TVS 다이오드 보호 설계를 통해 CAN 버스 신뢰성 향상

자동차 및 기타 응용 분야에서 널리 사용되는 버스 표준인 계측 제어기 통신망(CAN) 버스는 과전압과 과전류에 대한 높은 수준의 내성을 기본적으로 갖추고 있습니다. 최대 70개의 전자 제어 장치(ECU)가 최고급 차량의 전자 네트워크의 일부로 사용됨에 따라 설계자는 번개, 정전기 방전(ESD) 등과 같은 전기적 과도 상태로부터 손상을 방지하는 방안에 대해 점점 더 우려하고 있습니다. 그런 감도가 고장 위험을 높이고 차량 신뢰성 악화를 위협합니다.

다양한 과도 전압 억제기(TVS)를 사용할 수 있지만 자동차 응용 분야는 일반적으로 강력한 비용, 무게 및 신뢰성 사양으로 인해 제한됩니다. 이러한 제한으로 인해 많은 크고 복잡한 TVS 장치는 배제됩니다. 하지만 최근에 제조업체에서 매우 안정적이고 저렴한 콤팩트형 회로 보호 옵션을 제공하는 일반 TVS 다이오드의 차량용 전자 기기 등급 버전을 도입했습니다. 일부 대안 장치와 달리 TVS 다이오드는 CAN 트랜시버의 잡음 내성을 높이고 고주파 통신 신호 무결성에 무시해도 좋을 정도의 영향을 줍니다.

이 기사에서는 TVS 다이오드를 사용하여 민감한 CAN 버스 구현을 경제적이면서 높은 수준으로 보호할 수 있는 방법을 설명합니다. 또한 민감한 ECU 및 CAN 트랜시버를 완벽하게 보호하기 위해 차량용 전자 기기 등급 장치를 선택하고, 피크 전압과 전류, 정전 용량, 누설 전류, 클램핑 전압 등을 신중하게 고려해야 하는 이유를 설명합니다. 그런 다음 Texas Instruments, ON Semiconductor, Bourns 및 Semtech의 적합한 TVS 솔루션을 소개하고 해당 솔루션을 적절히 적용하는 방법을 설명합니다.

CAN 소개

CAN은 배선 하니스의 복잡성과 무게를 가중시키지 않으면서 차량에 더 많은 전자 장치를 추가하기 위해 고안되었습니다. CAN 표준은 여러 물리층(PHY)을 지원하는 강력한 피어 네트워크를 지정하지만, 가장 일반적인 PHY는 고속 버전(최대 1Mb/s의 원시 데이터 전송률을 지원하는 2선 구현)입니다. 네트워크를 통해 여러 CAN 장치(예: ECU) 간에 통신할 수 있습니다. 연결된 ECU는 단일 CAN 인터페이스만 있으면 네트워크상의 모든 다른 장치에 연결할 수 있으므로 여러 아날로그 및 디지털 I/O와 복잡하고 비싼 배선이 필요하지 않습니다.

일반 CAN 버스 차등(CAN H/CAN L) 체계는 직렬 버스에서 통신하는 트랜시버로 구성됩니다. 공칭 특성 임피던스가 120Ω인 연선 케이블은 버스에서 노드 간에 신호를 전송하는 데 사용됩니다. 전자파 장해(EMI) 내성 향상을 위해 분할된 종단 지형도가 사용되는 경우도 있습니다(그림 1).

그림 1: CAN 버스는 차등 통신 체계를 사용하여 트랜시버가 직렬 버스를 통해 안정적으로 통신할 수 있도록 지원합니다. (이미지 출처: Bourns)

CAN ECU 및 트랜시버는 본질적으로 파손되기 쉬운 실리콘으로 구성되지만 까다로운 작동 조건을 견딜 수 있습니다. 예를 들어 대부분의 차량 제조업체는 차량 전자 장치의 고장 기계적 응력 테스트인 AEC-Q100 자격을 요구합니다. 또한 주요 자동차 제조업체는 최신 국제 표준(ISO 7637 및 IEC 61000-4-5)의 준수를 요구합니다. 이러한 표준은 차량 작동 중 전도 및 결합에 따른 전기 방해를 시뮬레이션하도록 고안된 테스트 전기적 과도 상태를 지정합니다.

일부 칩 벤더의 제품은 이러한 사양을 충족합니다. 예를 들어 Texas Instruments의 SN65HVD1050DRG4 CAN 트랜시버는 교차 전선, 과전압, -27V ~ 40V의 접지 손실 보호 및 과열 시 전원 차단 기능을 제공합니다. 또한 이 칩은 ISO 7637에 정의된 -200V ~ 200V 과도 전압을 견딜 수 있습니다.

고사양 장치의 한 가지 단점은 차량 설계의 중요 고려 사항인 비용에 있습니다. 경화된 장치는 일정 시간 동안 전기적 과도 상태를 견딜 수 있지만 반복적으로 노출될 경우 손상 위험이 있습니다. 번개 및 ESD는 자동차 전자 장치를 일부 표준의 준수 요구 사항을 초과하는 전압 및 전류에 노출시킬 수 있습니다. 전기적 과도 상태를 접지로 전환하여 민감한 실리콘에서 멀어지게 하는 추가적인 보호 기능은 신뢰성 향상을 위해 노력하는 자동차 제조업체에 유용합니다.

다이오드를 사용하여 과도 전압 억제

전기적 과도 상태 보호를 구현하는 다양한 완성된 기술이 있습니다. 이러한 기술은 차단, 억제, 분리로 분류될 수 있습니다. 간단히 말해서 차단에서는 퓨즈와 회로 차단기를 사용하고, 억제에서는 TVS 장치(예: TVS 다이오드 및 금속 산화물 배리스터(MOV))를 사용하고, 분리에서는 광 커플러, 변압기 등과 같은 분리 장치를 사용합니다.

차단은 효과적이고 경제적이지만, 장치를 작동한 이후에 교체하거나 초기화해야 하는 단점이 있습니다. 이는 자동차 응용 분야에 매우 불편합니다. 반면에 분리 장치는 완전히 효과적이고 교체 또는 초기화할 필요가 없지만 크고, 복잡하고, 비쌉니다. TVS 장치는 그 중간에 위치하며, 일반적으로 효과적이고 콤팩트하며 중간 가격입니다.

TVS 장치는 TVS 다이오드(및 TVS 다이오드 어레이), MOV, 전용 과도 전류 억제 장치 등 다양한 유형으로 제공됩니다. TVS 다이오드는 TVS 장치 중 성능이 가장 우수하지는 않지만 저렴하고 견고하여(특히, AEC-Q100 및 ISO 7637 표준을 충족하는 CAN 노드와 결합할 경우) 공간 및 비용 제약이 있는 자동차 응용 분야의 회로 보호에 적합합니다.

TVS 다이오드는 높은 전기적 과도 상태 전류를 흡수하도록 큰 접합 단면적으로 특별히 설계된 p-n 장치입니다. TVS 다이오드의 전압/전류 특성은 제너 다이오드와 비슷하지만 장치는 전압 조정이 아닌 전압 억제용으로 설계되었습니다. TVS 다이오드의 주요 이점은 일정한 클램핑 전압을 유지하면서 과도 에너지를 접지로 안전하게 전환하여 다른 억제 장치에 비해 전기적 과도 상태에 대한 반응이 빠릅니다(일반적으로 나노초 단위).

이론적으로 보호 메커니즘은 간단합니다. 일반 작동 조건에서 TVS 다이오드는 보호된 회로에 높은 임피던스를 제공하지만, 보호된 회로의 안전 작동 전압을 초과할 경우 TVS 다이오드는 과도 전류에 대해 접지에 낮은 임피던스 경로를 제공하는 애벌런치 모드로 작동합니다. 보호된 회로에 적용되는 최대 전압은 일반적으로 적정하며 다이오드의 클램핑 전압으로 제한됩니다. 전기적 과도 상태 전류가 완화되면 TVS 장치는 높은 임피던스 상태로 복귀합니다(그림 2).

그림 2: TVS 다이오드는 클램핑 전압을 안전한 수준으로 유지하면서 전기적 과도 상태에 대한 접지 경로를 제공하여 회로를 보호합니다. (이미지 출처: Semtech)

실제로 네트워크는 전력뿐 아니라 차동 신호 체계를 통해 전송되는 데이터도 공급하므로 CAN 구현을 위한 보호 회로망은 더 복잡합니다.

CAN 응용 분야를 위한 TVS 다이오드 선택

TVS 다이오드는 단방향과 양방향의 두 가지 유형으로 제공됩니다. 각 장치는 음의 서지와 양의 서지를 모두 보호하지만, 주요 차이점은 항복 전압(장치가 애벌런치 모드에서 전도를 시작하여 낮은 임피던스를 나타내는 전압)에 있습니다. 양방향 장치는 양방향에서 동일한 항복 전압을 제공하지만, 단방향 장치는 음의 과도 전압 스파이크에 대한 항복 전압(다이오드의 순방향 바이어스 전압과 동일)이 훨씬 낮습니다.

단방향 장치와 양방향 장치를 동일한 응용 분야에 사용할 수 있지만 일부 응용 분야에서는 한 장치의 항복 전압 특성이 더 유용한 경우도 있습니다. 예를 들어 CAN 트랜시버가 디지털 논리 IC를 처리하는 경우 단방향 TVS 다이오드의 음의 서지에 대한 낮은 항복 전압이 우수한 보호 성능을 제공합니다.

양방향 TVS 장치의 주요 이점으로는 공통 모드 오프셋 전압 문제를 해결합니다. 이는 CAN 트랜시버가 공칭 전압 수준에서 최대 2.0V 오프셋될 수 있는 신호 선간 전압으로 작동할 수 있어야 하기 때문입니다. 양방향 TVS 장치는 양의 방향과 음의 방향으로 큰 클램핑 전압이 특징이므로 신호 회선 오프셋의 영향에 따라 클램핑되지 않습니다. 또한 양방향 TVS 다이오드는 본질적으로 양방향 MOV를 직접적으로 대체할 수 있습니다.

CAN 버스 보호를 위한 다양한 대체 토폴로지가 있습니다. 가장 간단한 토폴로지는 CAN_H(또는 DATA_H) 회선 및 접지, CAN_L(또는 DATA_L) 회선 및 접지에 각 하나씩 두 개의 양방향 다이오드로 구성된 TVS 다이오드 배열을 사용합니다. 대체 배열에서는 단방향 장치에 대해 양방향 TVS 다이오드를 교체합니다(그림 3).

그림 3: 응용 분야에 따라 양방향(왼쪽) 또는 단방향(오른쪽) TVS 다이오드를 사용할 수 있습니다. 제조업체들은 종종 두 다이오드를 단일 패키지로 통합하는 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

개별 TVS 다이오드를 사용하여 각 CAN 데이터 회선을 보호할 수 있지만, 많은 제조업체에서는 두 다이오드를 단일 패키지로 통합하는 패키지를 제공합니다. 예를 들어 ON Semiconductor는 단일 콤팩트 SOT−23 패키지로 각 CAN 데이터 회선을 양방향으로 보호하는 NUP2105LT1G TVS 다이오드를 공급합니다. 이 장치는 350W의 최고 내전력을 처리할 수 있습니다. NUP1105LT1G는 이 장치에 대응하는 양방향 장치입니다.

설계자가 토폴로지를 결정한 경우 TVS 다이오드에 따라 회로의 성능이 결정되므로 응용 분야의 요구 사항을 충족하는 작동 특성을 가진 TVS 다이오드를 신중하게 선택해야 합니다.

양방향 TVS 다이오드의 주요 장치 파라미터는 다음과 같습니다.

• 역방향 작동 전압(V_RWM) - 최대 DC 작동 전압입니다. 이 전압에서 다이오드는 비전도 상태이며 고임피던스 커패시터처럼 작동합니다.
• 역방향 항복 전압(V_BR) - 장치가 애벌런치 모드에서 전도되고 낮은 임피던스로 변경되는 지점(일반적으로 1mA에서 측정됨)입니다.
• 피크 펄스 전류(I_PP) - 장치에 대해 지정된 최대 서지 전류입니다.
• 최대 클램핑 전압(V_C) - I_PP에서 다이오드 전반의 최대 전압 강하입니다.
• 역방향 누설 전류(I_R) - V_RWM에서 측정되는 전류입니다.
• 테스트 전류(I_T) - V_BR에서의 전류입니다(그림 4).

그림 4: 주요 장치 파라미터를 보여주는 양방향 TVS 다이오드의 전압/전류 특성 (이미지 출처: ON Semiconductor)

CAN 사양은 전기적 과도 상태 보호를 위해 선택되는 TVS 다이오드의 특성을 결정하는 주요 트랜시버 특성을 자세히 규정합니다. 주요 파라미터는 다음과 같습니다.

• -3.0V/16V 최소/최대 버스 전압(12V 시스템)
• -2.0V/2.5V 최소/공칭 CAN_L 공통 모드 버스 전압
• 2.5V/7.0V 공칭/최대 CAN_H 공통 모드 버스 전압
• 권장: ≥ ±8.0kV(접점) ESD
• ISO 7673-3/IEC 61000-4-5 서지 전류 펄스 내성

개발자가 고려해야 하는 첫 번째 파라미터는 V_RWM 및 V_BR입니다. 일반 작동 중에는 TVS 다이오드가 높은 임피던스를 제공하기에 충분하지만, CAN 트랜시버가 위험할 정도로 높은 전압에 노출될 때까지는 장치가 전도를 시작할 정도로 높지 않습니다. 자동차 전기 시스템은 일반적으로 12V 배터리로 작동되지만, 대부분은 비상 시에 24V 공급 전압으로 점프 스타트하도록 설계되었습니다. 이를 고려하여 TVS 다이오드를 선택해야 합니다.

예를 들어 ON Semiconductor NU2105L은 1mA에서 24V V_RWM과 26.2V V_BR을 나타냅니다. SOT-23 패키지 이중 양방향 TVS 다이오드인 Bourns CDSOT23-T24CAN CAN 버스 보호 장치는 동일한 사양을 제공합니다.

개발자는 TVS 다이오드의 최대 정전 용량을 확인해야 합니다. 정전 용량이 크면 신호 무결성이 훼손됩니다. 데이터 전송률이 빠를수록 정전 용량은 더 작아야 합니다. 경험상 125kb/s 데이터 전송률에서 100pF, 1Mb/s 데이터 전송률에서 35pF의 신호 회선과 접지 사이에서 최대 정전 용량을 얻을 수 있습니다. 규격서에 따라 0V에서 정전 용량을 나타내는 경우도 있고, CAN 트랜시버의 평균 전압인 2.5V에서 정전 용량을 나타내는 경우도 있습니다. 또한 증폭기의 출력 신호에서 펄스 폭 무결성을 유지하려면 두 차동 신호의 정전 용량이 일치해야 합니다.

예를 들어, 0V 및 1Mb/s에서 Bourns CDSOT23-T24CAN은 신호 회선과 접지 사이에서 22pF의 정전 용량을 나타냅니다. 두 양방향 TVS 다이오드를 탑재하고 CAN 버스 서지 내성을 고려하여 특별히 설계된 SOT-23 패키지인 Semtech의 UCLAMP2492SQTCT는 신호 회선과 접지 사이에서 15pF(0V 및 1Mb/s)의 정전 용량을 제공합니다.

또한 시스템 효율을 극대화하려면 역방향 누설 전류(I_R)가 낮은 장치를 선택하는 것이 좋습니다. I_R은 온도에 따라 상승하므로 장치를 선택할 때 작동 조건을 고려해야 합니다. 예를 들어, NUP2105L은 25°C에서 I_R이 0.1µA이지만, UCLAMP2492SQTCT 장치는 25°C에서 I_R이 0.2µA이고 125°C에서 0.35µA입니다.

마지막으로 개발자는 TVS 다이오드가 비반복적인 전기적 과도 상태 서지 에너지를 손상 없이 방출할 수 있고 전기적 과도 상태 피크 전류에서 클램핑 전압이 CAN 트랜시버를 훼손하지 않는지 확인해야 합니다.

IEC 61000-4-5는 서지 내성에 대한 테스트 방법을 지정하는 IEC 표준이며 TVS 다이오드의 기능을 결정하는 데 사용되는 일반 서지 파형을 자세히 규정합니다. 파형은 8µs에서 피크 값의 90%에 도달하고 20µs에서 피크 값의 50%로 하락합니다. 규격서에서는 종종 이를 “8µs/20µs 파형”이라고 합니다(그림 5).

그림 5: TVS 다이오드 서지 내성 테스트를 위해 IEC 61000-4-5에 지정된 파형 파라미터(“8µs/20µs”) 예 (이미지 출처: Bourns)

Bourns CDSOT23-T24CAN TVS 장치의 11A 8µs/20µs 파형에 대한 응답은 그림 6에 나와 있습니다. 제조업체는 최대 클램핑 전압이 5A 서지에서 36V, 8A 서지에서 40V라고 주장합니다. ON Semiconductor NUP2105L의 해당 수치는 350W 피크 내전력에서 40V 및 44V이고, Semtech UCLAMP2492SQTCT의 경우 5A에서 44V입니다.

그림 6: Bourns CDSOT23-T24CAN의 11A 8µs/20µs 파형에 대한 반응 36.4V의 서지 전류 과도 및 클램핑 전압 피크에 대한 TVS 다이오드 패키지의 빠른 반응에 유의하십시오. (이미지 출처: Bourns)

개발자는 작업에 적절한 TVS 다이오드를 선택한 후 성능 최적화를 위해 최상의 pc 기판 레이아웃을 신중하게 고려해야 합니다. 가장 먼저 과전압으로 작동될 경우 TVS 다이오드에 의해 손상 가능성이 있는 서지가 CAN 트랜시버에서 멀어지고 접지면에서 안전하게 소산됩니다.

예를 들어, Bourns의 SOT-23 장치는 신호 회선까지의 트레이스를 짧게 하여 버스 커넥터에 최대한 가깝게 배치하는 것이 좋습니다. 표준 10mm, 1온스 구리 트레이스는 일반 전기적 과도 상태에서 피크 전류 레벨을 처리하는 데 더 적합합니다. 짧은 트레이스를 사용하여 장치의 접지 핀을 PCB 접지면에 연결해야 합니다. 접지 면이 TVS 다이오드 근처 신호 측에 있는 경우 부품을 접지면에 직접 연결해야 합니다(그림 7).

그림 7: Bourns CDSOT23-T24CAN에 대한 권장 pc 기판 레이아웃 TVS 다이오드를 탑재한 SOT-23은 CAN 버스 커넥터에 최대한 가깝게 배치해야 합니다. (이미지 출처: Bourns)

결론

비용, 공간, 무게 제한으로 인해 번개, ESD 등과 같은 극한 상황으로부터 CAN 버스 장치를 보호하기 위한 솔루션 범위가 제한됩니다. 하지만 TVS 다이오드는 이러한 제약과 보호 성능 간에 허용 가능한 트레이드 오프를 제공합니다. 성공적인 구현을 위해서는 TVS 다이오드의 전기적 특성과 응용 분야를 신중하게 연계하여 CAN 버스의 정상 작동을 훼손하지 않으면서 보호 수준을 보장해야 합니다.

CAN 자동차 응용 분야에 맞게 특별히 설계되고 단방향 또는 양방향 TVS 장치를 통합하는 콤팩트 (SOT-23) 솔루션이 최근에 도입되어 부품 선택이 쉬워졌을 뿐 아니라 설계 복잡도와 공간 요구 사항도 완화되었습니다.

참고 자료

1. TVS 다이오드의 회로 구성 옵션, AND8231/D, ON Semiconductor, 2017년 3월
2. CAN을 위한 TVS 다이오드 선택 지침, AND8181/D, ON Semiconductor, 2004년 8월