내부 대 외부 서지 보호기: PCB 전체 보호를 위한 최선의 선택은 무엇인가

전력 서지 및 순간 전압 변동에 대비하는 조치를 살펴볼 때, TVS 다이오드가 대부분의 주목을 받습니다. TVS 다이오드는 서지 및 ESD 이벤트로부터 장비를 보호하는데 탁월한 저비용, 저공간 구성 요소이기 때문에 TVS 다이오드에 문제가 있는 것은 아닙니다. 그러나, 이러한 다이오드만이 전력 서지를 다루는 유일한 옵션은 아닙니다. 대신, PCB의 전원 서지 및 순간 전압 변동에 대처하기 위한 포괄적인 전략의 일부로 PCB 상에서 및 이외의 위치에서 사용할 수 있는 구성 요소들이 있습니다.

어떤 유형의 서지 보호가 필요한가?

주 전원 입력이 장치로 들어오는 곳에 전력 서지가 발생할 위험이 있을 때 서지 보호가 필요합니다. 특정 제품에 대한 EMC 규정 및 업계 표준에는 서지 보호 구성 요소 및 회로의 배치를 요구하는 요구 사항이 있습니다. 서지 보호 수준은 이벤트 동안 경험될 것으로 예상되는 전력 서지 수준과 전류 돌입량에 따라 달라집니다. 특정 표준에 따라 설계하는 경우, 표준에서 개요한 최소값이 설계를 안내하고 구성 요소 선택을 지시할 수 있습니다.

서지 보호는 PCB 내부에 일련의 구성 요소로, 또는 보드 외부에 사전 패키지 모듈로 찾을 수 있습니다. 후자는 주로 매우 높은 전압에서 직접 주 전원에 연결해야 하는 장치에 더 흔합니다. 이러한 구성 요소는 PCB에 맞기에는 너무 크기 때문입니다. 외부 구성 요소가 시스템이 기능하는 데 필요하더라도, 내부 구성 요소는 특정 위치에 사용되어야 합니다. 함께 사용하면, 강력한 전력 서지와 관련된 다양한 크기의 일시적 사건에 대해 시스템이 견딜 수 있게 합니다.

내부(온보드) 서지 보호

인러시 전류 제한 저항기 - 전력 서지 및 일반적으로 AC 주 전원을 켤 때 인러시 전류가 발생하여 초기 전원 공급 단계에서 장치를 손상시킬 수 있습니다. 인러시 전류는 고정 저항기로 줄이고 감쇠시킬 수 있습니다. 전류 제한 저항기의 크기를 결정하려면 인러시에서 예상할 수 있는 최대 전류와 최대 입력 전압을 사용하여 저항기의 전력 등급을 계산합니다. 그런 다음 이러한 값으로 옴의 법칙을 사용하여 저항을 계산합니다. 이를 통해 인러시 제한기가 인러시 단계 동안 타지 않고 필요한 수준으로 전류를 설정할 수 있습니다.

Varistor - 바리스터는 비선형 전압 제어 저항기입니다. 즉, 입력 전압의 함수로서 DC 저항이 변하는 구성 요소입니다. 이러한 구성 요소는 처음에는 고저항을 가지지만, 어떤 작동 전압 임계값 이상에서는 저항이 감소할 수 있어 다이오드처럼 작동합니다. 이를 통해 과전압 사건의 크기를 감소시키는 데 도움이 되며, 상승하는 에지에서 전력 서지 트랜지언트를 감쇠시킵니다. 이러한 구성 요소는 인기 있는 반도체 재료로 제작되거나 금속 산화물 바리스터(MOV)일 수 있습니다.

가스 방전 튜브 - 이 구성 요소는 전력 입력에 걸쳐 배치됩니다. 양방향/단방향 TVS 다이오드의 구성 요소 핀에서 상류에 배치될 때 매우 높은 과도 전압 보호를 제공할 수 있습니다. 이 구성에서 가스 방전 튜브는 더 높은 전압 트랜지언트와 전력 서지를 대상으로 하며, TVS 다이오드는 더 느리고/낮은 전압의 트랜지언트 부분을 처리합니다. 작은 가스 방전 튜브는 AC 전원 스트립과 전원 공급 장치에 사용되는 서지 보호기에서 일반적으로 사용되는 구성 요소입니다.

NTC 서미스터 - 음온계수(NTC) 서미스터는 센서로 사용될 수 있으며 서지 보호기로도 사용됩니다. 이 부품은 온도가 증가함에 따라 저항이 감소합니다. 이는 전력 서지가 발생하고 전류 유입이 시작될 때 일부 에너지가 처음에 서미스터에 걸쳐 떨어지고 열로 변환된다는 것을 의미합니다. 그런 다음 서미스터의 저항이 감소하여 나머지 에너지가 하류의 다른 서지 보호 구성 요소, 일반적으로 TVS 다이오드로 전달되도록 합니다. 이들은 때때로 가스 방전 튜브와 직렬로 사용됩니다.

TVS 다이오드 - 마지막으로 TVS 다이오드를 포함시켰습니다. 이들은 저전압 버스와 데이터 라인 모두에서 전력 서지 보호를 위한 주요 소스입니다. USB 커넥터에서 들어오는 +5 V 라인과 같은 저전압 버스에서는 강한 서지와 빠른 전이를 처리할 수 있는 매우 정밀한 과전압 보호를 제공할 수 있는 작은 TVS 다이오드를 선택할 수 있습니다. TVS 다이오드 사용에 대해 자세히 알아보려면 이 기사를 읽어보세요.

PCB 장착 회로 차단기 - 마지막으로, PCB에 장착할 수 있는 소형 회로 차단기가 있으며, 일반적으로 스루홀(through-hole) 구성 요소로 사용됩니다. 이러한 차단기는 높은 전류 등급(수십 암페어)을 가질 수 있으며, 높은 프로파일을 가지고 있어 차단기 스위치에 접근하기 위해 가장자리에 장착되어야 합니다. 이러한 장치는 그들의 인클로저/캐비닛에 장착된 대응품과 동일한 방식으로 기능합니다.

외부 서지 보호

서지 보호를 위해 사용할 수 있는 외부 장치에는 위에서 언급한 기능을 수행하는 모듈뿐만 아니라 회로 차단기도 포함됩니다. 이러한 구성 요소는 인클로저에 장착되거나 랙이나 캐비닛에 장착될 수 있으며, PCB에 직접 장착하기에는 너무 크기 때문입니다. 이러한 구성 요소는 그 후 저게이지 배선을 통해 PCB의 큰 나사 단자에 연결될 수 있으며, 이는 관련된 전류에 따라 다릅니다. 이러한 구성 요소는 일반적으로 AC 라인 전압 및/또는 높은 DC 전압과 함께 사용되며, 아래에 표시된 Allen-Bradley 서지 억제기와 같습니다.

외부 서지 억제기에 더 많은 비용을 지불하는 것이 가치가 있을까요?

이 질문에 대한 답변은 장치가 배치되는 위치에 따라 달라집니다. 이러한 차단기는 산업 환경, 대형 선박(대형 선박), 심지어 항공기와 같이 큰 시스템에서 주로 사용될 가능성이 높습니다. 가장 보수적인 배치와 시스템에서는, 가능한 가장 높은 가동 시간을 유지하고 매우 높은 서지를 견딜 수 있어야 하므로, 외부 차단기는 추가 부품 비용이 들더라도 가치가 있습니다.

외부 서지 억제기를 사용하더라도, 기판 내부에도 부품을 포함시켜야 합니다. 이러한 부품을 설계에 통합하는 데 드는 총 비용은 위의 모든 예방 조치를 취하더라도 미미합니다. 이러한 모든 부품을 함께 사용하면 시스템 전체에서 발생할 수 있는 다양한 고장, 서지, 그리고 순간적인 변동을 방지할 수 있으며, 단지 주 전원 연결이나 전원 공급 입력에서의 전력 서지만을 방지하는 것이 아닙니다.

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