PCB 서지 보호: 과도 전압 억제를 위한 PCB 설계

산업 환경, 항공기, 전력 분배 및 많은 소비자 제품에 있는 전자 시스템은 전력 서지의 위험에 처할 수 있습니다. 서지가 발생하면, 큰 전류 스파이크가 전원 연결 또는 다른 커넥터를 통해 보드로 전파되어 구성 요소에 손상을 주고 시스템 실패를 일으킬 수 있습니다. 관련된 사건으로는 정전기 방전(ESD)이 있는데, 이는 근본 원인이 다르지만 사실상 같은 효과를 만듭니다.

이러한 위험을 일반적인 운영 시나리오에서 해결하기 위해, 안전 및 일시적 내성 요구 사항을 정의하는 여러 산업 표준이 개발되었습니다. 서지 보호 및 ESD 보호는 EMC 테스트를 통과하는 데에도 중요한 부분입니다. 전력 서지로 인한 일시적 전압 억제를 다룰 수 있는 세 가지 수준은 다음과 같습니다:

• 인클로저 디자인에서
• PCB에서 올바른 접지 전략으로
• 일시적 전압을 전환하거나 흡수하는 구성 요소를 사용하여

이 가이드에서는 PCBA에서 최대 ESD 보호를 보장하기 위해 구성 요소 선택, 배치 및 접지 관행을 개요한 여러 자료를 포함했습니다. 이 세 영역은 PCB 설계를 위한 업계 최고의 소프트웨어인 Altium Designer에서 찾을 수 있는 레이아웃 도구와 구성 요소 선택 기능으로 해결할 수 있습니다.

PCB 서지 보호 전략

만약 여러분이 가정용 전자기기에 전원 스트립을 사용한다면, 그것들이 제공하는 서지 보호에 대해 이미 알고 있을 것입니다. 번개 치기, 주 전원선의 전력 서지, 가정의 전기 배선 단락과 같은 사건에서, 서지 보호기는 전압 억제기로 작동하여 전원 입력에서 받은 순간적인 전류를 감쇠시킵니다. 서지 보호는 다양한 에지 속도와 피크 전압의 순간 전류를 전환, 흡수하거나 완전히 차단하는 데 중점을 둡니다.

순간 전압 억제 부품 선택하기

순간 전압은 전자기기에서 두 가지 방식으로 발생합니다: 전력 버스 라인의 전력 서지와 전력 또는 데이터 라인에 펄스를 주입하는 ESD(정전기 방전) 사건입니다. 따라서, 일부 부품은 ESD와 서지 모두에 대해 보호할 수 있습니다. 이러한 부품을 선택하기 위한 두 가지 중요한 사양은 다음과 같습니다:

• 응답 시간
• 내전압, 전류 및/또는 전력 등급

순간 전압 억제 부품과 서지 보호를 위한 여러 옵션이 있습니다. 이러한 부품은 다양한 범위와 순간 에지 속도에 대한 서지 보호를 제공하며, 전자 장치에 최대 보호를 제공하기 위해 계단식 구성으로 결합될 수 있습니다.

이러한 구성 요소들이 제공하는 보호 수준은 매우 다양하므로 위 표와 같이 대략적인 보호 범위로 분류되었습니다. 이 표는 또한 이들이 회로에 어떻게 연결되는지를 나열합니다; 양방향 TVS 다이오드의 예가 아래에 나와 있습니다.

서지 보호 장치의 배치

서지 보호 구성 요소의 이상적인 배치는 PCB가 과도한 이벤트에 노출될 수 있는 위치 근처입니다. 서지 보호 구성 요소는 다른 구성 요소에 손상을 줄 수 있는 ESD 펄스가 도달하기 전에 이를 처리해야 합니다. ESD 노출이 발생할 수 있는 전형적인 영역에는 커넥터 표면, 노출된 핀, 전원/배럴 커넥터, 버튼 및 스위치가 포함됩니다. 아래에 배치 예가 나와 있습니다.

• 병렬 요소로서의 서지 보호기 배치에 대해 자세히 알아보기

서지 보호 장치인 회로 차단기, 재설정 가능한 퓨즈, 릴레이, 가스 방전 튜브에도 같은 원칙이 적용됩니다. 예를 들어, 이러한 구성 요소들은 주로 메인 전원 입력에 사용되므로, PCB에서 해당 커넥터 근처에 배치해야 합니다.

PCB에서는 TVS 다이오드, 가스 방전 튜브, 금속 산화물 바리스터를 보호되는 라인에 걸쳐 쇼트 요소로 배치하는 것이 바람직합니다. 이는 신호선과 전원선에 모두 적용됩니다. 아래의 PCB 레이아웃 이미지는 세 개의 TVS 다이오드 배치를 보여줍니다; 두 개는 차동 쌍에 있고 하나는 USB-A 커넥터에서 오는 전원 버스 라인에 있습니다.

위에 보여진 회로도는 샤시 GND와 시스템 GND 사이의 연결을 보여줍니다. 후자는 데이터 라인에서 신호를 참조하는 데 사용됩니다. 이 연결은 ESD 보호에 중요하지만 일반적으로 커넥터에 배치해서는 안 됩니다. 대신, 이 연결의 배치는 설계자가 시스템에 샤시 접지가 있는 경우 고려해야 할 접지 전략의 중요한 부분입니다.

접지

서지 보호 장치가 과도 전류를 흡수하거나 우회하는 것이 장치 보호에 중요하지만, 서지 및 ESD 보호를 위한 최선의 전략은 올바른 접지 전략에서 시작됩니다. 설계에서 접지 영역은 ESD 사건으로부터 전류를 분산시키는 안전한 도체로 작용할 수 있습니다. 강한 과도 전류를 받을 것으로 예상되거나 라인 전압에 연결되는 PCB 레이아웃은 ESD 및 고장으로부터 보호하기 위해 올바른 접지 전략을 가져야 합니다.

• PCB 레이아웃에서 접지 유형에 대해 자세히 알아보기

보드에서 섀시 접지 및 궁극적으로 지구 접지(이러한 것들이 존재한다고 가정할 때)로의 연결이 이루어질 수 있습니다. 이는 금속화된 케이블 하우징과 차폐된 케이블에서 특히 우수한 ESD 보호를 제공합니다. 서지 보호의 경우, 션트 요소가 섀시 또는 시스템 접지로의 직접 연결을 통해 과도 전류를 우회시킬 수 있습니다. 시스템을 설계하고 PCB 레이아웃 토폴로지를 결정할 때 전력 서지가 어디에서 소산될지 결정하는 것이 중요합니다.

어떤 시스템에 서지 보호가 필요한가요?

모든 PCB가 고전압이나 ESD 사건에 노출될 시스템의 일부가 되는 것은 아닙니다. 일반 목적의 전자 제품에 적용되는 EMC 표준이 있으며, 이는 미국과 유럽에서 FCC/CE에 의해 지정되지만, 다른 국가에 적합한 기준도 있습니다. 다른 산업 그룹과 정부 기관은 다음과 같은 다양한 산업이나 응용 환경에서 전자 제품에 대한 특정 ESD 요구 사항을 지정했습니다:

• MIL‑STD‑1686
• ANSI 표준
• ISO 표준
• IEC 표준
• DO-160 표준
• SAE J-테스트
• FAA 표준

이러한 표준 그룹은 상업용 사무 기기부터 군사, 자동차, 항공기, 의료 기기에 이르기까지 다양한 시스템을 다룹니다. 전문 시험 시설은 이러한 표준 그룹에 대한 규정 준수 검증 서비스를 제공할 것입니다. 이러한 표준은 더 넓은 EMC 시험 및 규정 준수의 일부이며, ESD 보호를 구현하기 위한 최선의 전략을 이해하는 것이 중요합니다.

• EMC 규정 준수에 대해 자세히 알아보기

PCB에 사용할 서지 보호 구성 요소를 어떤 것을 선택하든, 이러한 구성 요소를 쉽게 찾고 배치하며 라우팅할 수 있는 설계 소프트웨어와 함께 작업할 필요가 있습니다. 보드에 필요한 PCB 서지 보호 구성 요소를 찾을 때마다 Altium Designer^®의 CAD 도구를 사용하세요. 설계를 마치고 제조업체에 파일을 릴리스하고 싶을 때 Altium 365^™ 플랫폼을 사용하면 프로젝트를 협업하고 공유하기가 쉽습니다.

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