최소한의 공간에서 최대한의 전압 서지 억제를 위해 IsoMOV를 선택하고 적용하는 방법

전자 장치가 확산되고 사용자 안전을 관리하는 규정이 발전함에 따라 설계자는 비용과 기판 공간을 최소화하면서 장치 보호를 강화할 수 있는 옵션을 찾고 있습니다. 문제는 회로 보호가 보험과 매우 유사하다는 것입니다. 필요하기 전까지는 불필요한 비용처럼 보일 수 있기 때문입니다. 이러한 보호는 내부 및 외부 단락, 과전류, 전압 서지 상황을 비롯한 다양한 내부 및 외부 이상 및 고장 시에 필요합니다. 이러한 상황은 시스템을 일시적으로 또는 영구적으로 비활성화할 수 있습니다. 시스템, 내부 부품 또는 부하를 손상시키고 사용자에게 피해를 줄 수도 있습니다.

모든 결함과 상황에 적용되는 단일 보호 솔루션은 없습니다. 예를 들어, 과전압 보호(OVP)를 구현할 때 가스 방전관(GDT)과 같은 크로바는 일반적으로 장기적인 오류에 더 적합하지만 MOV(금속 산화물 배리스터)와 같은 클램프는 일시적인 이벤트에 더 적합합니다. 그러나 GDT는 '홀드오버 전류'로 인한 어려움이 있으며, MOV는 영구적으로 고장날 수 있고 열 폭주로 인해 위험할 정도로 높은 온도에 도달할 수 있습니다. 하이브리드 접근 방식에서 직렬로 연결된 두 부품을 모두 사용하면 잠재적인 문제를 보완할 수 있지만 이 접근 방식은 기판 레이아웃을 복잡하게 만들고 비용을 더합니다. 이러한 상호절충을 없애려면 설계를 개선해야 합니다.

이 기사에서는 OVP 보호의 중요성과 이를 달성하기 위한 다양한 접근 방식에 대해 설명합니다. 그런 다음 GDT와 MOV의 장점을 단일 장치에 결합하여 수명이 길고 홀드오버 전류가 없는 IsoMOV 기술을 소개합니다. 그런 다음 Bourns Inc.의 예시 장치를 소개하고 장치의 두드러진 특성을 설명하며 효과적이고 효율적이며 저렴한 보호를 위해 장치를 선택 및 사용하는 방법을 보여줍니다.

보호에 대한 다양한 관점

회로 및 시스템 보호를 위한 '만능' 솔루션은 없습니다. 여기에는 두 가지 이유가 있습니다. 첫째, 보호가 필요한 많은 유형의 오류 및 발생이 있습니다. 둘째, 결함 상태의 크기와 지속 시간은 필요한 보호 유형과 견고성을 결정합니다.

많은 일반적인 오류 상황은 다음과 같습니다.

• 과전류 - 외부 오류, 단락 또는 내부 부품 오류(절연 오류 포함)로 인해 부하가 너무 많은 전류를 소비하는 경우
• 과전압 - 잘못된 연결로 인해 시스템의 일부가 과도한 전압으로 응력을 받는 경우
• 열 - 잘못된 설계, 부적절한 열 관리 또는 과도한 주변 열로 인해 부품이 과열되는 경우
• 부품 오류 - 내부 부품의 고장이 다른 부품 또는 부하를 손상시키는 과전류/과전압 상황으로 이어지는 경우

또한 결함은 사용자에게 쇼크 위험을 초래할 수 있으므로 시스템에 영향을 미치거나 손상을 입히는 것 이상의 결과를 낳는 경우가 많습니다.

서지 보호용 지렛대 및 클램프

AC 및 DC 회로 모두에서 가장 어려운 오류 조건 중 하나는 임시 과전압(TOV) 이벤트라고 하는 과전압 서지입니다. 이 짧은 펄스 또는 스파이크는 종종 전기 장비 및 민감한 전자 장치에 유해한 과도 현상을 주입하는 근처의 낙뢰 또는 전기 스위칭으로 인해 발생합니다.

과전압 및 TOV 이벤트를 처리하기 위해 크로바와 클램프라는 두 가지 광범위한 종류의 서지 보호 장치(SPD)가 사용됩니다. (이러한 용어는 때때로 '일상적인' 토론에서 같은 의미로 사용되지만 동일하지는 않습니다.)

간단히 말해서, 크로바는 보호되는 라인 전체에서 단락이 되어 서지와 전류를 접지로 전환하여 회로에 도달하는 것을 방지합니다(그림 1). 과전압 상황이 발생하면 크로바가 이 저임피던스 모드로 전환됩니다.

흥미롭게도, '크로바'라는 용어는 과전압 상황이 발생했을 때 전력 및 접지 버스 바를 가로질러 실제 금속 크로바를 던졌던 초창기 산업 노동자의 행동에서 비롯된 것으로 추정됩니다.

그림 1: 크로바 보호 기능이 트리거되면 보호하는 라인과 접지 사이의 저임피던스 경로가 되어 과전압 서지를 접지로 전환합니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

크로바는 전류가 '유지 전류' 아래로 감소할 때까지 저임피던스 모드를 유지하고, '유지 전류' 아래로 떨어지면 고임피던스 정상 작동 상태로 돌아갑니다. 공급 장치가 과전압 상태에 있는 시간 동안 이를 통해 흐르는 전류를 처리할 수 있어야 합니다.

대조적으로, 클램프는 전압이 사전 설정된 수준을 초과하는 것을 방지합니다(그림 2). 과도 전압이 클램핑 장치가 정격화된 제한 레벨에 도달하면 오류가 사라질 때까지 전압을 클램핑하고 이때 라인이 정상 작동 모드로 돌아갑니다. 정격 클램핑 전압이 정상 작동 전압보다 높은 것이 중요합니다.

그림 2: 크로바와 달리 클램프는 과전압 서지를 사전 정의된 값으로 제한합니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

클램프는 과도 상태가 클램프의 전도 전압보다 높은 경우 전압을 원하는 안전 값으로 유지하기에 충분한 전류를 전도합니다. 이 전류는 작지만 해결해야 하고 추가 보호가 필요할 수 있는 몇 가지 안전 관련 문제로 이어질 수 있습니다. 이 문제는 아래에서 자세히 설명합니다. 일반적으로 비교적 짧은 과도 현상인 특정 시간 동안 소멸해야 하는 전력에 대해 정격을 지정해야 합니다.

OVP 함수 구현

크로바와 클램프는 중요한 보호 장치이므로 간단하고 안정적이며 잘 이해되고 일관된 성능 속성을 갖는 것이 중요합니다. 이런 면에서, 추가 보호 레이어로 자주 사용되는 고전적 과전류 보호 부품인 열 활성화 퓨즈와 같은 역할을 수행합니다.

크로바 장치: 가장 일반적인 크로바 장치는 GDT로, 불활성 가스로 채워진 밀폐형 하우징에 신중하게 구성되고 규모가 지정된 스파크 갭입니다. 정상 작동에서는 TOV 이벤트가 발생하기 전에 거의 무한대에 가까운 저항처럼 보입니다(그림 3). 그러나 과전압 서지가 발생하고 GDT 설계 전압을 초과하면 가스가 이온화되고 튜브가 스파크 갭처럼 '번쩍'이며 높은 임피던스에서 매우 낮은 임피던스로 전환됩니다. 이러한 변화는 오류가 소멸될 때까지 일시적으로 라인을 단락시킵니다.

그림 3: GDT는 단자 양단의 전압이 설계 값을 초과할 때만 전도되는 정교한 스파크 갭 장치입니다. 그때까지는 거의 완벽한 개방 회로처럼 보입니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

GDT는 일반적으로 DC 회로, 통신 회로 및 신호 회로에 사용되며 모두 일반적으로 1A 이하의 상당히 낮은 전류입니다. 영화에서 볼 수 있는 극적인 GDT와 달리 낮은 수준의 서지에 대한 GDT는 PC 기판에 실장 가능한 작은 매입형 부품이며 플래시오버 스파크는 보이지 않습니다. 더 작은 GDT는 75볼트 ~ 600볼트의 정격으로 제공됩니다. 더 큰 GDT는 수천 볼트의 정격으로 제공됩니다. GDT의 한 가지 문제는 오류가 소멸된 후에도 계속 흐르는 전류인 후속 전류(홀드오버 전류라고도 함)입니다.

클램핑 장치: 클램핑에 가장 널리 사용되는 두 가지 옵션은 PTVS(전력 과도 전압 억제기) 다이오드와 MOV(금속 산화물 배리스터)이며, 둘 모두 AC 및 DC 회로, 모터, 통신 라인 및 감지 회로의 고전류 보호에 사용됩니다(그림 4). MOV는 수십에서 천 볼트 이상의 정격 전압으로 제공됩니다.

그림 4: 금속 산화물 배리스터(및 전력 과도 전압 억제기)는 광범위한 설계 범위를 포괄하는 클램핑 전압을 제공합니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

MOV는 일반적으로 공칭 임계 전압보다 훨씬 낮은 전압을 인가하더라도 소량의 누설 전류를 전도합니다. MOV가 정격을 초과하는 전압 서지에 영향을 받는 경우 영구적인 손상이 발생하여 누설 전류가 증가할 수 있습니다. 이 전류는 일반적으로 몇 밀리암페어에 불과하지만 경우에 따라 감전 위험이 발생할 수 있습니다.

또한 이 누설 전류가 충분히 높아지면 MOV 내부에서 자기 발열이 발생합니다. MOV가 AC 주전원을 가로질러 연속적으로 연결되면 이 자체 발열로 인해 포지티브 피드백이 생성될 수 있으며, 여기서 누설 전류가 증가하면 자체 발열이 증가하여 결과적으로 더 높은 누설 전류가 발생합니다. 후속 서지는 이 주기를 더욱 가속화할 수 있습니다

어느 시점에서 MOV는 상당한 열을 발생시키고 MOV를 파괴하는 열 폭주 모드로 전환됩니다. 경우에 따라 MOV에 의해 생성된 열이 잠재적인 발화원(PIS)이 되어 주변 재료에 불이 붙을 수 있습니다. 이 영향은 기본 안전 및 안전 관련 표준에 대해 고려되고 처리되어야 합니다.

더 나은 OVP 솔루션

누설 전류가 거의 없어 작동 수명이 더 긴 OVP 솔루션을 제공하기 위해 설계자는 종종 이중 부품 배열을 사용합니다. 이 하이브리드 접근 방식은 직렬 연결된 GDT 및 MOV(그림 5)와 결합된 전압 대 시간 곡선(그림 6)이라는 두 개의 개별 장치를 결합합니다.

그림 5: GDT와 MOV를 직렬로 연결하는 하이브리드 접근 방식은 보다 효과적인 OVP 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

그림 6: 하이브리드 GDT + MOV 배열의 응답 대 시간은 각 장치의 기본 응답 속성을 결합하는 방법을 보여줍니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

이는 각 장치가 다른 장치의 가능한 단점을 보완하도록 하는 효과적인 방법입니다. 그러나 이 접근 방식에는 다음과 같은 비용이 요구됩니다.

• 더 많은 회로 기판 공간이 필요합니다.
• BOM(자재 명세서)에 다른 부품이 추가됩니다.

또 다른 문제는 MOV 및 GDT 영역의 회로 기판 레이아웃이 다음과 같이 최소 연면거리 및 공간거리를 정의하는 규제 기반 요구 사항으로 인해 복잡하다는 것입니다.

• 공간거리는 두 전도성 부품 사이의 가장 짧은 공중 거리입니다.
• 연면거리는 두 전도성 부품 사이의 고체 절연 재료 표면을 따른 최단 거리입니다.

문제는 공간거리와 연면거리가 전압에 따라 증가한다는 것입니다. 결과적으로 MOV 및 GDT 부품의 배치는 기판 레이아웃을 고려해야 하는 또 다른 명령과 제약을 더합니다.

설계자가 이러한 비용, 공간, 규제 문제를 해결할 수 있도록 Bourns, Inc.는 IsoMOV 계열의 하이브리드 보호 부품을 개발했습니다. 이 제품군은 MOV와 GDT를 단일 패키지에 결합하는 대체 솔루션을 제공하여 개별 MOV 및 GDT와 동일한 기능을 직렬로 제공합니다(그림 7).

그림 7: IsoMOV(오른쪽)의 도식 기호는 GDT(중앙, 왼쪽) 및 MOV(상단 및 하단, 왼쪽) 개별 표준 기호의 병합으로 표시됩니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

IsoMOV의 구성을 살펴보면 단일 공유 인클로저에 MOV와 GDT를 단순히 공동 패키징하는 것이 아님을 알 수 있습니다(그림 8).

그림 8: IsoMOV의 물리적 구성은 두 개의 개별 기존 장치를 단순히 함께 패키지로 배치한 것이 아니라 하이브리드 기능을 완전히 다르게 구현한 것입니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

코어 조립 후, 리드를 부착하고 장치에 에폭시 코팅을 합니다. 그 결과 비슷한 등급의 기존 장치보다 약간 더 두껍지만 지름이 더 작은 친숙한 방사형 디스크 MOV 패키지가 생성되었습니다(그림 9). 또한, 특허 출원 중인 금속 산화물 기술 설계로 인해 IsoMOV 부품도 동일한 크기에 대해 더 높은 정격 전류를 제공합니다. 풋프린트 패널티와 연면거리/공간거리 문제가 모두 제거되었습니다.

그림 9: IsoMOV의 방사형 리드 디스크 패키지는 표준 MOV처럼 보이지만 지름이 더 작고 동등한 MOV 단독보다 정격 전류가 더 높습니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

IsoMOV는 설계에 다른 장점들이 있기 때문에 '두 세계 중 최고' 그 이상입니다. MOV 고장은 일반적으로 금속화된 영역의 가장자리에 있는 소위 '서지 구멍'을 특징으로 하며, 이는 일반적으로 서지 동안 MOV 내부의 상승된 온도로 인해 발생합니다. Bourns의 고유한 EdgMOV 기술은 이러한 오류 모드를 크게 줄이거나 제거하도록 설계되었습니다.

IsoMOV 모델을 보면 더 자세한 통찰력을 얻을 수 있습니다. ISOM3-275-B-L2는 275볼트 제곱평균제곱근(rms)/350볼트 DC의 최대 연속 작동 전압(MCOV) 정격을 특징으로 합니다. 전류 정격은 3킬로암페어(kA)/15회 작동, 6kA/1회 작동(최대)입니다. 또한 특히 흥미로운 점은 20kHz에서 30피코패럿(pF)의 낮은 정전용량으로 고속 데이터 라인에 적합하다는 것이며, 10마이크로암페어(µA) 미만의 저누설을 특징으로 합니다.

표준의 역할

설계 엔지니어는 신중한 설계 관행부터 다양한 규제 표준에 따라 의무화되는 것까지 다양한 이유로 다양한 형태의 서지(및 기타) 보호를 구현해야 합니다. 이러한 표준 중 일부는 보편적이며 AC 라인 작동과 같은 일반적인 작동 시나리오를 충족하는 모든 장비에 적용됩니다. 또 다른 표준은 의료 장치와 같은 특정 부류의 응용 제품에 적용됩니다. 표준 설정 조직 중에는 UL, IEEE 및 IEC가 있습니다. 해당 표준의 대부분은 서로 '조화'롭게 만들어지기 때문에 동일하거나 거의 비슷합니다.

이러한 모든 표준은 수많은 의무적 규정으로 인해 복잡합니다. 여기에는 일부 상황에서 제거할 수 있는 단계 또는 기능을 호출하는 예외와 다른 상황에서 추가해야 하는 추가 요구 사항도 포함됩니다. 예를 들어 IEC 60950-1, '정보 기술 장비 – 안전' 및 UL/IEC 62368-1, '오디오/비디오, 정보 통신 기술 장비 표준 - 파트 1 : 안전 요구 사항'(2020년 IEC 60950-1 대체)에 따라 MOV의 정격 전압은 장비 정격 전압의 125% 이상이어야 합니다. 결과적으로 MOV의 정격 전압은 240볼트 rms, 주전원 회로의 경우 300볼트 rms 이상이어야 합니다.

2구 및 3구 버전으로 제공되는 AC 라인 플러그의 일반적인 경우를 고려해 보겠습니다. 이론적으로 3선 버전은 안전 접지를 제공하지만 실제로는 해당 접지가 연결되지 않거나 사용할 수 없는 경우가 많습니다. 실제적인 접지 안전 접지 연결이 없는 경우 전기 공급선 및 중성 전선만 사용하면 잠재적인 위험 상태로 이어질 수 있습니다. 따라서, 사용자가 접지되어야 하지만 접지되지 않은 전도성 부품을 만질 경우 감전을 방지하기 위해 설계에 보호 부품을 추가해야 합니다. 그러나 이 경우 소량의 MOV 누설 전류가 감전 위험이 될 수 있습니다.

MOV 누설 전류가 이렇게 위험해지는 것을 방지하기 위한 가장 일반적인 솔루션은 MOV와 하나 이상의 GDT를 직렬로 배치하는 것입니다(그림 10). IsoMOV 장치를 사용하면 MOV와 GDT의 기능이 하나의 공간 절약형 패키지에 통합됩니다. 따라서 IsoMOV는 UL/IEC 62368-1에서 요구하는 안전 요구 사항을 간단하게 충족하는 문제 해결 부품이기도 합니다.

그림 10: 접지되지 않은 응용 제품에서 피할 수 없는 누설 전류로 인한 사용자 충격 위험을 제거하기 위해 MOV와 GDT의 두 장치를 AC 전기 공급선과 AC 중성 전선 사이에 직렬로 배치할 수 있습니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

그림 11: 개별 MOV 및 GDT 사용에 대한 대안은 단일 IsoMOV 장치를 사용하여 동일하거나 더 나은 성능을 제공하여 훨씬 더 작은 전체 솔루션을 제공하는 것입니다. (이미지 출처: Bourns, Inc.)

결론

엔지니어는 대개 '최상의' 솔루션을 결정해야 합니다. 대부분의 경우 상호 절충이 필요하며, 간단한 단일 해결 방안이란 없습니다. 일반적으로 과전압 보호 구현과 관련하여 크로바는 장기적 오류에 더 적합하고 클램프는 일시적 이벤트에 더 적합합니다. 그러나 두 장치를 모두 사용하면 풋프린트가 증가하고 기판 레이아웃이 복잡해집니다.

그러나 이제는 무언가를 희생할 필요가 없습니다. Bourns의 IsoMOV는 MOV 단독보다 훨씬 긴 작동 수명을 제공하지만 GDT의 후속 전류 문제가 없습니다. 이 장치는 작은 실장 면적에서 모든 관련 표준을 충족하는 서지 및 과전압 보호 기능을 제공합니다. 또한 누설 전류가 낮아 후속 문제를 최소화하고 정전 용량이 매우 낮아 저전압, 고속 회로 보호에 적합합니다.