전압 및 전류 과도 상태로부터 기가비트 이더넷을 보호하기 위해 TVS 다이오드를 디자인인(Design-In)하는 방법

기가비트 이더넷(GbE)은 가정, 상업, 산업 부지에 걸쳐 광범위하게 사용되는 견고한 고속 통신 시스템입니다. 그러나, 이더넷 시스템은 특히 연결이 건물 외부로 넘어가는 경우 문제점을 드러냅니다. 확장된 라인은 예기치 않은 고수준 과도 전압 및 전류에 영향을 받을 수 있으며 전자기 방전(ESD)의 위험은 계속적으로 존재합니다.

GbE 물리층(PHY)에는 절연 변압기와 같이 어느 정도의 보호를 제공하는 일부 부품이 포함되어 있습니다. 그러나 내장된 과도 전압 완화 기능만으로는 모든 상황에서 보호를 제공할 수 없습니다.

과도 전압 억제(TVS) 다이오드는 GbE와 같은 공간 및 비용 제약적 응용 분야에서 입증된 견고한 저가 회로 보호 장치입니다. 정상적인 작동에서 장치는 투명하게 보입니다. 그러나 이 장치는 최대 40A(암페어)의 서지 전류와 최대 30kV(킬로볼트)의 ESD로부터 여러 통신 채널을 보호하고 고속 신호 무결성을 보장하기 위해 정상 사용 시 낮은 부하 정전 용량을 유지해야 합니다.

이 기사에서는 GbE 고전압 과도 및 ESD 보호로 인해 발생하는 설계 문제를 설명하고 에너지 억제에 필요한 TVS 다이오드의 고유 특성에 대해 고려해 봅니다. 그런 다음 문제에 대한 몇 가지 상업용 솔루션을 설명하고, IEC 61000-4-2, -4, -5와 같은 표준에 따른 과도 보호를 위해 선택한 장치를 시스템 내에 설계하는 방법을 소개합니다.

과도 전압 효과로 나타나는 위험

GbE는 무선 고속 통신 시스템입니다. 구리 연결은 '0' 및 '1'을 나타내는 차동 신호를 전달하여 디지털 신호 스트림을 형성합니다. 그러나, 구리선은 실리콘 회로 소자에 손상을 줄 수 있는 높은 과도 전압 및 ESD 발생에 대한 완벽한 이 메커니즘이기도 합니다(그림 1).

그림 1: 보호 기능이 없는 경우 GbE PHY는 높은 과도 전압 및 ESD에 의해 파괴될 수 있습니다. (이미지 출처: Semtech)

GbE PHY의 설계에는 절연 변압기를 통한 어느 정도의 보호가 포함됩니다. GbE 사양(IEEE 802.3)은 2.1kV의 최소 분리 정격을 요구합니다. 대부분의 상업용 변압기는 4kV ~ 8kV 분리를 제공합니다. 또한 GbE 인터페이스에는 일반적으로 ESD 스파이크를 줄이기 위해 고주파 AC를 차단하는 데 사용되는 인덕터인 공통 모드 초크(CMC)가 포함됩니다. 최종 보호 수준은 'Bob Smith' 종단으로 제공됩니다. 이 종단은 75옴(Ω) 저항기를 사용하여 커패시터를 통해 집합적으로 접지에 연결된 신호 쌍에 대한 공통 모드 임피던스 정합을 구현합니다. 이러한 종단은 나중에 설명되는 공통 모드 방출을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다(그림 2).

그림 2: GbE 물리층에는 과도 전압에 대한 일부 내장 보호 포함합니다(예: 절연 변압기, 공통 모드 초크, 저항기 종단 회로). (이미지 출처: Semtech)

포괄적인 보호를 위해 단순히 GbE PHY 절연 변압기, CMC, 종단 회로에 의존하는 것은 위험합니다. 이러한 부품은 일부 과도 전압 완화를 제공하지만 포트가 손상될 수 있는 여러 상황이 있습니다.

GbE 과도 전압 동작 범위는 사실상 공통 또는 차동 모드로 분류될 수 있습니다. 공통 모드 전압 과도 상태 동안, 모든 GbE PHY 컨덕터는 접지와 관련하여 동일한 전압으로 순간 상승합니다. 모든 컨덕터가 동일한 전위에 있기 때문에 컨덕터 간에 전류 전달이 없습니다. 대신, 전류가 접지로 흐릅니다. 전류 흐름에 대한 공통 경로는 컨덕터부터 시작하여 변압기 중앙 탭을 통하거나 종단 회로를 통해 접지에 이릅니다(그림 3).

그림 3: 높은 과도 전압 공통 모드 전류는 RJ-45 커넥터에서 시작하여 절연 변압기 중앙 탭을 통해 접지로 흐릅니다. (이미지 출처: Semtech)

차동 모드 서지는 다릅니다. 전류가 차동 쌍의 한 신호 라인에 있는 GbE 포트로 흘러 들어가 변압기를 통해 다른 신호 라인의 포트로 다시 나옵니다. 변압기의 1차 권선을 통해 흐르는 과도 전류는 2차 권선의 전류 서지를 유도합니다. 서지가 제거되면 변압기에 저장된 에너지가 취약한 GbE PHY가 있는 위치로 전달됩니다. 이 전달 에너지는 작게는 데이터 손실 및 결함을 초래하고 크게는 영구적인 손상을 초래합니다(그림 4).

그림 4: 차동 모드 서지는 절연 변압기에서 민감한 전자 회로에 손상을 줄 수 있는 전류를 유도합니다. (이미지 출처: Semtech)

그림 4는 손상을 줄 수 있는 전압에 GbE PHY를 노출시키는 차동 모드 서지가 가장 위험한 요소임을 보여줍니다. 이러한 서지로부터 보호하기 위해 절연 변압기의 2차측에 추가적인 보호가 필요합니다.

서지 보호를 위한 TVS 다이오드 사용

GbE PHY 보호는 대형 과도 에너지 펄스를 분리, 차단 또는 억제할 수 있는 장치를 필요로 합니다. 추가 변압기는 이더넷 전자 부품을 완전히 분리할 수 있지만 부피가 크며 비용이 많이 들 수 있습니다. 퓨즈는 저렴한 차단 방법이지만 트립이 발생한 후마다 재설정하거나 교체해야 합니다. TVS 다이오드는 좋은 절충안입니다. 피크 과도 전압을 안전한 수준으로 효과적으로 억제하지만 재설정이 필요하지 않고 크기가 콤팩트하며 가격이 합리적입니다.

구조적으로 TVS 다이오드는 높은 과도 전류 및 전압을 흡수하도록 대형 접합 단면으로 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)(그림 5).

그림 5: TVS 다이오드는 임계 레벨보다 높은 과도 전압에 대해 접지에 대한 저임피던스 경로를 제공합니다. 결과적으로 보호 회로에는 안전한 전압만 적용됩니다. (이미지 출처: Semtech)

정상 작동 동안 TVS 다이오드는 작동 전압(V_RWM)까지의 전압에 대해 회로에 대한 고임피던스를 제공합니다. 장치 단자의 전압이 항복 전압(V_BR)을 초과하는 경우 다이오드의 접합에서 애벌런치 항복이 발생하여 저임피던스 온 상태로 '스냅 백' 또는 전환됩니다. 그러면 과도 피크 펄스 전류(I_PP)가 장치에 흐름에 따라 전압이 클램프 레벨(V_C)로 낮아집니다. 보호 회로에 적용되는 최대 전압은 V_C와 같으며 대개 일반적인 수준입니다. 전류가 유지 전류(I_H) 아래로 감소하면 TVS 다이오드가 고임피던스 오프 상태로 되돌아갑니다(그림 6 및 표 1).

그림 6: TVS 다이오드 작동 특성. 항복 전압에서 부품은 저임피던스 온 상태로 전환되고 과도 피크 전류가 통과하면 전압이 안전한 클램프 수준으로 감소됩니다. (이미지 출처: Semtech)

표 1: 그림 6에 대한 파리미터 정의 (표 출처: Semtech)

유수 제조업체의 TVS 다이오드는 IEC 61000-4-2(ESD), IEC 61000-4-4(EFT), IEC 61000-4-5(번개)와 같은 문서에 자세히 설명된 엄격한 내성 표준을 충족하면서 인터페이스를 보호하도록 설계되었습니다. .

서지 내성에 대한 테스트 방법을 지정하는 IEC 61000-4-5는 TVS 다이오드의 기능을 결정하는 데 사용되는 일반 서지 파형을 자세히 규정합니다. 파형은 간접 조명 발생을 시뮬레이션하며 8µs(8마이크로초) 내에 피크 전류 값(tp)의 90%에 도달하고 20µs 내에 피크 값의 50%로 감소합니다. 규격서에서는 종종 이를 '8/20µs 파형'이라고 하며 보호 장치가 견딜 수 있는 파형의 최대 피크 펄스 전류(I_PP)에 대한 세부 정보를 제공합니다. 또한 일반적으로 1.2/50µs의 간접 조명 발생(1.2µs 내에 피크 전압에 도달하고 50µs 내에 피크 값의 50%로 감소하는 과도 서지)으로 초래되는 관련 전압 서지 파형에 대한 제품의 응답을 자세히 설명합니다.

TVS 다이오드의 다른 주요 보호 특성은 'ESD 내전압'입니다. 이 전압은 보호 장치가 손상 없이 견딜 수 있는 최대 정전기 방전 전압이며 대개 수십 kV 정도입니다.

GbE PHY 보호를 위한 TVS 다이오드

GbE에 추가적으로, HDMI, USB Type-C, RS-485, DisplayPort를 비롯한 다양한 인터페이스 보호에 TVS 다이오드를 사용할 수 있습니다. 그러나 이러한 인터페이스 각각은 미세하게 다른 보호 수준을 요구합니다. 따라서 특정 응용 분야에 맞게 TVS 다이오드를 설계해야 합니다.

예를 들어 Semtech은 GbE 인터페이스 보호를 목표로 하는 다양한 TVS 다이오드를 제조합니다. Semtech에 따르면 이 장치는 다른 실리콘 애벌랜치 다이오드 공정에 비해 누설 전류 및 정전 용량이 감소하는 공정 기술을 사용하여 제조됩니다. 이 제품 범위의 추가적인 이점은 에너지 절약을 위해 버전에 따라 3.3V ~ 5V의 낮은 작동 전압을 제공한다는 것입니다.

예를 들어, RailClamp 계열에는 2.5GbE 인터페이스 보호에 적합한 RCLAMP0512TQTCT가 포함됩니다. 이 장치는 20A의 I_PP(tp = 8/20µs 및 1.2/50µs) 및 170W의 피크 펄스 전력(P_PK)을 제공합니다. ESD 내전압은 +/-30kV입니다. V_BR은 9.2V(통상)이고 I_H는 150mA(통상)이며 V_C는 5V(통상) 및 8.5V(최대)입니다(그림 7).

그림 7: RCLAMP0512TQTCT의 클램핑 전압 특성 그래프(1.2/50µs 전압 및 8/20µs 전류 서지 피크(20A 기준) 적용 시). 짧은 피크 이후, 클램핑 전압이 5V 미만으로 안정화되어 GbE PHY를 보호합니다. (이미지 출처: Semtech)

RCLAMP0512TQ는 1.0mm x 0.6mm x 0.4mm 크기의 3핀 SGP1006N3T 패키지로 제공되는 콤팩트 장치입니다.

Semtech RailClamp 계열에는 더 위험할 수 있는 상황에서 사용되는 1GbE 응용 제품에 대해 더 강력한 보호 기능을 제공하는 다른 제품이 있습니다. 예를 들어 RCLAMP3374N.TCT는 40A의 I_PP(tp = 8/20µs 및 1.2/50µs) 및 1kW의 P_PK를 제공합니다. ESD 내전압은 +/-30kV입니다. V_C는 25V(최대)입니다(I_PP = 40A인 경우). 부품 크기는 3.0mm x 2.0mm x 0.60mm입니다.

RailClamp 범주의 중간 범위 장치는 RCLAMP3354S.TCT입니다. 이 장치는 1GbE 보호에 적합하며 25A의 I_PP(tp = 8/20µs 및 1.2/50µs) 및 400W의 P_PK를 제공합니다. ESD 내전압은 +/-30kV입니다. V_C는 16V(최대)입니다(I_PP = 25A인 경우).

TVS 다이오드 보호 설계

그림 8은 RCLAMP0512TQTCT를 사용하는 GbE PHY 보호 방식을 보여줍니다. 이 장치는 차동 모드 서지로부터 보호하기 위해 변압기의 PHY 측에 위치하며 각 이더넷 회선 쌍에 하나의 장치가 배치됩니다. 이더넷 차동 은 핀 1 및 2(핀 3이 연결되지 않은 상태)의 각 TVS 다이오드 부품을 통해 라우팅됩니다.

그림 8: TVS 다이오드 보호 부품은 변압기의 이더넷 PHY 측에 배치됩니다(각 차동 회선 쌍의 맞은 편에, 가능한 PHY 자기에 가깝게). (이미지 출처: Semtech)

엔지니어는 보호 부품을 물리적으로 이더넷 PHY 자기에 가능한 가깝게 배치하여 보호 경로에서 기생 유도 용량을 제한해야 하며 인쇄 회로 기판(PC 기판)의 동일한 측면에 있는 것이 좋습니다. 또한 마이크로비아를 사용하여 PC 기판 접지면에 직접 접지 연결을 만드는 경우에도 도움이 됩니다.

기생 유도 용량의 감소는 빠른 상승 시간 과도 현상을 억제하는 데 특히 중요합니다. 보호 장치의 경로에 있는 유도 용량은 보호 장치가 노출되는 V_C를 증가시킵니다. V_C는 경로 유도 용량에 서지 동안의 전류 변화율을 곱한 값에 비례합니다. 예를 들어 단 1nH(나노헨리)의 경로 유도 용량도 1ns 상승 시간의 30A ESD 펄스에 대해 피크 V_C를 30V 증가시킬 수 있습니다.

예상되는 서지를 고장 없이 견디려면 선별된 이더넷 변압기가 필요합니다. 일반적인 이더넷 변압기는 고장이 발생하기 전에 수백 암페어(tp = 8/20µs)를 견딜 수 있지만 이는 테스트를 통해 검증되어야 합니다. 또는, 변압기의 서지 내성이 의심되는 경우 변압기의 라인 측에 보호 부품을 배치할 수 있습니다. 단점은 변압기에서 제공되는 추가 보호 기능이 손실되며 높은 에너지 서지를 견디는 GbE 시스템의 기능이 보호 장치의 기능으로만 제한된다는 것입니다.

결론

GbE는 안정적이고 광범위한 고속 통신 시스템이지만 컨덕터를 사용하는 모든 시스템은 번개 및 ESD와 같은 현상으로 인해 에너지 과도 상태의 영향을 받을 수 있습니다. 이러한 서지는 GbE 포트의 변압기, CMC, 종단 회로에 의해 어느 정도 완화되지만 차동 모드 서지는 이 억제를 우회하여 이더넷 PHY를 손상시킬 수 있습니다. 중요 시스템의 경우 추가 보호가 권장됩니다.

TVS 다이오드는 피크 과도 전압을 안전한 수준으로 효과적으로 억제하고 재설정이 필요하지 않으며 크기가 작고 중간 가격이므로 좋은 옵션이 됩니다. 피크 전류 보호를 포함하여 광범위한 기능으로 제공되므로 보호 부품을 응용 제품에 맞게 신중하게 일치시키는 것이 좋습니다. 또한 지정된 TVS 다이오드의 보호를 최대화하기 위해 위치 및 접지와 같은 우수한 설계 지침을 준수하는 것이 좋습니다.