PCB를 위한 ESD 보호 회로 설계 초보자 가이드

원하든 원하지 않든, PCB는 수명 동안 정전기 방전(ESD) 이벤트에 직면할 수 있습니다. 물리적 환경과 인터페이스할 수 있는 회로의 경우 ESD 보호가 더 중요합니다. 이러한 회로는 정전기로부터 보호되지 않은 외부 통신용 커넥터를 가지고 있거나 정전기로부터 보호되지 않아 ESD 이벤트 동안 구성 요소가 실패할 수 있습니다.

보통, 정적 전기 충전은 장치의 작동 중에 축적되며, 이것이 궁극적으로 큰 ESD 이벤트를 유발합니다. ESD 보호 회로를 전략적으로 배치함으로써 민감한 회로의 실패를 방지할 수 있습니다. ESD 보호 회로 설계는 회로를 생성하는 동안 스키매틱에서 이루어지며, 나중에 이를 PCB 레이아웃으로 옮깁니다. 이 글에서는 주요 ESD 보호 회로와 다음 설계에 이를 어떻게 포함할 수 있는지 살펴보겠습니다.

스키매틱에서의 ESD 보호 회로 설계

ESD 보호 회로 설계의 목표는 ESD가 중요한 구성 요소에 영향을 미칠 위치를 결정한 다음, ESD 전압이 특정 한계를 넘지 않도록 억제 조치나 쇼트 회로를 추가하는 것입니다. 이 목적을 위해 가장 간단하고 널리 사용되는 방법은 역방향 바이어스 다이오드를 접지망을 향해 쇼트 요소로 사용하는 것입니다; 이것은 PCB의 접지면일 수도 있지만, 접지된 시스템에서는 외함일 수도 있습니다.

빠른 ESD 이벤트, 느린 전력 서지 및 스위칭 이벤트에서 발생하는 과도 현상을 억제하거나 견디기 위한 네 가지 일반적인 방법은 다음과 같습니다:

1. Transient voltage suppressor (TVS) 다이오드
2. 과도 현상을 클램핑하기 위한 역방향 바이어스 젠너 다이오드
3. 바리스터
4. 퓨즈(또는 재설정 가능한 퓨즈)
5. 전압 감지릴레이
6. 가스 방전 튜브
7. 크로우바 회로
8. MOSFET 기반 회로

이러한 모든 옵션은 ESD부터 번개 및 스위칭 이벤트에서 발생하는 큰 과도 현상에 이르기까지 다양한 과도 전압 소스를 해결하기 위한 것입니다. 과도 전압 소스와 그들의 상승 시간 범위 목록이 포함된 표는 아래에 나와 있습니다.

이 표에서 우리는 ESD 펄스가 매우 빠르기 때문에, ESD 보호 구성 요소도 순간적인 사건에 매우 빠르게 반응할 수 있는 구성 요소를 요구한다는 것을 볼 수 있습니다. 오직 바리스터와 TVS 다이오드만이 ESD 사건을 처리하기 위해 충분히 빠른 응답 시간을 제공할 수 있으므로, ESD가 우려될 때 가장 일반적으로 사용됩니다. 이 두 가지 중에서 TVS 다이오드가 가장 빠르며 일반적인 ESD 보호 구성 요소로 간주됩니다. 그들이 매우 빠르기 때문에, 서지, 스위칭, 번개와 같이 느린 사건을 처리하는 데에도 적합합니다.

TVS 다이오드 및 다이오드 회로

TVS 다이오드 보호 회로는 비산업용, 저전압 환경에서 가장 흔한 것 중 하나입니다. 전력 관리 IC나 마이크로컨트롤러에 내장된 다른 ESD 보호 구성 요소와 비교할 때, TVS 서지 다이오드 보호기는 더 높은 전압 억제를 제공할 수 있으며 I/O나 ESD 소스 근처에 배치될 수 있습니다. 아래 예시에서 보여지듯이.

전형적인 전압 클램핑 다이오드 회로는 아래와 같습니다. 이 전압 클램핑 회로의 주요 책임은 버퍼의 입력 단자에 전압이 축적되는 것을 제한하는 것입니다. 이것은 연산 증폭기의 차동 입력에도 적용될 수 있다는 점에 유의하세요. 이 회로의 작동은 매우 간단하며, 정상 조건에서 다이오드 D1과 D2는 역방향으로 바이어스됩니다. 입력에서의 전압이 공급 레일 전압보다 클 때, 다이오드 D1은 순방향으로 바이어스되어 전도합니다. 마찬가지로, 입력에서의 전압이 지면보다 낮아지면, 다이오드 D2는 순방향으로 바이어스되어 지면에서 입력으로 전도합니다.

위 회로는 고역방향 바이어스 붕괴 전압을 가진 간단한 다이오드(예: 젠너 다이오드)를 사용하거나 병렬 또는 백투백 구성으로 결합된 TVS 다이오드를 사용할 수 있습니다. 어떤 종류의 다이오드를 사용할지 결정하는 주요 요소는 붕괴 전압과 순방향 전류입니다.

TVS 다이오드는 두 가지 유형으로 분류됩니다. 두 유형의 TVS 다이오드 모두 정상 작동 조건에서는 개방 상태로 작동하며, ESD 서지가 발생할 때마다 접지로의 단락 회로로 작동합니다.

단방향 TVS 다이오드

아래에 표시된 것처럼 ESD 보호를 위한 단방향 TVS 서지 다이오드입니다. TVS 다이오드는 단순한 젠너 다이오드일 필요는 없으며, TVS 다이오드로 특별히 마케팅되는 구성 요소일 수도 있습니다(예: 아래에 표시된 Vishay의 Transzorb 시리즈와 같이), 아래 회로도에서 보여지듯이.

ESD 이벤트의 양의 주기 동안 이 다이오드는 역방향으로 바이어스되어 산사태 모드에서 작동하며, 입력에서 접지로 ESD 전류가 흐르게 됩니다. 음의 주기 동안 이 TVS 다이오드는 순방향으로 바이어스되어 ESD 전류를 전도합니다. 이것이 단방향 TVS 다이오드가 ESD로부터 회로를 보호하는 방법입니다: 극성에 따라 ESD 전류의 흐름을 방지하거나 허용함으로써.

양방향 TVS 다이오드

아래 회로도는 ESD에 민감한 구성 요소를 보호하기 위한 양방향 TVS 서지 다이오드의 전형적인 사용을 보여줍니다. 이것은 단지 젠너 다이오드의 간단한 양방향 배열일 뿐입니다. 추가적인 전류 제한이 필요한 경우 추가 저항을 추가할 수 있습니다.

정전기 방전(ESD) 이벤트의 양의 사이클 동안, 두 개의 다이오드 중 하나는 순방향 바이어스가 되고 다른 하나는 역방향 바이어스가 됩니다. 즉, 한 다이오드는 순방향 바이어스로 인해 전도되고 다른 하나는 아발란체 모드로 작동합니다. 이런 방식으로 두 다이오드는 ESD 소스로부터 접지로 이어지는 경로를 만듭니다. 음의 ESD 사이클 동안, 다이오드는 그들의 모드를 교환하여 다시 경로를 만들고 회로는 보호됩니다. 이 회로는 시스템 I/O에서 볼 수 있는 ESD 이벤트의 가능한 극성을 반드시 알 수 없는 경우에 선호됩니다.

기타 ESD 억제 구성 요소

멀티레이어 바리스터, 가스 방전 튜브, 폴리머 기반 억제기와 같은 다른 ESD 억제 및 과도 전압 억제 구성 요소가 있습니다. ESD 억제 구성 요소는 회로나 구성 요소 그룹이 보호될 수 있도록 ESD 전압을 특정 한도 이하로 줄이는 데 사용됩니다. 억제 구성 요소나 회로는 취약한 라인에 병렬로 연결되어, 특정 한도까지 낮은 ESD 전압을 유지하고 주요 ESD 전류를 접지로 분산시킵니다. 이러한 구성 요소들은 종종 데이터시트에서 찾을 수 있는 관련 응용 회로를 가지고 있으며, 이 예제 회로에는 추가적인 저전압 ESD 억제를 제공하기 위한 TVS 다이오드가 포함될 수 있습니다.

예시: 가스 방전 튜브 + TVS 다이오드

고전압 트랜지언트 이벤트를 처리하는 한 가지 전략은 가스 방전 튜브를 TVS 다이오드, 직렬 인덕터 및 퓨즈와 병렬로 사용하는 것입니다. 이 전략은 빠른 ESD 이벤트, 느린 서지, 스위칭 및 심지어 번개까지 대응할 수 있습니다. 과전류 보호를 위한 추가 퓨즈가 있습니다. 가스 방전 튜브는 ESD 이벤트에서 비롯되지 않을 수 있는 큰 트랜지언트 전압을 처리하기 위한 것으로, 대신 전력 서지, 번개 및 스위칭과 같은 느린 원인에서 비롯될 수 있습니다. 아래에 가스 방전 튜브의 이미지가 표시됩니다.

인덕터와 TVS 다이오드는 추가적인 필터링을 제공하고 보호 회로에 도달하기 전에 ESD 펄스의 상승 시간을 늦추는 저역 통과 RL 회로처럼 작동합니다. TVS 다이오드가 전도성으로 전환되면, 회로는 ESD 펄스에 의해 제공된 전류를 보호 회로에 영향을 주지 않도록 전환합니다. GDT는 불규칙한 공급이나 AC 주 전원과 같은 전력 서지의 위험이 있을 때 추가적인 보호를 제공합니다.

PCB 레이아웃에서의 ESD 보호

스키마틱 캡처 중에 ESD 보호 회로를 설계에 추가하더라도, PCB 레이아웃에서 민감한 회로의 ESD 보호를 보장하기 위해 몇 가지 현명한 레이아웃 선택을 사용하는 것이 여전히 중요합니다. ESD 억제의 전체 목적은 회로를 더욱 신뢰성 있게 만들면서 나중에 디버깅 및 문제 해결 비용을 줄이는 것입니다.

• PCB 스택업에서 접지면 사용하기: PCB 내부에 접지면을 사용하면 ESD 이벤트에서 유도된 모든 전류를 받아들일 수 있는 큰 접지된 도체를 제공합니다. 이는 접지 루프 제거, 명확한 임피던스 정의, EMI에 대한 차폐 등 많은 다른 이점을 제공합니다.
• 긴 경로의 길이 줄이기: 경로가 접지로부터 분리되어 있고 너무 길면, 높은 인덕턴스를 가질 수 있습니다. 이러한 경로는 EMI를 쉽게 받을 수 있을 뿐만 아니라, 고전압 스파이크가 트레이스를 통해 전파될 때 일시적인 진동을 경험할 수 있습니다. 이 진동은 TVS 다이오드나 다른 억제기가 기능을 하지 못하게 할 수 있습니다.
• 고전압 네트워크 근처에 민감한 트랙이나 구성 요소를 배치하지 마십시오: 구성 요소가 고전압 네트워크나 구성 요소에 가까울수록 ESD(정전기 방전) 사건의 확률이 더 높다는 것은 비교적 간단한 개념입니다. 큰 ESD 사건이나 전력 서지를 견딜 수 없는 구성 요소가 있다면, 해당 구성 요소는 이러한 전압 소스로부터 멀리 유지되어야 합니다. 접지된 차폐는 ESD에 민감한 구성 요소에 추가적인 보호를 제공할 것입니다.
• 인클로저를 활용하십시오: 접지된 금속 인클로저를 사용하는 경우, 이것이 안전 접지처럼 작동한다는 사실을 활용할 수 있습니다. ESD에 민감한 디자인 영역(예: 커넥터)에서 인클로저로의 저 임피던스 연결을 제공하는 것은 추가적인 ESD 보호를 제공하는 한 가지 방법입니다.

위의 마지막 포인트와 관련하여, 공통 모드 노이즈를 방지하려는 필요성과 ESD에 대한 차폐 필요성 사이의 균형을 맞추기는 어렵습니다. 모든 디자인이 인클로저에 대한 연결 형태의 ESD 보호가 필요한 것은 아니며, 디자인이 배치될 환경과 구성 요소에 유도될 수 있는 ESD의 크기를 고려해야 합니다.

전자 어셈블리가 ESD로부터 보호되는 것을 보장하는 것은 외부 세계와 통신하기 위한 외부 인터페이스를 가진 어셈블리에 매우 중요합니다. 일부 집적 회로에는 다이에 ESD 보호 기능이 포함될 수 있지만, 장치의 작동 환경이 강한 ESD의 위험을 초래한다면 전략적으로 ESD 보호 회로를 배치하는 것이 여전히 권장됩니다. 이는 제품을 공개 시장에서 판매하기 위해 FCC 또는 CE 인증을 받는 데 필요할 수 있습니다.

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