시제품가이드(8) - 전원/충전 기기

시제품가이드(8) - 전원/충전 기기

전원 설계를 간과하는 창업자들의 현실

제품의 외관 디자인이나 조립 구조에는 많은 관심을 쏟으면서도 정작 그 제품을 작동시키는 전원에 대해서는 놀라울 정도로 무관심한 창업자들이 많습니다. "24V가 필요한 모터를 쓰는데 전원은 5V USB로 하고 싶어요"라는 식의 요구를 받을 때가 있습니다. 전압과 전류, 전력의 기본적인 관계조차 이해하지 못하고 제품을 기획하는 경우가 생각보다 흔합니다. 더 심각한 것은 "배터리가 한 번 충전으로 1년간 사용되면 좋겠다"거나 "전기 없이도 계속 작동하는 방법이 있을 것"이라는 에너지 보존 법칙을 무시한 요구들입니다.

이런 기초 상식 부족은 단순한 무지를 넘어서 제품 개발 전체를 잘못된 방향으로 이끌 수 있습니다. 전력 소모량을 정확히 계산하지 못하면 배터리 용량을 잘못 설정하게 되고, 전압 관계를 이해하지 못하면 회로 설계 자체가 불가능해집니다. "왜 이렇게 복잡하고 비싸게 만드냐"고 불만을 표하지만, 정작 물리 법칙을 무시한 요구를 하고 있는 경우가 대부분입니다. 최소한 "전압(V) × 전류(A) = 전력(W)"이라는 기본 공식과 "에너지는 저절로 생기지 않는다"는 상식은 가지고 제품 기획을 해야 합니다.

전압, 전류, 전력의 기본 관계부터 이해하자

전자 제품 개발에서 가장 기본이 되는 것은 전압(V), 전류(A), 전력(W)의 관계입니다. 전력 = 전압 × 전류라는 간단한 공식만 이해해도 많은 문제를 예방할 수 있습니다. 예를 들어 20W 전력이 필요한 LED를 5V로 동작시키려면 4A의 전류가 필요합니다. 그런데 "5V USB 포트로 연결하면 되죠?"라고 묻는 경우가 있는데, 일반 USB 포트는 0.5A 정도밖에 공급하지 못하므로 전력이 부족해서 제대로 동작하지 않습니다. 이런 기본적인 계산도 하지 않고 제품을 기획하면 나중에 "왜 안 되는지" 이해하지 못하게 됩니다.

배터리 용량 계산도 마찬가지입니다. 1000mAh 배터리가 있다고 해서 모든 기기를 1000시간 동작시킬 수 있는 것이 아닙니다. 100mA를 소모하는 기기라면 이론적으로 10시간, 1000mA(1A)를 소모한다면 1시간 정도만 사용할 수 있습니다. 실제로는 배터리 효율, 전압 변환 손실, 자체 방전 등을 고려하면 이론값의 70-80% 정도만 기대할 수 있습니다. "하루 종일 사용하고 싶다"는 요구가 있다면 기기의 전력 소모량을 먼저 계산하고, 그에 맞는 배터리 용량을 결정해야 합니다. 이런 기본 계산 없이는 현실성 있는 제품 사양을 정할 수 없습니다.

전원 공급과 실제 구동 전력의 미스매치 문제

"24V 모터를 사용하는데 5V USB로 전원을 공급하고 싶다"는 요구를 받으면 정말 난감합니다. 24V에서 5V로 전압을 낮추는 것(강압)은 가능하지만, 5V에서 24V로 올리는 것(승압)은 복잡하고 비효율적입니다. 승압 과정에서 상당한 전력 손실이 발생하고, 회로도 복잡해져서 비용과 크기가 모두 증가합니다. 무엇보다 5V 전원으로 24V 모터를 충분히 구동할 만한 전력을 공급하기 어려울 수 있습니다. 이런 경우에는 처음부터 12V나 24V 전원을 사용하거나, 저전압에서도 동작하는 모터로 교체하는 것이 현실적입니다.

반대로 "휴대성을 위해 배터리를 작게 만들고 싶다"면서 고전력 부품을 고집하는 경우도 있습니다. 100W 히터를 내장하면서 동시에 스마트폰 크기의 배터리로 몇 시간 동작시키고 싶어합니다. 물리적으로 불가능한 요구입니다. 이런 경우에는 전력 소모를 줄이는 설계 변경이나 배터리 용량 증가, 아니면 사용 시간 단축 중에서 선택해야 합니다. 모든 것을 다 가질 수는 없다는 현실을 인정하고, 우선순위에 따라 트레이드오프를 받아들여야 합니다. 시제품에서는 이런 전력 균형을 실제로 테스트해서 현실적인 사양을 확정하는 것이 중요합니다.