과도 전환 억제기를 사용하여 ESD 보호를 향상시키는 방법

인더스트리 4.0, 산업용 사물 인터넷(IIoT) 및 5G 전화 통신의 확산으로 인해 더 가혹하고 접근하기 어려운 환경에 더 정교한 전자 장치가 배치되고 있습니다. 이로 인해 산업용 로봇, IO-Link 인터페이스, 산업용 센서 및 IIoT 장치, PLC(프로그래밍 가능 논리 컨트롤러) 및 PoE(이더넷을 통한 전력 공급)와 같은 응용 분야에서 정전기 방전(ESD) 및 전기 과부하(EOS) 이벤트로부터의 반복적이고 결정적인 보호를 필요로 하게 됩니다. 이러한 응용 분야는 IEC 61000의 과도 보호 요구 사항을 충족해야 합니다. 과도 전압 억제(TVS) 다이오드는 설계자에게 많은 도움이 되었지만 훨씬 더 결정적이고 선형적이며 콤팩트하고 신뢰할 수 있는 ESD 및 EOS 보호가 필요한 응용 분야가 점점 더 늘어나고 있습니다.

이러한 증가하는 성능 및 폼 팩터 요구 사항을 해결하기 위해, 설계자는 보다 확실한 수준의 성능을 보장할 수 있는 우수한 클램핑, 선형성 및 온도에 대한 안정성을 결합한 과도 전환 억제기(TDS) 장치로 전환할 수 있습니다. TDS 장치는 TVS 다이오드처럼 서지 에너지를 소산시키는 대신 서지 에너지를 접지로 전환합니다. TDS 장치는 에너지를 발산하지 않기 때문에 TVS 대체품에 비해 크기가 작아 솔루션 크기가 작아집니다. 또한 TDS 장치의 클램핑 전압은 TVS 다이오드보다 30% 낮을 수 있으므로 시스템 응력을 줄이고 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

이 기사에서는 TDS 장치가 작동하는 방식과 주요 응용 분야에서 제공하는 이점에 대해 설명합니다. 그런 다음 성공적인 응용을 위한 PC 기판 레이아웃 지침과 함께 Semtech의 다양한 실제 TDS 장치 예를 소개합니다.

TDS 서지 보호 작동 방법

서지 정격 전계 효과 트랜지스터(FET)는 TDS 장치의 기본 보호 소자입니다. EOS 이벤트가 발생하고 과도 전압이 통합 정밀 트리거 회로의 항복 전압(V_BR)을 초과하면 구동 회로가 활성화되어 과도 에너지(I_PP)를 접지로 전도하는 FET가 켜집니다(그림 1).

그림 1: TDS 장치에서 정밀 트리거 회로(왼쪽)는 EOS 이벤트가 감지될 경우 FET 전압 제어 스위치(오른쪽)를 활성화하여 에너지 스파이크(I_PP)를 접지에 직접 연결합니다. (이미지 출처: Semtech)

펄스 전류가 I_PP를 향해 상승하면 FET 온 저항(R_DS(ON))은 몇 밀리옴(mΩ)이 되고 클램핑 전압(V_C)은 트리거 회로의 V_BR과 거의 같은 값입니다. 결과적으로 TDS 장치의 V_C는 I_PP 범위에서 거의 일정합니다. 이는 다음과 같이 지정되는 TVS 장치의 클램핑 동작과는 다릅니다.

여기서 R_dyn은 동적 저항입니다.

TVS 장치에서 R_dyn은 정격 전류 범위에 걸쳐 I_PP가 증가함에 따라 클램핑 전압이 선형적으로 증가하도록 하는 고정 값입니다. TDS 장치의 경우 V_C는 작동 온도 범위와 I_PP 범위에서 안정적이므로 결정적 EOS 보호를 제공합니다(그림 2).

그림 2: 클램핑 전압은 TDS2211P(실선)와 같은 TDS 장치에 대해 온도 및 I_pp에 걸쳐 일정하므로 결정적인 EOS 보호를 제공합니다. (이미지 출처: Semtech)

TDS 장치의 상대적으로 낮은 V_C는 보호된 부품에 대한 응력을 낮추고 안정성을 향상시킵니다(그림 3).

그림 3: TDS 장치(녹색 트레이스)의 낮은 V_C(여기에서는 VClamp로 표시됨)는 보호된 부품에 대한 응력을 줄여 신뢰성을 향상시킵니다. (이미지 출처: Semtech)

TDS 장치 성능은 ESD 내성에 대한 IEC 61000-4-2, 버스트/EFT(전기적 급속 과도) 내성에 대한 IEC 61000-4-4, 서지 내성에 대한 IEC 61000-4-5의 요구 사항을 충족하는 시스템 설계를 지원합니다. 따라서 TDS 장치는 열악한 환경의 다양한 응용 분야에서 사용하기에 적합합니다. 다음 섹션에서는 부하 스위치 보호를 위한 22V TDS 장치, IO-Link 트랜시버 보호에 적합한 33V TDS 장치 및 PoE 설치를 보호하는 데 사용할 수 있는 58V TDS 장치를 포함한 TDS 응용 제품의 예를 보여줍니다.

부하 스위치 보호

산업 장비, 로봇 공학, 원격 측정기, USB PD(전력 전달) 및 IIoT 장치의 부하 스위치 및 전자 퓨즈 입력은 22V TDS2211P를 사용하여 EOS 이벤트로부터 보호할 수 있습니다. 이 TDS 장치의 EOS 보호 등급은 다음과 같습니다.

• ESD 내전압 정격: ±30kV(접촉 및 공기) - IEC 61000-4-2 준수
• 피크 펄스 전류 정격: 40A(t_p = 8/20마이크로초(μs))의 피크 펄스 전류 정격 - IEC 61000-4-5 준수 및 ±1kV(t_p = 1.2/50μs, 션트 저항(R_S) = 42Ω) - 비대칭 회선에 대한 IEC 61000-4-5 준수
• EFT 내전압: ±4kV(100kHz 및 5kHz, 5/50ns) - IEC 61000-4-4 준수

이 구성에서 TDS2211P를 사용하면 낙뢰, ESD 및 기타 EOS 이벤트로부터 다운스트림 부품을 보호하고 V_C를 부하 스위치에서 스위칭 FET의 손상 임계값 미만으로 유지합니다(그림 4).

그림 4: TDS2211P를 사용하면 낙뢰, ESD 및 기타 EOS 이벤트로부터 부하 스위치(HS2950P) 및 다운스트림 부품을 보호할 수 있습니다. (이미지 출처: Semtech)

IO-Link 보호

산업 환경에서 발생하는 일반적인 ESD 및 EOS 위험 외에도 IO-Link 트랜시버는 IO-Link 마스터 장치에 연결하거나 분리할 때 수천 볼트의 전압 스파이크를 경험할 수 있습니다. 일반적으로 IO-Link 트랜시버를 보호하는 데 사용되는 TVS 다이오드는 향상된 보호를 위해 TDS 장치로 보완될 수 있습니다. 일반적인 회로 보호 응용 장치에는 입력 공급 장치의 최소 115% 정격 장치가 사용되므로, IO-Link와 같은 24V 응용 제품의 경우 TDS3311P TDS와 같은 33V 보호 장치가 적합합니다. TDS3311P의 주요 사양에는 다음이 포함됩니다.

• ESD 내전압: ±30kV(접촉 및 공기) - IEC 61000-4-2 준수
• 피크 펄스 전류: 35A(t_p = 8/20μs), 1kV(t_p = 1.2/50μs, R_S = 42Ω) - 비대칭 회선에 대한 IEC 61000-4-5 준수
• 버스트 EFT 내성에 대해 IEC 61000-4-4 충족

서로 약간 다른 보호 방식을 요구하는 두 가지 일반적인 IO-Link 포트 구성인 3핀 및 4핀이 있습니다. 두 경우 모두에서 TDS 장치는 역극성 보호를 위해 V_BUS(L+(24V))에서 µClamp3671P TVS 다이오드로 보완할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 3핀 IO-Link 포트(상단) 및 4핀 IO-Link 포트(하단)에 대해 TDS 장치(녹색 직사각형)를 사용한 ESD 보호 비교. (이미지 출처: Semtech)

3핀 구현의 경우 3개의 TDS 장치가 필요합니다. 원하는 경우, 서로 마주보는 두 개의 TDS3311P로 양방향 보호를 제공할 수 있습니다. 4핀 구성을 사용하는 경우, IO-Link 포트의 4개 핀 모두가 양의 서지 및 음의 서지 모두를 견뎌야 합니다. IO-Link 트랜시버의 서지 보호 성능을 확인하기 위한 테스트는 커넥터의 모든 핀 쌍 간에 필요하며 ESD의 경우 IEC 61000-4-2, 버스트/EFT의 경우 IEC 61000-4-4, 서지의 경우 IEC 61000-4-5에서 요구하는 수준으로 수행되어야 합니다.

PoE 보호

PoE 보호 방식은 EOS 이벤트가 공통 모드(접지) 또는 차동(회선 대 회선)일 수 있는 가능성을 고려해야 합니다. PoE는 48V 전력을 제공하므로, 58V TDS 장치는(예: TDS5801P) RJ-45 커넥터 측에서 EOS 보호를 제공하는 데 사용할 수 있습니다. TDS5801P 사양에는 다음이 포함됩니다.

• ESD 내전압: ±15kV(접촉) 및 ±20kV(공기) - IEC 61000-4-2 준수
• 피크 펄스 전류 성능: 20A(t_p = 8/20μs), 1kV(t_p = 1.2/50μs, R_S = 42Ω) - IEC 61000-4-5 준수
• EFT 내전압: ±4kV(100kHz 및 5kHz, 5/50ns) - IEC 61000-4-4 준수

PoE 시스템의 전력은 변압기의 중앙 탭 연결을 사용하여 제공됩니다. PD(RJ-45) 측은 모드 A(데이터 쌍 1과 2 및 3과 6을 사용하여 전력 제공) 및 모드 B(핀 4와 5 및 핀 7과 8을 사용하여 전력 제공)를 모두 보호해야 하므로, 중앙 탭 연결에서 양방향 보호를 제공하려면 두 쌍의 TDS5801P가 필요합니다(그림 6).

그림 6: 백 투 백 TDS 장치(녹색, TDS5801P)는 PoE 시스템에서 EOS 이벤트로부터의 양방향 보호를 제공합니다. (이미지 출처: Semtech)

변압기에 의해 공통 모드 분리가 제공되지만 차동 서지로부터의 보호를 제공하지는 못합니다. 차동 EOS 이벤트 동안 회선 측의 변압기 권선이 충전되며, 서지가 끝나거나 변압기가 포화될 때까지 에너지가 2차 측으로 전달됩니다. PD 측의 TDS 장치는 차동 EOS 이벤트로부터 보호하기 위해 변압기의 이더넷 물리층(PHY) 측에 위치한 4개의 RClamp3361P ESD 보호 장치로 보완될 수 있습니다.

TDS 장치

SurgeSwitch TDS 장치는 설계자에게 22V(TDS2211P), 30V(TDS3011P), 33V(TDS3311P), 40V(TDS4001P), 45V(TDS4501P) 및 58V(TDS5801P)를 포함한 작동 전압 선택을 제공합니다(표 1). 이러한 장치는 열악한 5G 전화 및 산업 환경에서 작동하는 시스템에서 사용하기 위한 IEC 61000 요구 사항을 충족합니다.

표 1: SurgeSwitch 장치는 다양한 응용 요구 사항을 위한 22V ~ 58V 전압 정격으로 제공됩니다. (이미지 출처: Semtech)

TDS 장치는 비소산성이며 낮은 임피던스 경로를 통해 접지로 직접 서지 에너지를 전환하기 때문에 소형 1.6mm x 1.6mm x 0.55mm 패키지에 수용할 수 있으므로, 다른 서지 보호 장치를 수용하는 데 흔히 사용되는 SMA 및 SMB 패키지에 비해 기판 공간을 상당히 절약할 수 있습니다. 6핀 DFN 패키지에는 3개의 입력 핀과 서지 에너지를 접지로 전환하기 위한 3개 핀이 포함되어 있습니다(그림 7).

그림 7: TDS 장치는 6개 리드를 가진 1.6mm x 1.6mm x 0.55mm 크기의 DFN 패키지로 제공됩니다(오른쪽). 핀 1, 2, 3은 접지로 연결되고 핀 4, 5, 6은 EOS/ESD 보호 입력입니다. (이미지 출처: Semtech)

기판 레이아웃 지침

SurgeSwitch TDS 장치를 PC 기판에 배치할 경우 최대 서지 전류 성능을 위해 모든 접지 핀(1, 2, 3)과 모든 입력 핀(4, 5, 6)이 단일 트레이스에 연결되어야 합니다. 접지가 PC 기판의 다른 층에 있는 경우 접지면과 연결하는 데 여러 비아를 사용하는 것이 좋습니다(그림 8). 이러한 PC 기판 레이아웃 지침을 따르면 기생 유도 용량을 최소화하고 장치 성능을 최적화할 수 있습니다. 또한 SurgeSwitch TDS 장치는 보호할 커넥터 또는 장치에 최대한 가깝게 배치해야 합니다. 이는 인접 트레이스에 대한 과도 에너지의 결합을 최소화하고 빠른 상승 시간 EOS 이벤트에서 특히 중요합니다. TDS 장치는 에너지를 발산하지 않으므로 열 에너지를 전도하기 위해 장치 아래에 열 패드가 필요하지 않습니다.

그림 8: 최적의 성능을 위해 접지면이 TDS 장치와 다른 PC 기판층에 있을 경우 여러 개의 비아로 연결하는 것이 좋습니다. (이미지 출처: Semtech)

결론

열악한 환경에서 작동하는 산업 및 5G 전화 통신 장비 설계자는 TDS 장치를 사용하여 ESD 및 EOS 이벤트로부터 안정적이고 결정적인 보호를 제공할 수 있습니다. TDS 장치의 상대적으로 낮은 V_C는 부품 응력을 낮춰 시스템 신뢰성을 향상시킵니다. 이 장치는 IEC 61000의 과도 보호 요구 사항을 충족하며 특정 응용 분야의 요구 사항에 맞게 22V ~ 58V의 전압 범위에서 사용할 수 있습니다. 이 장치의 콤팩트한 크기는 전체 솔루션 크기를 줄이는 데 도움이 되지만 설계자는 TDS 장치의 최대 성능을 실현하기 위해 몇 가지 간단한 PC 기판 레이아웃 요구 사항을 준수해야 합니다.

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