 0.20W
• MOSFET 도통손실: (2A)² × 0.02Ω = 0.08W

이 표는 부하 자체의 소비전력과 공통 배선·제어 회로 손실을 제외한 비교입니다. 실제 배터리 사용 시간에는 이 항목도 포함해야 합니다. MOSFET 역시 구동 회로 전력과, PWM 사용 시 게이트 충·방전 및 스위칭 손실을 추가합니다.

오래 켜는 기기와 오래 대기하는 기기는 기준이 다릅니다

통전 시간이 길면 일반 릴레이의 코일 전력이 배터리 사용 시간에 영향을 줍니다. 반대로 대부분의 시간을 대기한다면 승압기, 드라이버, 표시 LED의 대기전류를 먼저 확인해야 합니다.

예를 들어 배터리 측에서 10µA가 계속 흐르면 30일 동안 약 7.2mAh를 사용합니다. 작은 센서 배터리에서는 이런 전류도 무시하기 어렵습니다.

3. 3.7V 배터리의 릴레이·MOSFET 구동 전압 확인

5V 릴레이는 배터리 전압 범위와 비교합니다

3.7V는 공칭 전압이며, 일반적인 4.2V 충전형 셀의 실제 전압은 충전 상태와 부하에 따라 달라집니다. 완충 상태에서 5V 릴레이가 작동해도 전체 방전 구간의 동작을 보장하지는 않습니다.

직결 가능 여부와 필요한 승압 조건은 3.7V 배터리와 5V 릴레이의 전압 호환성에서 확인할 수 있습니다.

MOSFET은 문턱전압으로 선정하지 않습니다

VGS(th)는 데이터시트에 지정된 작은 드레인 전류가 흐르는 조건의 문턱전압입니다. 부하 전류를 낮은 손실로 전달할 수 있다는 뜻은 아닙니다. 도시바의 MOSFET 문턱전압 설명도 지정된 전류 조건에서 이 값을 정의합니다.

3.3V GPIO로 구동한다면 다음 순서로 확인합니다.

1. MOSFET의 소스를 기준으로 실제 VGS를 구합니다.
2. 그 구동 조건에서 보장되는 최대 RDS(on)을 확인합니다.
3. 배터리 저전압, GPIO 출력 오차, 고온 조건을 반영합니다.

예를 들어 VGS 10V에서만 제시된 낮은 저항값을 3.3V 구동에 그대로 적용하면 안 됩니다. 실제 최소 VGS가 2.5V 이상이라면 2.5V 조건에서 최대 RDS(on)이 보장되는 제품을 검토할 수 있습니다.

4. 배터리 MOSFET 연결: 하이사이드·로우사이드와 역류 차단

스위치를 양극에 넣을지 음극에 넣을지 정합니다

로우사이드는 구동이 단순합니다. 그러나 부하가 MCU와 통신선이나 USB로 연결되면 다른 귀환 경로가 생길 수 있습니다. 이런 기기는 GND를 유지하는 하이사이드 방식을 먼저 검토합니다. 하이사이드라도 신호선을 통한 역급전은 별도로 확인해야 합니다.

P채널 하이사이드에서는 GPIO의 HIGH가 곧 OFF를 뜻하지 않을 수 있습니다. 소스가 4.2V이고 게이트가 3.3V이면 VGS는 −0.9V입니다. 부품과 온도에 따라 완전히 꺼지지 않을 수 있습니다.

게이트-소스 풀업과 별도의 구동 소자를 사용하면 게이트를 소스 전압으로 되돌릴 수 있습니다. MCU가 꺼졌을 때의 상태와 GPIO 핀의 허용 전압도 함께 확인합니다.

MOSFET 한 개로는 양방향 차단을 보장할 수 없습니다

일반적인 전력 MOSFET에는 바디 다이오드가 있습니다. MOSFET을 OFF해도 이 다이오드가 순방향이 되는 조건에서는 전류가 흐를 수 있습니다.

예를 들어 외부 전원이나 충전기가 부하 쪽 전압을 높이면 배터리 쪽으로 전류가 돌아갈 수 있습니다. 이는 배터리를 거꾸로 연결하는 역극성과는 다른 문제입니다.

꺼진 상태에서 양방향 전류를 막아야 한다면 바디 다이오드가 서로 반대 방향이 되도록 MOSFET 두 개를 직렬로 구성합니다. 이를 백투백(back-to-back) 연결이라고 합니다. TI의 MOSFET 역류 차단 설계 자료는 이 구조와 동작 조건을 설명합니다.

다만 두 MOSFET을 켜면 채널을 통해 양방향 전류가 흐를 수 있습니다. ON 상태에서도 역류를 막으려면 이를 감지하고 차단하는 제어 기능이 필요합니다. 두 소자의 도통저항도 합산해야 합니다.

5. 릴레이와 MOSFET 발열·돌입전류 설계

전류 정격보다 실제 손실과 온도를 확인합니다

앞서 가정한 20mΩ MOSFET도 5A가 흐르면 손실이 달라집니다.

도통손실 = (5A)² × 0.02Ω = 0.50W

같은 MOSFET 두 개를 백투백으로 연결하면 합산 저항은 40mΩ입니다. 5A에서 두 소자의 합계 손실은 1.0W가 됩니다. 이 계산은 저항이 일정하다는 가정이며, 특정 패키지나 배터리가 5A를 허용한다는 뜻은 아닙니다.

충분히 켜진 실리콘 전력 MOSFET은 일반적으로 온도가 오르면 도통저항도 증가합니다. 상온의 대표값만 사용하면 실제 발열을 낮게 예상할 수 있습니다.

허용 전류는 MOSFET 패키지와 PCB 동박 면적, 방열 경로, 케이스 내부 온도와 통전 시간에 따라 달라집니다. PCM과 커넥터, 배선의 손실도 더해야 합니다.

보호회로의 추가 손실은 PCM MOSFET의 도통저항과 발열 원인에서 확인할 수 있습니다.

켜지는 순간의 돌입전류를 확인합니다

모터의 시작 전류와 입력 커패시터의 충전 전류는 정상 동작 전류보다 클 수 있습니다. 릴레이는 접점 용착과 전기적 수명을 확인해야 합니다. AC 정격을 DC 부하에 그대로 적용하지 않습니다.

MOSFET은 큰 커패시터를 충전하는 동안 전압과 전류를 동시에 감당합니다. 이때는 낮은 RDS(on)만으로 판단할 수 없습니다.

커패시터 전압이 일정한 속도로 상승한다고 가정하면 충전 전류는 다음과 같습니다.

충전 전류 ≈ 커패시턴스 × 전압 변화 ÷ 상승 시간

470µF를 0V에서 3.7V까지 1ms 동안 충전하면 약 1.74A가 필요합니다. 여기에 실제 부하 전류가 더해집니다. 이는 이상적인 계산이며 실제 전류 파형은 전원과 배선 조건에 따라 달라집니다.

게이트를 천천히 켜면 돌입전류를 줄일 수 있지만, MOSFET이 전압과 전류를 함께 견디는 시간이 길어집니다. TI의 MOSFET 안전 동작 영역(SOA) 검토 방법에 따라 전압, 전류, 지속시간과 온도를 함께 확인해야 합니다.

모터나 솔레노이드를 끌 때는 유도성 전압도 발생합니다. 회로에 맞는 다이오드나 TVS 등으로 전류가 흐를 경로를 마련합니다. 릴레이 코일의 보호 다이오드가 부하 측 서지까지 처리해 주지는 않습니다.

6. 배터리 전원 스위치 선택: 릴레이·MOSFET·래칭 릴레이

먼저 전류 숫자보다 필요한 기능을 정리합니다.

래칭 릴레이와 로드 스위치 IC도 검토하기

래칭 릴레이는 짧은 펄스로 접점을 바꾼 뒤 코일 전원 없이 상태를 유지합니다. 파나소닉의 래칭 릴레이 동작 설명에서 1코일형과 2코일형의 차이를 확인할 수 있습니다.

다만 코일 전원이 사라져도 마지막 접점 상태가 남을 수 있습니다. 전원 상실 시 부하가 꺼져야 하는 제품이라면 이 특성을 먼저 검토해야 합니다.

로드 스위치 IC는 MOSFET과 구동 기능을 통합해 회로를 단순하게 만듭니다. 제품에 따라 출력 상승 시간 조절이나 출력 방전을 지원합니다. 과전류 제한과 역류 차단 기능은 별도로 확인해야 합니다.

7. 릴레이·MOSFET 배터리 회로의 실제 검증 항목

부품 데이터시트 검토가 끝나면 실제 배터리와 부하로 확인합니다. 특히 완충 상태뿐 아니라 제품의 저전압 차단 직전 조건도 포함해야 합니다.

VGS는 게이트와 소스 사이에서 측정합니다. 짧은 전압 강하와 서지는 오실로스코프로 확인합니다. MCU가 꺼지거나 리셋될 때도 게이트가 부유하지 않도록 기본 상태를 정해야 합니다.

PCM의 과전류 차단값은 연속 사용 가능한 전류와 다릅니다. 스위치의 ON/OFF 기능도 배터리 보호를 대신하지 않습니다.

Ufine Battery에 사양 검토를 요청할 때는 부하 전압 범위, 연속·피크 전류와 지속시간, 하루 통전 시간, 목표 사용 시간과 사용 온도를 전달하세요. 셀·PCM·배선 조건을 함께 검토하는 데 도움이 됩니다.

릴레이와 MOSFET 차이 FAQs