과도 전압 억제 다이오드를 사용하여 회로를 견고하게 하고 전기적 무결성 유지

전기적 고속 과도 상태(EFT) 전압은 설계자가 회로, 시스템 및 시스템 사용자를 보호하기 위해 고려해야 하는 현실입니다. EFT에는 러그를 밟고 가거나 모터에 시동을 걸거나 번개가 쳐서 리플 효과를 일으키는 것과 같은 간단한 동작으로 인한 일반적인 정전기 방전(ESD)을 포함하여 다양한 소스가 있습니다. 이러한 과도 상태는 저전압 배터리 구동식 웨어러블에서 고전력 모터 시스템에 이르기까지 모든 제품 클래스에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

EFT의 영향은 일시적인 중단과 기능 사용 불가에서부터 장기적인 성능 저하, 영구 손상 및 고장에 이르기까지 다양합니다. 설계자는 정전기 방지 인클로저 사용, 필터링, 소스에 클램핑 또는 추가 접지 구현과 같은 과도 전압을 줄이기 위한 조치를 취할 수 있지만 특정 응용 시나리오에 따라 종종 이러한 조치를 수정하거나 업그레이드해야 합니다.

설계자는 과도 전압의 유해한 영향을 최소화하거나 제거하기 위해 과도 전압 억제(TVS) 다이오드라고 하는 2단자 수동 소자 부품을 사용할 수 있습니다. 일반적으로 개방 회로로 보이지만 이러한 다이오드는 거의 즉각적으로 반응하고 과도 이벤트가 발생할 때 단락 회로와 유사하므로 과도 과전압을 접지로 전환합니다. TVS 다이오드는 빠른 응답, 고전압 내성 기능, 긴 수명, 낮은 정전 용량을 제공합니다.

이 기사에서는 Eaton Corporation plc(Eaton)의 다양한 장치 제품군과 장치를 예로 사용하여 TVS 다이오드의 필요성, 역할, 유형, 응용 분야를 살펴봅니다.

IEC 표준으로 시작

EFT의 위험을 완화하기 위해 국제 전자기술 위원회(IEC)는 IEC 61000-4(‘전자파 적합성(EMC): 테스트 및 측정 기술’) 내의 과전압 보호에 대해 국제적으로 인정되는 3가지 표준을 다음과 같이 정의했습니다.

1) IEC 61000-4-2는 작업자 접촉으로 인해 발생하는 시스템 수준의 ESD 내성을 다룹니다(그림 1). 이 파형의 경우, 상승 시간(tr)은 0.7ns ~ 1ns로 짧고 대부분의 에너지는 30ns에서 소멸되며 그 후 빠르게 하락합니다. 따라서 ESD 이벤트에 시의적절하게 대응하려면 과전압 보호를 매우 빠르게 작용해야 합니다.

그림 1: 작업자 접촉으로 인한 일반적인 ESD 펄스 파형은 IEC 61000-4-2를 특징으로 하므로 1ns 미만의 매우 짧은 상승 시간을 보여주며 대부분의 에너지는 최초 30ns 내에 소멸됩니다. (이미지 출처: Eaton)

파형만으로는 관련 전압 레벨을 나타내지 않습니다. IEC 61000-4-2는 접점 방전 및 공중 방전에 대해 다양한 장비에서 시스템 수준의 ESD 내성을 위한 테스트 전압을 지정합니다(그림 2).

그림 2: 공중 방전 및 접점 방전에 대한 IEC 61000-4-2 레벨은 작업자 접촉 세부 사항을 자세히 정의합니다. (이미지 출처: Eaton)

TVS 다이오드의 적절한 선택은 응용 분야에 필요한 ESD 보호 수준에 따라 달라집니다. Eaton의 모든 TVS 다이오드는 IEC 61000-4-2에 따라 테스트했을 때 레벨 4의 최소 성능을 제공합니다. 공중 방전 및 접점 방전 모두에 대해 최대 30kV를 제공하는 훨씬 더 높은 ESD 내성 보호를 갖춘 기타 옵션을 사용할 수 있습니다.

2) IEC 61000-4-5는 번개 또는 스위칭 전력 시스템으로 인한 전기 서지에 대한 내성을 다룹니다. 상대적으로 저전력인 정전기와는 달리 낙뢰는 최대 1GJ의 에너지를 가질 수 있으며 최대 120kV의 서지 전압을 전달할 수 있습니다. 번개로 인한 과도는 서지 전압을 생성하는 실외 전기 회로의 직접적인 낙뢰, 컨덕터에 서지 전압을 일으키는 간접적인 낙뢰 또는 낙뢰 접지 전류 흐름으로 인해 발생할 수 있습니다. TVS ESD 억제기는 직접적인 낙뢰로부터 보호하기 위한 것은 아니지만 이러한 낙뢰는 1마일 이상의 거리에서 배전 시스템 전체에 과도 전류를 보낼 수 있으므로 억제기는 여전히 필요합니다.

IEC 61000-4-5는 일반적인 번개 전압 파형을 정의합니다(그림 3).

그림 3: 이는 IEC 61000-4-5에 정의된 번개 펄스 파형입니다(I_PP는 피크 전류를 나타냄). (이미지 출처: Eaton)

IEC 61000-4-5 표준은 또한 전기/전자 장비 클래스에서 서지 내성에 대한 테스트 전압 레벨도 지정합니다(그림 4).

레벨은 다음과 같이 최종 응용 분야에서 정의합니다.

• 클래스 1: 부분적으로 보호되는 환경
• 클래스 2: 케이블이 단거리에서도 잘 분리되어 있는 전기 환경
• 클래스 3: 전력 및 신호 케이블이 병렬로 연결된 전기 환경
• 클래스 4: 전력 케이블과 함께 전자 및 전기 회로 모두에 사용되는 실외 케이블로 상호 연결되어 있는 전기 환경

그림 4: IEC 61000-4-5는 전기 서지 내성에 대한 4가지 클래스의 테스트 레벨을 정의합니다. (이미지 출처: Eaton)

3) IEC 61000-4-4는 EFT에 대한 보호를 다룹니다(그림 5). EFT는 고강도 모터, 계전기, 전력 분배 시스템의 스위칭 접촉기, 역률 보정 장비의 스위칭과 같은 유도 부하의 작동으로 인해 발생합니다.

그림 5: IEC 61000-4-4에 따른 EFT 펄스 파형을 보여줍니다. (이미지 출처: Eaton)

EFT는 종종 단순히 두 쌍의 숫자인 피크 값까지의 상승 시간(t₁)과 과도 상태가 피크 값의 50%로 떨어질 때까지의 펄스 지속 시간(t₂)으로 특징지어집니다. 8/20µs 과도는 산업 응용 분야에서 일반적인 펄스입니다.

회로 또는 시스템이 견뎌야 하는 과도 전압 ESD의 크기는 응용 분야에 따라 다릅니다. 3가지 클래스를 정의하는 MIL-STD-883은 군사 및 항공 우주 시스템뿐 아니라 산업에서도 널리 사용됩니다(그림 6).

그림 6: MIL-STD-883 방법 번호 3015에 따라 3가지 ESD 감도 분류 레벨이 있습니다. (이미지 출처: Eaton)

문제를 해결하는 TVS 장치

다양한 요구 사항을 충족하고 시스템을 보호하기 위해 설계자는 TVS 다이오드를 사용할 수 있습니다. TVS 다이오드는 다이오드 애벌런치 항복 원리를 기반으로 작동하는 실리콘 과전압 보호 장치입니다. TVS 다이오드는 단기간(과도) 및 중/고전압으로부터 내부 부품을 보호하기 위해 일반 회로와 병렬로 설치됩니다(그림 7).

그림 7: TVS 다이오드는 입력 전체, 즉 보호되는 라인과 시스템 접지 사이에 배치됩니다. (이미지 출처: Eaton)

정상적인 비과도 작동 시 TVS 다이오드는 높은 임피던스를 유지하며 장비를 통한 전력 또는 신호 전송을 방해하지 않습니다. 그러나 TVS 다이오드가 단자 전체에 순간적으로 고에너지의 충격을 받으면 낮은 임피던스 상태(애벌런치 항복이라고 함)로 빠르게 진입하여 큰 전류를 흡수하고 전압을 안전한 레벨로 클램핑하여 다운스트림 회로 소자를 보호합니다.

TVS 다이오드는 단방향 또는 양방향 P-N 접합 장치로 사용할 수 있습니다. 이름과는 달리 대부분의 단방향 TVS 다이오드는 양극성의 전압을 억제합니다. 단방향 유형은 비대칭 전압-전류(V-I) 속성을 갖는 반면 양방향 TVS 다이오드는 대칭 V-I 속성을 갖는다는 점이 다릅니다(그림 8). 양방향 TVS 다이오드는 양방향 또는 접지 전압의 위/아래 모두에 해당하는 신호로 전기 노드를 보호하는 데 적합합니다.

그림 8: TVS 다이오드 이름은 내재된 방향성을 반영하지 않습니다. 대신 단방향 TVS 다이오드는 비대칭 전압-전류(V-I) 속성을 가지지만 양방향 다이오드는 대칭 V-I 속성을 가집니다. (이미지 출처: Eaton)

TVS 성능을 정의하는 상위 계층 파라미터, 패키징 및 배치

TVS 다이오드는 여러 높은 수준의 사양으로 정의됩니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

• 공칭 역방향 작동 최대 전압(V_RWM): 역방향 스탠드오프 전압이라고도 하며 ‘OFF’ 상태일 때 TVS 다이오드의 최대 작동 전압
• 항복 전압(V_BR): TVS 다이오드에서 애벌런치 항복이 발생하여 임피던스가 낮아지는 전압
• 역방향 누설 전류(I_R): 역방향 바이어스 시 TVS 다이오드를 통해 흐르는 전류
• 클랭핑 전압(Vc): 피크 펄스 전류(I_pp) 정격에서 TVS 다이오드 전체의 전압
• 정전 용량: 입력 핀과 다른 기준점(종종 접지) 사이에서 일반적으로 피코패럿(PF)으로 저장된 전하의 측정치이며 보통 1MHz 신호로 측정
• 피크 전류(I_pp): 전류 파형의 최대 포지티브 진폭 및 최대 네거티브 진폭 사이의 차이

TVS 다이오드 선택은 일반적으로 다음과 같이 4단계 공정으로 이루어집니다.

1. 스탠드오프 전압이 정상 작동 전압보다 더 높은 다이오드를 선택합니다
2. 지정된 피크 전류가 예상 피크 전류를 초과하는지 확인하고 과도 이벤트 동안 필요한 전력을 처리하도록 지정되었는지 확인합니다
3. 선택한 다이오드의 최대 클램핑 전압(V_CL)을 계산합니다
4. 계산한 V_CL이 보호 핀에 대해 지정된 절대 최대 정격보다 낮은지 확인합니다

회로 기판에 TVS 장치를 배치하는 것은 이러한 장치의 최대 성능 기능을 실현하는 데 중요합니다. 최상의 서지 보호를 위해 다이오드는 I/O 포트와 같은 전압 입력 지점에 최대한 가깝게 배치하여 고속 과도 서지의 효과적인 억제에 기생 영향을 최소화해야 합니다.

다양한 제품을 보여주는 TVS 예시

Eaton의 TVS 다이오드는 I/O 인터페이스와 고속 디지털 및 아날로그 신호 라인의 과전압 보호에 매우 적합합니다. 이는 매우 낮은 클램핑 전압, 높은 피크 전력, 높은 전류 발산, 나노초 응답 시간을 제공합니다.

TVS 다이오드 패키징은 사양과 밀접한 관련이 있습니다. 표면 실장 및 스루홀 패키지 모두 사용할 수 있으며 후자는 더 높은 전압/전류 성능을 제공합니다.

TVS 다이오드는 다양한 전압 및 전류로부터 보호해야 합니다. 따라서 하나의 전압 정격 값과 기타 파라미터가 모든 EFT 상황을 충족할 수는 없습니다. 4가지 별도의 제품군의 예가 이러한 점을 잘 나타냅니다.

1) SMFE 계열은 10/1000µs 파형을 사용하는 200W의 피크 펄스 전력 기능을 가집니다. 이 장치는 모바일 및 웨어러블 장치의 기판 공간을 최적화하는 2mm × 3mm × 1.35mm의 업계 표준 저높이 SOD-123FL 표면 실장 패키지에 들어 있습니다.

SMFE5-0A가 이 계열에 속합니다(그림 9). 이 제품은 9.2V 클램핑 전압, 21.7A I_pp이며 단방향 또는 양방향 사용 사례를 지원합니다. 역방향 누설 전류는 10V 작동 이상에서 1μA 미만이며 응답 시간은 일반적으로 0V ~ V_BR까지 1.0ps 미만으로 빠릅니다.

그림 9: SMFE5-0A 9.2V TVS 다이오드는 저높이 SOD-123FL 표면 실장 패키지로 제공되며 모바일 및 웨어러블 응용 분야를 대상으로 합니다. (이미지 출처: Eaton)

2) ST 계열은 하나의 양방향 I/O 라인을 보호하고 USB와 기타 데이터 포트, 터치패드, 버튼, DC 전력, RJ-45 커넥터 및 RF 안테나를 대상으로 합니다. 이 제품군의 제품(예: 33V, 12A I_pp STS321120B301)은 1.8mm × 1.4mm × 1.0mm 크기의 소형 SOD-323 SMT 패키지로 제공되며 회선당 피크 펄스 전력 400W(t_P = 8/20 μs)에 대해 정격이 지정되었습니다. 이 계열의 다이오드는 0.15pF까지 초저정전 용량으로 2.8V(V_DC ~ 70V_DC)에 이르는 작동 전압을 지원합니다. 이러한 다이오드는 최대 30kV까지 ESD를 보호합니다(IEC 61000-4-2에 따름).

3) AK 계열은 최대 10,000A까지 보호하는 고전력 TVS 다이오드로 구성되며 AC 및 DC 응용 제품에 대한 엄격한 서지 테스트 환경을 충족하도록 설계되었습니다. 이러한 다이오드는 스냅백 기술로 인해 기울기 저항이 낮고 클램핑 계수가 우수합니다. 소비자 가전, 가전 제품, 산업 자동화 또는 AC 라인 보호와 같은 응용 제품을 위한 UL1449 서지 보호 장치 표준을 충족합니다. (참고: 기울기 또는 동적 저항은 AC 전압이 인가될 때 다이오드에서 제공하는 저항이며 스냅백은 더 낮은 전압에서도 큰 전류의 전도가 계속되는 장치 공정입니다.)

암페어와 UL 요구 사항을 충족하기 위해 이 계열의 장치는 AK6E-066C, 120V 클램프, 6000A I_pp 다이오드와 함께 사용되는 스루홀 축형 리드 패키징을 사용합니다(그림 10). 이 다이오드는 리드를 따라 길이가 25mm이며 대략 13mm × 15mm인 거의 정사각형인 ‘중앙’ 본체가 있습니다.

그림 10: AK6E-066C 고전력 120V TVS 다이오드는 최대 10,000A 보호를 제공하며 스루홀 축형 리드 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: Eaton)

4) SMAJExxH 계열 SMA 크기의 TVS 다이오드는 자동차 응용 분야에 필요한 AEC-Q101 표준을 준수한다는 점에서 독특합니다. 이는 400W 피크 펄스 전력 기능(10/1000μs 파형 포함)을 제공하며 일반적으로 0V ~ V_BR까지 1.0ps 미만의 빠른 응답 시간과 10V 이상에서 1μA 미만의 I_R을 제공합니다.

이 제품군의 장치 범위는 각 장치에 대한 단방향 및 양방향 버전 5V ~ 440V이며 11.3A I_pp의 35.5V 클램핑 전압이 특징인 SMAJE22AH가 포함됩니다(그림 11). 이 계열의 모든 장치는 크기가 최대 3.0mm × 4.65mm × 2.44mm이고 UL 94 V-0 가연성 등급을 충족하는 표면 실장 플라스틱 패키지에 들어있습니다(그림 11).

그림 11: SMAJE22AH 35.5V TVS 다이오드는 AEC-Q101에서 요구하는 자동차 표준을 준수합니다. 또한 UL 94 V-0 가연성 등급 표준을 충족하는 플라스틱 패키징을 사용합니다. (이미지 출처: Eaton)

결론

정전기, 모터 시동 또는 주변의 낙뢰로 인한 전기적 과도 상태는 전자 시스템 및 전자 부품을 손상시킬 수 있습니다. TVS 다이오드는 이러한 과전압에 거의 즉각적으로 반응하며 과도 전압과 에너지를 접지로 전환하여 시스템을 보호합니다. 위에서 살펴본 바와 같이 Eaton은 다양한 TVS 다이오드 계열을 제공하고 각 계열은 예상되는 과도 전압 크기, 최종 제품 제약 및 규제 사항에 부합하도록 다양한 정격 전압 장치로 구성되었으며 필요한 회로 기판 면적이 몇 평방 밀리미터에 불과합니다.