인프런 커뮤니티 질문&답변

안녕하세요, 답변 남겨드립니다.

결론부터 말씀드리면, KiCad 자체는 전기적 시뮬레이션(전압·전류 분석)을 직접적으로 수행하는 툴이 아닙니다. 하지만 몇 가지 방법을 통해 실제 동작을 가늠할 수 있습니다.

첫 번째로, KiCad + ngspice 연동 시뮬레이션이 가장 현실적입니다. KiCad의 Eeschema에는 ngspice가 내장되어 있어, schematic을 SPICE 모델 기반으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 예를 들어, Power 회로에서 STM32의 전원(VDD, VCAP 등)에 연결된 LDO, 레귤레이터, 커패시터, 저항 등을 SPICE 모델로 정의해두면, DC Operating Point 또는 Transient 해석을 통해 전압 안정화나 부하 전류 흐름을 확인할 수 있습니다. 회로도 상에서 Simulation Profile을 생성하고, 각 부품의 SPICE netlist를 지정한 뒤 시뮬레이션을 실행하면 됩니다.

두 번째로, MCU나 디지털 IC와 같은 블랙박스 소자는 실제 SPICE 모델을 제공하지 않으므로 모델링 대체법을 사용합니다. 예를 들어, STM32F103의 VDD 핀에는 내부 로직이 수mA~수십mA 전류를 소모하므로 이를 일정 저항 혹은 전류원(Current source) 형태로 근사합니다. 예를 들어, VDD 핀을 3.3V 전원에 연결하고 약 10mA 전류 부하로 모델링하면, LDO 출력단의 전압 강하, 리플, ESR 효과 등을 검증할 수 있습니다.

세 번째로, KiCad에서의 전류 시각화가 한계가 있으므로, LTspice 또는 PSpice 같은 전문 SPICE 시뮬레이터로 동일 회로 일부를 이식해보는 방법이 많이 사용됩니다. 예를 들어 Power tree의 LDO 출력, USB 전원, ADC 입력 필터 등 일부 구간만 추출하여 LTspice에서 transient 해석을 수행하면, 부품별 동작 전압·전류 파형을 훨씬 정밀하게 검증할 수 있습니다. 실제로 현업에서는 MCU 주변 전원 회로나 센서 인터페이스 아날로그 구간을 LTspice로 재현하고, Digital 구간은 Functional Block으로 단순화하여 해석합니다.

네 번째로, KiCad의 ERC/DRC 검사 기능으로 전기적 오류(전원 충돌, Floating net 등)를 1차적으로 검증해야 합니다. 이 단계에서 Net간 단락 여부, Power flag 누락, Ground loop 등 기본적인 전기적 제약을 확인합니다. 또한 Power budget spreadsheet를 작성하여, 각 IC별 공급 전류 합계를 산출하고, LDO 또는 DC-DC Converter의 용량과 Margin(보통 20~30%)을 비교하는 것이 좋습니다. 예를 들어, STM32F103이 최대 30mA, Ethernet PHY가 120mA, ADC가 10mA, 기타 주변이 40mA라면 총 약 200mA가 되므로, 3.3V 레귤레이터를 300mA 이상급으로 설계하고, 부하응답 시험을 통해 5% 이내의 전압 드롭을 허용하는 식입니다.

결국 실제 동작의 완벽한 재현은 불가능하더라도, 시뮬레이션 + 전류 근사 + ERC 검증을 조합하면 PCB 제작 전 충분히 리스크를 줄일 수 있습니다. 예를 들어 KiCad+ngspice에서 VDD=3.3V, MCU 부하=10mA, LDO=TLV73333 모델을 설정하면, 출력 리플 10mV 이하, Dropout 200mV 조건에서 정상 동작을 확인할 수 있습니다. 이후 PCB 제작 후 실제 오실로스코프 측정으로 파형을 검증하면, 시뮬레이션과의 오차를 통해 모델링의 정확도를 보정해나가는 것이 이상적인 절차입니다.

안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다.

FPGA Engineer님, KiCad를 사용하여 PCB 설계 후 시뮬레이션을 통해 설계의 정확성을 확인하고 싶으시군요. PCB 설계 전 시뮬레이션을 통해 전자 회로의 성능을 검토하는 것은 매우 중요합니다. 시뮬레이션을 통해 전류, 전압 등의 동작 여부를 확인할 수 있습니다.

KiCad 자체는 전기적 시뮬레이션 기능을 제공하지 않지만, 다음과 같은 방법으로 시뮬레이션을 진행할 수 있습니다:

1. Spice 시뮬레이션 사용: KiCad는 복잡한 Spice 모델을 통한 시뮬레이션을 직접 지원하지 않으므로, 외부 시뮬레이터와 연동하여 사용할 수 있습니다. KiCad의 회로망을 netlist 형태로 내보내고, PSpice, LTSpice 같은 도구를 사용해 시뮬레이션을 실행하는 방법입니다. 이러한 도구들은 회로망의 다양한 전기적 특성을 분석하고 파형을 제공하는 데 유용합니다.

2. KiCad 플러그인 활용: KiCad에서는 일부 플러그인을 추가 설치해 사용하는 방법도 있습니다. ngspice는 KiCad와 통합이 가능하며, 이를 통해 회로 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다.

3. KiCad의 Electrical Rules Check(ERC): KiCad 내부 기능 중에서는 전기적 규칙 검사를 통해 회로의 설계 오류를 사전에 확인할 수 있는 기능도 유용합니다. 각 핀에 예상되는 전류량이나 전압 조건에 대해 설정해 오류 검증이 가능합니다.

—유사한 질문 참고—
- 완벽한 PCB 설계를 위한 시뮬레이션 팁
- STM32 시리즈의 전력 및 전압 시뮬레이션

저는 질문자님의 이해를 돕고자 지식공유자님의 기존 답변을 참고하여 유사한 답변 링크를 추천해드리고 있습니다.
현재 베타 기능으로 답변이 만족스럽지 않을 수 있는 점 양해 부탁드립니다. 🙏
추가적으로 궁금한 점이 있으시면, 이어서 질문해 주세요. 곧 지식공유자께서 답변해 주실 것입니다.