라즈베리 파이 확장 보드(HAT) 설계 방법 [2026]

라즈베리 파이는 강력한 보드이지만, 그 자체만으로 모든 프로젝트를 감당할 수는 없습니다. 때로는 고출력 드라이버, 실시간 클록(RTC), 또는 주변의 여러 센서에 전원을 공급할 더 깨끗한 전원 UPS 같은 추가 기능이 필요합니다. 이럴 때 HAT을 사용하면 라즈베리 파이를 특정 용도에 맞춘 확장 시스템으로 가장 쉽게 바꿀 수 있습니다.

라즈베리 파이 HAT이 유용한 이유가 바로 여기에 있습니다. 애플리케이션에 맞게 필요한 회로를 추가할 수 있고, 구성을 바꾸고 싶을 때는 HAT을 뽑기만 하면 원래의 라즈베리 파이로 되돌아갑니다.

이 가이드에서 다루는 내용:

1. 라즈베리 파이 HAT이란 무엇인지
2. Raspberry Pi 5용 HAT+의 핵심 규칙
3. 40핀 GPIO 헤더의 사용 방법
4. 전원과 역전원 공급(back-powering)에 관해 알아야 할 사항
5. 로직 레벨 변환이 라즈베리 파이를 보호하는 방법
6. ID EEPROM을 통해 보드가 공식 HAT으로 인식되는 원리
7. 보드 레이아웃과 제작 방법

이 가이드를 끝까지 읽으면, 앞으로 설계할 모든 라즈베리 파이 확장 보드에 반복해서 적용할 수 있는 작업 프로세스를 갖추게 됩니다. 처음부터 모든 것을 설계할 필요는 없으며, 따라 할 수 있는 템플릿도 함께 제공합니다.

라즈베리 파이 HAT이란 무엇입니까?

라즈베리 파이 HAT(Hardware Attached on Top)은 라즈베리 파이의 40핀 GPIO 헤더 위에 쌓아 올려 기능을 확장하는 추가 회로 기판입니다. 명확하게 정의된 기구 외형, 표준 2×20 커넥터, 그리고 부팅 시 보드 ID를 불러와 커넥터 핀을 자동으로 설정하는 ID EEPROM을 갖추고 있습니다.

그림: 라즈베리 파이 HAT

HAT은 보드 윗면에 바로 연결되는 라즈베리 파이 전용 "백팩"이라고 생각하면 됩니다. 점퍼 와이어와 브레드보드를 일일이 다룰 필요 없이, 라즈베리 파이 위에 깔끔하게 올라가고 마운팅 홀 위치도 딱 맞는 튼튼하고 컴팩트한 PCB를 사용할 수 있습니다. HAT 개념은 확장 보드 생태계에 일관성을 부여하기 위해 2014년 Raspberry Pi가 도입했습니다. 이 사양은 보드 치수, 커넥터, 전원 동작, 자기 식별용 EEPROM 등 중요한 요소를 규정합니다. 이 요구 사항을 올바르게 따르면, 설계한 보드를 라즈베리 파이 사용자가 꽂기만 하면 바로 쓸 수 있는 플러그 앤 플레이 확장 보드로 만들 수 있습니다.

HAT vs uHAT vs HAT+ vs 비 HAT 확장 보드

HAT(오리지널, 풀사이즈):

기존 HAT은 Pi 3, Pi 4 등 대형 라즈베리 파이 모델과 같은 크기입니다. 40핀 헤더 전체를 지원하고, 보드 외형이 정의되어 있으며, ID EEPROM을 갖추고 있습니다. 대부분의 사람들이 HAT이라고 하면 떠올리는 "기준" 형식입니다.

그림: HAT, uHAT, HAT+ 비교

uHAT(미니/하프 사이즈):

uHAT(Mini HAT)은 Raspberry Pi Zero의 풋프린트에 맞춘 더 작은 보드입니다. 40핀 헤더를 갖추고 EEPROM도 탑재할 수 있지만 외형이 더 작아서, 저비용 설계나 공간 제약이 있는 설계에 적합합니다.

HAT+(Pi 5의 현행 표준):

HAT+는 2023년 12월 Raspberry Pi 5와 함께 발표되었습니다. 2014년 오리지널 사양의 엄격한 기구 요구 사항 일부를 완화하고, 전원 및 EEPROM 요구 사항을 변경했으며, Pi 5의 PCIe 커넥터 지원 등 새로운 기능을 추가했습니다.

비 HAT 확장 보드

EEPROM이나 정확한 외형 없이도 GPIO 헤더에 꽂는 보드를 얼마든지 만들 수 있습니다. 다만 이런 보드는 공식적으로 "HAT"이라는 이름을 쓸 수 없을 뿐입니다. 개인 프로젝트나 시제품 용도로는 전혀 문제가 없습니다.

설계 전에 알아 둘 GPIO 헤더와 핀아웃

HAT의 모든 요소는 40핀 GPIO 헤더를 통해 연결되므로, 설계에 관한 논의도 여기서부터 시작됩니다. 헤더는 2.54mm 피치의 2×20 배열로, 20핀씩 두 줄, 총 40핀으로 구성됩니다.

그림: 라즈베리 파이 GPIO 헤더

40개의 핀이 모두 범용 핀은 아닙니다. 일부는 전원, 일부는 그라운드, 일부는 전용 버스이며, 2개는 보드 식별용으로 예약되어 있습니다. 구성은 다음과 같습니다.

• 전원 레일: 보드의 전자 회로에 전원을 공급하는 5V 핀 2개와 3.3V 핀 2개
• 그라운드: 안정적인 리턴 경로를 위해 헤더 전체에 분산 배치된 GND 핀 8개
• I2C: 센서와 주변 장치용 GPIO2(SDA), GPIO3(SCL)
• SPI: 디스플레이, ADC 등 고속 주변 장치를 위한 SPI 버스를 제공하는 GPIO7~GPIO11
• UART: 직렬 통신용 GPIO14(TXD), GPIO15(RXD)
• 범용 GPIO: 나머지 핀은 필요에 따라 자유롭게 할당할 수 있는 디지털 I/O입니다.

단계별 가이드 — 라즈베리 파이 확장 보드 설계 방법

이제 핵심입니다. 빈 페이지에서 완성된 레이아웃까지, 라즈베리 파이 확장 보드를 설계할 때마다 반복해서 따를 수 있는 6단계 흐름은 다음과 같습니다.

그림: 회로도에서 PCB, 조립까지 이어지는 라즈베리 파이 확장 보드 설계 과정

1단계: 요구 사항과 서브시스템 정의: 모터 드라이버, 센서 허브, 오디오 DAC, 전원 공급 장치 등 애플리케이션에 따라 보드에 무엇을 넣을지 결정하고, 모든 기능 블록의 목록을 작성합니다. 각 블록이 필요로 하는 GPIO 핀, 버스, 전원 레일을 대응시킵니다.

2단계: 보드 외형 템플릿으로 시작: 외형을 처음부터 직접 그리지 말고, 올바른 보드 형상이 이미 포함된 기구 템플릿으로 시작하십시오. 이렇게 하면 40핀 헤더 풋프린트와 마운팅 홀을 실제 라즈베리 파이와 정확히 맞출 수 있습니다. 라즈베리 파이 템플릿은 이 튜토리얼 끝부분에 첨부되어 있습니다.

3단계: 회로도 작성: 2×20 헤더 심볼을 배치하고 전원 레일과 그라운드를 연결한 뒤, 각 서브시스템을 알맞은 GPIO에 배선합니다. 레이아웃 단계에서 혼란이 생기지 않도록 명확한 네트 명명 규칙을 유지하십시오.

4단계: 전원 트리 설계: 각 부품에 5V/3.3V 레일에서 직접 전원을 공급할지, 아니면 별도로 추가한 로컬 레귤레이터를 거쳐 공급할지 결정합니다. 소비 전류를 라즈베리 파이가 공급할 수 있는 전류와 비교해 예산을 세우고, 모든 IC에 디커플링 커패시터를 추가합니다.

5단계: ID EEPROM 회로 추가: 24Cxx 계열 EEPROM을 올바른 풀업 저항과 함께 ID_SD/ID_SC 버스에 연결합니다. 이 회로가 보드를 단순한 "확장 보드"에서 "공식 HAT"으로 격상시키고, 자동 설정을 가능하게 합니다.

6단계: PCB 레이아웃: 위치가 고정되어 있는 헤더와 마운팅 홀을 먼저 배치한 다음, 배선이 깔끔해지도록 부품을 배치합니다. 대전류 트레이스는 넓게, 디커플링 커패시터는 해당 핀 가까이에, EEPROM은 ID 핀 근처에 배치하십시오.

그림: fredj21이 공개한 라즈베리 파이 확장 보드 오픈소스 회로도

전체 흐름을 실제로 확인하는 좋은 방법은 오픈소스 프로젝트를 살펴보는 것입니다. OSHWLab에 공개된 fredj21의 Raspberry Pi HAT 프로젝트는 깔끔하고 완성도 높은 예시입니다. 회로도와 PCB를 나란히 열어 놓고 헤더, 전원, 주변 장치가 어떻게 연결되는지 정확히 따라가 볼 수 있습니다.

그림: fredj21이 공개한 라즈베리 파이 확장 보드 오픈소스 PCB

기구 설계 — 보드 크기, 마운팅 홀, 간격

HAT은 물리적으로 라즈베리 파이에 맞아야 하므로, 기구 요구 사항이 최우선이며 타협할 수 없습니다. 오리지널 풀사이즈 HAT의 외형은 65mm × 56mm이며, GPIO 헤더 반대쪽 두 모서리가 둥글게 처리되어 있습니다.

특히 Raspberry Pi 5에서는 보드 간 간격도 중요합니다. 오리지널 HAT 사양은 약 10~12mm의 스탠드오프 높이를 전제로 했습니다. HAT+는 더 넓은 간격을 허용하며 약 15~16mm를 권장합니다. 이 추가 공간 덕분에 Pi 5 Active Cooler 같은 액세서리가 HAT 아래에 들어갈 충분한 여유가 생깁니다.

전원 설계 — 3.3V, 5V, 그리고 라즈베리 파이 역전원 공급

처음 만드는 HAT이 문제를 일으키는 경우가 가장 많은 부분이 바로 전원이므로, 정확하게 짚어 보겠습니다. 보드는 헤더에서 전원을 공급받을 수도 있고, 경우에 따라서는 반대로 라즈베리 파이에 전원을 공급할 수도 있습니다.

그림: 라즈베리 파이 전원 공급 가이드라인

헤더에는 5V 레일과 3.3V 레일이 노출되어 있습니다. 5V 레일은 공급 능력이 큰 레일로, 라즈베리 파이의 메인 전원 입력에 연결되어 있습니다. 3.3V 핀은 출력 전용이며 라즈베리 파이의 온보드 레귤레이터에서 공급되므로 전류가 제한되어 있고, 절대로 이 핀에 전원을 넣어서는 안 됩니다.

라즈베리 파이 역전원 공급

역전원 공급이란 헤더의 5V 핀에 전원을 넣어 HAT에서 라즈베리 파이 전체에 전원을 공급하는 방식입니다. 이때 전원은 5V여야 하며, 최소 1.3A(권장 2A)를 공급할 수 있어야 합니다.

HAT 전원 설계의 몇 가지 철칙:

• 3.3V 핀에는 절대로 전압을 인가하지 마십시오.
• 역전원 공급을 할 경우, 부하 상태에서도 5V 레일을 5V ±5% 이내로 엄격하게 유지하십시오.
• 보드가 라즈베리 파이와 자체 입력 양쪽에서 모두 전원을 받을 수 있다면, 직렬 보호 다이오드를 추가하십시오.

그림: crazydna가 공개한 오픈소스 JuiceBox 라즈베리 파이 실드 설계

전원에 초점을 맞춘 보드를 보고 싶다면, OSHWLab에 공개된 crazydna의 JuiceBox RPi 실드를 살펴보십시오. 라즈베리 파이용 오픈소스 전원 보드로, 회로도와 레이아웃을 통해 실제 설계에서 5V 공급과 헤더 주변의 보호 회로를 어떻게 처리하는지 확인할 수 있습니다.

그림: crazydna가 공개한 JuiceBox 라즈베리 파이 실드 회로도

로직 레벨 변환(3.3V ↔ 5V)

라즈베리 파이의 GPIO 핀은 3.3V 로직이며 5V 입력을 허용하지 않습니다. GPIO 입력에 5V를 직접 인가하면 입력 핀이 손상되거나, 심지어 SoC 전체가 손상될 수 있습니다. HAT의 모든 디바이스가 3.3V로 동작한다면 레벨 시프터는 필요 없습니다. 하지만 5V 센서, 디스플레이, 로직 디바이스와 통신해야 한다면, 두 전압 레벨 사이에서 신호를 안전하게 변환하기 위한 레벨 시프터가 필요합니다.

그림: 라즈베리 파이 GPIO용 로직 레벨 변환 회로도

일반적인 해결책은 양방향 레벨 시프터를 사용하는 것입니다. 흔히 쓰이는 비용 효율적인 방법은 신호선마다 N채널 MOSFET 1개를 사용하고, 각 전압 레일에 풀업 저항을 연결하는 것입니다. 저전압 쪽은 3.3V로, 고전압 쪽은 5V로 풀업합니다. 그러면 MOSFET이 신호를 양방향으로 통과시킵니다.

이 방식은 I²C에 특히 적합합니다. I²C는 오픈 드레인 방식의 양방향 신호를 사용하기 때문입니다. 서로 다른 전압 레벨로 동작하는 디바이스들이 어느 쪽도 규정 전압 범위를 벗어나지 않으면서 안전하게 통신할 수 있습니다.

ID EEPROM — 공식 "HAT"으로 만드는 핵심

단순한 확장 보드를 진정한 HAT으로 바꿔 주는 것이 바로 이 부품입니다. ID EEPROM은 보드의 이름, GPIO 맵, 디바이스 트리 정보 등 보드에 대한 설명을 저장하는 소형 비휘발성 메모리 칩으로, 라즈베리 파이는 부팅 시 이를 읽어 자동으로 설정을 구성합니다.

그림: 라즈베리 파이 EEPROM 구성 회로도

사양은 EEPROM에 대해 매우 구체적으로 규정하고 있으며, 안정적인 HAT 자동 인식을 위해서는 이러한 세부 사항을 정확히 지키는 것이 필수입니다. EEPROM은 예약된 ID_SD/ID_SC 버스(27번, 28번 핀)에 연결되며, 다음 요구 사항을 충족해야 합니다.

• 유형: 3.3V, 16비트 주소 지정 방식의 24Cxx 계열 EEPROM(예: 24C32 이상)
• I2C 주소: ID 버스상에서 0x50
• 버스 속도: 100kHz I2C, 클록 스트레칭 없음
• 풀업: ID_SD와 ID_SC 모두 3.3V에 3.9kΩ 저항으로 풀업
• 쓰기 방지: ID 데이터가 실수로 손상되지 않도록 쓰기 방지 기능을 마련

EEPROM이 없는 보드도 전기적으로는 정상 동작합니다. 다만 공식적으로 HAT이라고 부를 수 없고, 자동 설정도 되지 않을 뿐입니다. 완전한 사양 준수가 목표라면, 몇 센트를 더 들여서라도 이 칩을 넣을 가치가 있습니다.

KiCad와 EasyEDA로 설계하기(템플릿 활용)

라즈베리 파이 HAT을 설계하는 데 비싼 소프트웨어는 필요 없습니다. 무료이면서도 성능이 충분한 툴을 찾는다면, 오픈소스이자 크로스 플랫폼인 KiCad와 브라우저 기반이며 방대한 부품 라이브러리를 제공하는 EasyEDA, 이 두 가지로 대부분의 요구를 충족할 수 있습니다.

어떤 툴을 선택하든 빈 캔버스가 아니라 템플릿에서 시작하십시오. 커뮤니티에서 관리하는 KiCad 및 EasyEDA용 HAT 템플릿에는 65 × 56mm 보드 외형, M2.5 마운팅 홀, 2×20 GPIO 헤더 풋프린트가 이미 포함되어 있습니다. 이러한 템플릿을 사용하는 것이 라즈베리 파이 HAT 폼 팩터의 기구 요구 사항을 충족하는 가장 빠르고 쉬운 방법입니다.

그림: Vista가 공개한 라즈베리 파이 HAT 오픈소스 템플릿

EasyEDA 사용자라면 OSHWLab에 공개된 Vista의 Raspberry Pi HAT 템플릿을 바로 시작점으로 활용할 수 있습니다. 템플릿을 열어 작업 공간에 복제하기만 하면, 외형, 마운팅 홀, 헤더가 이미 배치되어 있습니다.

그림: 라즈베리 파이 HAT 설계 템플릿

설계 단계에서 도움이 되는 몇 가지 실용적인 팁은 다음과 같습니다.

• HAT이 라즈베리 파이 위에서 아래로 꽂히도록 올바른 2×20 암 소켓 풋프린트를 사용하십시오.
• 네트 이름을 명확하게 짓고, GPIO 기능과 일치시키십시오.
• 설계 규칙 검사(DRC)는 마지막에 한 번만 하지 말고, 초기부터 자주 실행하십시오.

제조 용이성 설계(DFM)와 HAT 제작

회로도와 레이아웃이 완성되었다면, 이제 예상치 못한 문제 없이 실물로 만들 차례입니다. 제조 용이성 설계(DFM)란 보드를 깔끔하게, 저렴한 비용으로, 높은 수율로 제작하고 조립할 수 있도록 레이아웃하는 것을 말합니다.

파일을 내보내기 전에 간단한 DFM 체크리스트를 확인하십시오.

• 최소 설계 규칙 준수
• 실크스크린 확인
• 커넥터 방향 확인
• 피듀셜 추가
• 패널화

레이아웃이 검사를 통과하면 표준 제조 파일을 내보냅니다. 거버 파일(구리, 솔더 마스크, 실크 레이어), BOM(부품 목록), CPL/픽 앤 플레이스 파일(부품 위치와 회전 각도)이 필요합니다.

거버 파일을 JLCPCB에 업로드하면 즉시 견적을 받을 수 있으며, 베어 보드를 단 2달러부터 제작할 수 있습니다. 여기에 PCBA(SMT 조립)를 추가하면 EEPROM, 레벨 시프터, 커넥터가 이미 납땜된 상태로 HAT을 받아 볼 수 있습니다. EasyEDA는 JLCPCB 부품 라이브러리와 직접 연동되므로, 몇 번의 클릭만으로 PCB 설계에서 완전히 조립된 보드까지 손쉽게 진행할 수 있습니다.

라즈베리 파이 HAT 설계 시 흔히 하는 실수

경험이 많은 설계자도 같은 몇 가지 문제에 빠지곤 합니다. 다음 사항만 주의하면, 첫 HAT도 한 번에 성공할 가능성이 높습니다.

• 잘못된 헤더: 잘못된 헤더(수 헤더와 2×20 암 소켓 혼동)를 사용해 HAT이 라즈베리 파이에 물리적으로 맞지 않습니다.
• 예약된 ID 핀: 27/28번 핀(ID_SD/ID_SC)은 예약된 ID 핀으로, EEPROM 전용으로만 사용됩니다.
• 8비트 주소 지정 EEPROM 사용: 사양은 16비트 주소 지정 방식의 24Cxx 부품을 요구하며, 8비트 방식은 올바르게 읽히지 않습니다.
• GPIO에 5V 인가 금지: 라즈베리 파이의 GPIO는 3.3V 전용이며 5V 입력을 허용하지 않습니다.
• 풀업 저항 누락 또는 잘못된 풀업: ID 버스는 3.9kΩ으로 풀업해야 하며, 그렇지 않으면 EEPROM이 동작하지 않습니다.
• 3.3V 핀에 전원 공급: 이 핀은 출력 전용입니다. 전원을 넣으면 라즈베리 파이의 레귤레이터가 손상될 수 있습니다.

결론

라즈베리 파이용 확장 보드를 만든다는 것이 처음에는 어렵게 느껴질 수 있습니다. 이미 공개된 정보와 문서가 워낙 많기 때문입니다. 하지만 전체 과정은 요구 사항, 템플릿, 회로도, 전원, EEPROM, 레이아웃이라는 명확한 6단계로 나눌 수 있습니다.

이 워크플로를 이해하고 나면 모터 HAT, 센서 HAT, 직접 설계한 맞춤형 확장 보드 등 거의 모든 프로젝트에 같은 과정을 적용할 수 있습니다. PCB 레이아웃이 완성되면 거버 파일, BOM, CPL 파일을 내보내 JLCPCB에 보내고, 즉시 제작 견적을 받아 보십시오. 불과 며칠 만에 컴퓨터 속 PCB 파일이 완전히 조립되어 동작하는 하드웨어로 바뀝니다.

자주 묻는 질문(FAQ)