설계자가 알아야 하는 VCR의 원인과 영향 및 이를 완화하는 방법

많은 설계자들은 저항기에 전압 저항 계수(VCR)와 온도 저항 계수(TCR)가 있다는 사실을 알지 못합니다. 그럴 수 있는 이유는, 저전압 및 저저항 응용 제품에서는 전압의 영향이 미미할 뿐 아니라 온도의 효과에 의해 잘 가려지기 때문입니다. 그러나 고저항 및/또는 고전압(HV)을 사용하는 회로에서는 전압에 따른 저항 변동성이 큰 문제가 될 수 있는데, 이러한 회로는 HV 전원 공급 장치, 트랜스 임피던스 증폭기(TIA), HV LED 조명 및 펄스 통신 시스템과 같은 응용 제품에 사용됩니다. 따라서 이러한 회로를 설계하는 설계자는 VCR의 원인과 영향, 그리고 이를 완화하는 방법을 잘 알아야 합니다.

이 기사에서는 VCR에 대한 개요 및 회로 설계에 미치는 영향에 대해 설명합니다. 그런 다음 Stackpole의 저VCR 저항기 예제를 사용하여 중요한 회로의 정확하고 안정적인 작동을 지원하기 위해 이러한 장치를 선택하고 적용하여 VCR의 영향을 최소화하는 방법을 소개합니다.

VCR이란 무엇인가요?

저항의 VCR은 인가 전압에 비례하는 저항 값의 변화로 정의할 수 있습니다. 일반적으로 볼트당 백만 분의 1(ppm/V) 단위로 측정되며, 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

여기서,

R₁은 기준 전압(V₁)에서의 저항 값(Ω)입니다.

R₂는 테스트 전압(V₂)에서의 저항 값(Ω)입니다.

V₁는 기준 전압입니다.

V₂는 테스트 전압입니다.

VCR은 양수일 수도, 음수일 수도 있는데, 양수 VCR은 저항기에서 전압이 증가함에 따라 저항이 증가한다는 것을, 음수 VCR은 저항이 감소한다는 것을 나타냅니다.

VCR이 200ppm/V ~ 300ppm/V인 일반적인 HV 칩 저항기는 1,000V의 인가 전압 변화에 대해 저항이 20% ~ 30% 변화합니다. VCR이 25ppm/V ~ 50ppm/V인 저항기를 선택하면 동일한 1,000V 변화에서 저항 변화가 2.5% ~ 5%로 감소합니다.

VCR 측정을 위한 표준 테스트 방법은 MIL-STD-202G Method 309를 따릅니다. 이 표준은 전자 부품을 테스트하는 통일된 방법을 설정하여, 최대 지정 작동 전압과 동일한 표준 테스트 전압 및 최대 작동 전압의 10% 기준 전압 레벨을 지정합니다.

VCR을 최소화하는 방법

적절한 설계와 재료를 선택하면 VCR을 최소화할 수 있습니다. 여기서 저항성 재료를 선택할 때 엔지니어링적인 트레이드오프가 필요한데, 저VCR 저항성 재료는 VCR을 개선할 수 있지만 TCR을 증가시켜 온도 안정성을 떨어뜨릴 수 있기 때문입니다. 저항이 낮은 잉크를 선택하면 VCR은 개선되나, 달성할 수 있는 최대 저항이 제한됩니다. 저항성 잉크의 종류와 적용 방법을 신중하게 선택하면 VCR을 최적화할 수 있습니다.

레이저 트리밍도 VCR에 영향을 미칠 수 있습니다. 트리밍되지 않은 저항기는 일반적으로 의도한 값의 5% ~ 20% 이내의 저항 값을 산출합니다. 레이저 트리밍은 저항 값을 더 작은 허용 오차 범위 이내(예: 1% 이내)로 조정하는 데 사용됩니다. 레이저 트리밍 프로세스는 의도하지 않은 국부적인 임피던스 변화를 초래하는 미세 균열을 생성하여 VCR을 저하시킬 수 있는데 이로 인해 VCR가 증가됩니다(그림 1).

그림 1: 레이저 트리밍 후막 칩 저항기의 물리적 효과로 인해 VCR이 저하될 수 있습니다(이미지 출처: Stackpole Electronics Inc.).

레이저 트리밍 사용을 최소화하거나, 레이저 트리밍 형상 및 패키지 크기를 잘 선택하는 방법을 통해서도 이러한 효과를 줄일 수 있습니다. 일반적으로, 패키지가 클수록 VCR이 줄어듭니다.

저VCR 저항기를 사용할 수 있는 응용 분야

저VCR 칩 저항기는 HV 및/또는 높은 저항 값이 필요한 LED 조명, 의료 장치, 시청각 장비 및 통신 시스템의 응용 제품에서 사용될 수 있습니다. 좋은 회로의 예로는 TIA가 있습니다(그림 2). 이 증폭기는 전류 입력을 받아 그에 비례하는 전압을 출력합니다.

그림 2: TIA는 전류 입력을 피드백 저항 값에 비례하는 전압 출력으로 변환합니다(이미지 출처: Art Pini).

TIA의 출력 전압은 입력 전류와 피드백 저항 R_f의 곱과 같습니다.

TIA의 일반적인 용도는 센서 전류 응답이 전압 응답보다 선형적인 특성을 지니는 포토다이오드, 가속도계, 광전자 증배관 튜브 및 이와 유사한 센서와 인터페이스하기 위한 것입니다. 일반적으로 이러한 응용 제품에는 높은 이득, 즉 높은 값의 피드백 저항기가 필요합니다. 저항기의 입력 끝이 접지에 고정되어 있기 때문에, 저항기는 전체 출력 스윙을 보게 됩니다. 아주 많은 경우에서, 전자파 장해(EMI) 또는 기계적 충격 테스트에서와 같이 입력 신호가 펄스화되어 저항기에 큰 전압 변동이 발생합니다.

저항기에 걸리는 전압과 관련된 저항 값의 변화는 증폭기 이득의 변조를 초래합니다. 이 변조는 전압 출력에 제곱 항을 추가합니다. 제곱 항은 출력에서 두 번째 및 기타 고조파 항을 증가시켜, 선형성 및 고조파 왜곡 문제를 일으킵니다. 저항 변화의 양이 크지 않아도 상당한 왜곡 수준을 초래할 수 있습니다.

저VCR 저항기가 사용되는 또 다른 응용 제품은 전압 레벨을 낮추는 데 사용되는 전압 분배기입니다(그림 3).

그림 3: 저VCR 저항은 전압 분배기 회로에 사용되며, 신호의 전압 레벨을 낮추고 일반적으로 전압 입력 정격이 낮은 장치에 높은 전압을 피드백하는 데 사용됩니다(이미지 출처: Art Pini).

전압 분배기는 HV 전원 공급 장치의 출력을 감지하여 전력 컨트롤러에 다시 공급하는 등의 응용 제품에 사용됩니다. 또한 EMI 펄스나 낙뢰와 같은 고주파 신호를 측정 장치에 안전한 수준으로 낮추는 감쇠기로도 사용될 수 있습니다.

거의 모든 응용 제품에서 상위 저항기인 R₁은 하위 저항기인 R₂보다 훨씬 더 높은 값을 가지며, 이 저항기에 걸리는 전압도 더 높습니다. EMI 펄스 측정과 같이 입력 신호가 변화하는 응용 제품에는 저VCR 저항기가 필요합니다. VCR은 입력 전압 레벨에 따라 분배기 출력 감쇠가 달라지므로, 감쇠에 오류가 발생합니다.

입력이 1,000V 피크 감쇠 사인 EMI 펄스라고 가정할 때 R2가 1000Ω, R1이 1MΩ이고 이상적인 저항기라면, 출력은 피크 진폭이 0.999V인 감쇠 사인입니다. 그러나 R1의 VCR이 -200ppm/V이면 입력 전압이 1,000V인 경우 저항은 200kΩ 감소하게 됩니다. 전압 분배기의 감쇠가 줄어들고, 출력의 피크 진폭은 1.25V가 됩니다. 입력 전압이 변함에 따라, 감쇠가 변하면 출력 파형이 왜곡됩니다.

높은 저항기 값과 HV를 다룰 때는 VCR을 반드시 고려해야 합니다.

HV, 저VCR 칩 저항기의 예

Stackpole RVCU 계열의 HV, 저VCR 칩 저항기는 패키지 크기에 따라 800V ~ 3,000V의 전압 범위에서 탁월한 전압 안정성을 제공합니다. 이 계열은 75kΩ ~ 30MΩ 범위에서 0.5% ~ 5%의 저항 허용 오차 범위를 가진 저항기를 제공합니다. 모든 제품은 저항기 값이 3MΩ 미만인 경우 ±25ppm/V, 3MΩ ~ 30MΩ인 경우 50ppm/V의 VCR을 갖습니다. TCR은 모든 패키지에서 100ppm/°C입니다. 자동차 응용 제품을 위한 AEC-Q200을 준수하고 황 함유 방지 ASTM-B-809 테스트를 거쳤습니다.

RVCU 제품군에는 1206(3216미터법), 2010(5025미터법), 2512(6332미터법) 표면 실장 패키지의 저항기가 포함되어 있습니다(그림 4).

그림 4: 표면 실장 칩 저항기 RVCU 계열의 기계적 크기 콜아웃입니다(이미지 출처: Stackpole Electronics Inc.).

패키지 모델 번호는 길이와 폭 크기를 인코딩합니다. 처음 두 숫자는 패키지 길이를 나타내고 마지막 두 숫자는 폭을 나타냅니다. 미국 크기는 1/100인치(in) 단위로, 가장 가까운 정수 값으로 표시됩니다. 미터법 크기는 1/10밀리미터(mm)입니다. 세 패키지 모두 표준 높이가 0.022in. (0.55mm)입니다. 최대 작동 전압 사양은 패키지 크기에 따라 다릅니다.

예를 들어, Stackpole RVCU1206FT1M00은 1206 표면 실장 패키지의 0.33W, 1MΩ, 1% 후막 저항기입니다. 최대 작동 전압 정격은 800V이며 최대 과부하 전압 제한은 1,000V입니다.

약간 더 높은 전력 레벨의 경우, 2010 표면 실장 패키지의 0.5W, 1MΩ 후막 저항기인 RVCU2010FT1M00을 사용할 수 있습니다. 이 저항기의 허용 오차 범위는 1%, 최대 작동 전압은 2,000V, 최대 과부하 정격은 3,000V입니다.

Stackpole RVCU2512FT1M00은 1MΩ, ±1% 박막 칩 저항기로, 정격 전력은 1W입니다.

2512 표면 실장 패키지로 제공됩니다. 이 장치의 작동 전압은 3,000V로 RVCU2010FT1M00보다 높으며 과부하 전압 정격은 4,000V입니다.

결론

HV 및 고저항 회로는 정확성과 안정성을 위해 저VCR 저항기가 필요합니다. Stackpole RVCU 계열 칩 저항기는 25ppm/V ~ 50ppm/V의 낮은 VCR을 제공하며 800V ~ 3000V의 전압에서 탁월한 안정성을 제공하도록 설계되었습니다.