산업 환경에서 발생하는 전력 서지로부터 USB-PD 및 PoE 회로 보호

USB Type-C® 전력 공급(USB-PD) 및 이더넷을 통한 전력 공급(PoE) 등의 기술이 진화함에 따라, 고속 충전 응용 제품과 간소화된 전력 설계에 대한 기대치가 지속적으로 높아지고 있습니다. 이러한 프로토콜은 고집적 및 산업 응용 제품에 사용되므로, 사용자의 안전과 장치의 신뢰성을 보장하려면 반드시 전기적 과부하(EOS) 및 정전기 방전(ESD) 이벤트로부터 회로를 보호해야 합니다. 그러나 전력 수요는 증가하는 동시에 폼 팩터의 크기는 작아지고 있어, 서지 보호는 더욱 어려워지고 있습니다.

이 기사에서는 회로 보호의 중요성 및 USB-PD와 PoE 기술의 진화에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 Semtech의 과도 전환 억제기(TDS)를 소개하고 이러한 장치를 사용하여 산업 및 기타 응용 제품에서 우수한 온도 안정성과 낮은 클램핑을 제공하는 방법을 설명합니다.

USB-PD 및 PoE의 확장된 전력 레벨

USB-PD와 PoE는 고속 데이터 통신과 전력을 단일 케이블 연결로 결합하는 표준이 되었습니다. 데이터 전송률은 초당 1기가비트(Gbit/s)를 훨씬 상회하며, 최근에는 전력 수준도 급격히 증가하고 있습니다.

• PoE: 2003년, 초기 PoE(유형 1)는 무선 액세스 포인트에의 전력 공급을 위해 포트당 15.4W를 제공했습니다. 2018년, PoE++(유형 4)는 포트당 100W를 지원하여, 고급 산업용 카메라와 같은 고전력 응용 제품에서 PoE를 사용할 수 있게 되었습니다.
• USB-PD: 2014년에는, 태블릿 PC와 같은 장치에 60W USB-PD를 지원하기 위해서는 USB Type-C 케이블이 반드시 필요했습니다. 2021년에는 USB-C PD 3.1 표준을 통해 USB Type-C는 240W를 제공하여 더 큰 시스템을 충전할 수 있게 되었습니다.

큰 전력 부하가 미세한 피치의 커넥터를 통해 전송되므로, 서지 이벤트는 PoE 및 USB-PD를 사용하는 시스템에서 안전성과 신뢰성에 매우 심각한 위험을 초래하게 되었습니다. 특히 이러한 제품이 더욱 소형화됨에 따라, 서지 보호는 제품 설계에서 매우 중요한 부분이 되었습니다.

공급 전압 과도 상태로부터 공간 제약이 있는 장치 보호

USB-PD를 통해 충전되는 소형 장치의 경우, 설계 통합 수준이 높으면 서지 이벤트의 위험도 높아질 수 있습니다. 예를 들어 부품 사이의 거리가 짧으면, 전압 스파이크나 ESD로 인해 트레이스 사이에 아크가 발생하기 쉽습니다. 이 아크는 전자파 장해(EMI)를 증가시켜 부품을 손상시키거나 데이터 오류를 초래할 수 있습니다.

서지와 관련되어 발생하는 열은 핀 사이의 절연 파괴를 일으키고, 이는 아크 및 단락으로 이어져 주변의 회로를 손상시킬 가능성이 높습니다. I/O 또는 데이터 라인에서 전력 스파이크가 발생하면, 장치의 민감한 부품은 EOS 또는 ESD로 인해 심각하고 즉각적인 손상을 입을 위험에 노출됩니다.

또한 공급 전압 과도 상태도 고전류 단락으로 인해 전기 안전을 저해하고 화재 위험을 증가시킬 수 있습니다. 이러한 요인으로 인해, 손상이 발생하기 전에 들어오는 전력 이상을 신속하게 감지하고 중요한 응용 제품 회로에서 고전압과 전류를 차단하는 작업이 반드시 수행되어야 합니다.

다양한 응용 제품에서의 효과적인 보호를 위해, 과도 상태 억제 부품은 다음과 같은 성능 특성을 제공해야 합니다.

• 클램핑 전압은 보호를 받는 회로의 작동 전압에 매우 근접해야만 약간의 과전압 또는 ESD 이벤트도 억제할 수 있습니다. 적합한 클램핑은 사용되는 USB-PD 또는 PoE 표준에 따라 달라집니다.
• 펄스 전류 진폭이나 작동 온도에 관계없이 일관된 클램핑 전압이 제공되면, 조건이 다양한 시스템에서 보호 기능이 간소화됩니다.
• 서지 및 ESD 내성 보호 부품은 매우 견고해야만 낙뢰와 같은 극한의 상황에서도 그 기능을 유지할 수 있습니다.
• 설치 공간이 점점 더 협소해지고 있으므로, 이에 적합한 콤팩트한 부품이 요구됩니다.

서지 보호에 대한 새로운 접근 방식

Semtech SurgeSwitch TDS는 이러한 응용 제품 요구 사항을 충족하거나 초과하도록 설계되었습니다. 이 소형 장치 제품군은 모든 범위의 USB-PD 및 PoE 작동 전압에 대해 높은 EOS 및 ESD 이벤트에 대응하는 단일 회선 보호 기능을 제공합니다. 이 계열 전반의 주요 사양에는 다음이 포함됩니다.

• 8/20μs에서 40A의 피크 펄스 전류 용량
• IEC 61000-4-5에 따른 레벨 2 ±1kV의 서지 내성
• 레벨 4를 초과하는 ESD 내성(8kV 접촉 및 15kV 공중 방전)

SurgeSwitch TDS(그림 1)의 내부 메커니즘은 과도 전압 억제기(TVS) 다이오드 등 기존 서지 보호 장치의 메커니즘과 크게 다릅니다.

그림 1: SurgeSwitch TDS 장치의 FET 기반 션트 메커니즘은 예측 불가능한 서지 조건에서 일관된 클램핑을 제공합니다(이미지 출처: Semtech).

항복을 위해 기존의 PN 접합에 의존하는 것이 아니라, Semtech TDS는 서지 정격 전계 효과 트랜지스터(FET)를 사용하여 EOS 및 ESD 이벤트로부터 민감한 부품을 보호합니다. 구동 회로와 결합된 이 FET는 정밀하게 조정된 트리거 회로에 의해 활성화되어 전압 제어 스위치를 형성하며, 이는 항복 메커니즘으로 작동합니다. 과도 전압이 장치의 정격 항복 전압 이상으로 증가하면, 트리거 회로가 션트 FET를 활성화하여 스위치를 켜고 과도 전류를 접지로 전환합니다.

SurgeSwitch 장치는 초저 온(ON) 저항의 FET 기반 스위칭 메커니즘을 활용함으로써, 광범위한 작동 온도 및 피크 펄스 전류에 걸쳐 일관된 클램핑 전압을 달성할 수 있습니다. 따라서 광범위한 작동 조건에서 배포를 지원하기 위해 예측 가능한 서지 보호가 필요한 까다로운 산업용 응용 제품에 USB-PD와 PoE를 통합할 수 있습니다.

적합한 TDS 솔루션 선택

올바른 서지 스위치 장치 선택은 주로 응용 제품의 작동 전압에 따라 달라지는데, 이는 작동 전압이 회로 보호에 필요한 클램핑 전압을 결정하기 때문입니다. 더 높은 전압의 경우, TDS5801P.C(그림 2)는 58V에서 작동하는 하나의 I/O 또는 전력선을 보호합니다(PoE에서 일반적). 이 장치는 1.6mm × 1.6mm × 0.55mm 패키지로 제공되므로, 공간 최적화에 탁월합니다.

그림 2: TDS5801P.C는 58V에서 작동하는 라인에 강력한 서지 보호 기능을 제공합니다(이미지 출처: Semtech).

TDS5801P.C 특징:

• 피크 펄스 전력 정격: 1,490W(8/20μs 기준)
• 피크 펄스 전류: 20A(8/20μs 기준)
• 공급 클램핑 전압: 70.2V(통상)
• ESD 클램핑 전압: 최저 4.4V
• ESD 전압 등급:
  • 공중: ±20kV
  • 접점: ±15kV

높은 펄스 전력 정격과 낮은 ESD 클램핑 전압을 갖춘 TDS5801P.C TDS는 악천후로 인해 ESD가 높아질 수 있는 감시 카메라, 원격 계측기, 네트워킹 장비와 같은 실외 PoE 응용 제품에 적합합니다. 이러한 응용 제품에서, -55°C ~ +125°C의 확장된 작동 온도 범위는 계절적 조건에 관계없이 일관된 보호 기능을 유지하는 데 필수적입니다.

반면, TDS0521PW.C(그림 3)는 사물 인터넷(IoT) 장치 및 저전력 USB-PD용 VBUS 라인에서 사용되는 5V 작동 전압에 대한 솔루션을 제공합니다. 고집적 장치를 지원하기 위해, TDS는 평면 실장을 위한 측면 습식 측면을 갖춘 1.6mm × 1.0mm × 0.55mm 패키지로 제공됩니다.

그림 3: TDS0521PW.C는 콤팩트한 2리드 패키지로 공간 제약이 있는 설계에서 서지 보호를 지원합니다(이미지 출처: Semtech).

TDS0521PW.C의 주요 사양에는 다음이 포함됩니다.

• 피크 펄스 전력 정격: 412W(8/20μs 기준)
• 피크 펄스 전류:
  • 40A(8/20μs 기준)
  • 8A(10/1000μs 기준)
• 공급 클램핑 전압: 40A 펄스에서 8.7V(통상)
• ESD 전압 정격: ±30kV(공중 및 접점)

민감한 저전압 장비의 경우, 이 장치는 특히 충전 중 주 전원에 연결되었을 때 높은 수준의 서지 이벤트에 대해 탁월한 보호 기능을 제공합니다.

22V 작동 전압에서 유사한 보호 기능을 제공하는 TDS2261P.C(그림 4)는 산업용 태블릿 PC와 같은 중급 USB-PD 응용 제품에 적합한 TDS입니다. TDS2261P.C 특징:

• 최대 펄스 전력 정격: 1120W(8/20μs 기준)
• 피크 펄스 전류:
  • 40A(8/20μs 기준)
  • 3A(10/1000μs 기준)
• 공급 클램핑 전압: 40A 펄스의 경우 27.7V(통상)
• ESD 전압 등급:
  • 공중: ±30kV
  • 접점: ±20kV

그림 4: TDS2261P.C는 단기간 펄스 전류가 40A에 이르는 22V 시스템을 위한 다양한 보호 기능을 제공합니다(이미지 출처: Semtech).

TDS2261P.C는 크기가 2mm × 2mm × 0.75mm로 SurgeSwitch 장치 중 가장 크지만, 공간 제약이 있는 장치에서 높은 EOS 및 ESD 보호를 위한 콤팩트한 솔루션을 제공합니다. USB-PD 외에도 다른 대상 응용 제품에는 저장 장치와 산업용 센서가 있습니다.

결론

USB-PD 및 PoE 표준이 계속해서 전력 공급 성능을 확장함에 따라, 고집적 장치 설계에서 강력한 서지 보호가 어려워지고 있습니다. Semtech SurgeSwitch 계열은 광범위한 온도와 펄스 전류에 걸쳐 일정하게 유지되는 클램핑 전압을 제공함으로써 설계 문제를 극복합니다. 또한 다양한 선간 전압 및 작동 조건에 걸쳐 가혹한 전력 이상으로부터 안정적인 보호를 제공합니다.