PCB 설계 지침: 과도 보호를 위한 TVS 다이오드 사용하기

Zachariah Peterson
|  작성 날짜: 시월 22, 2022  |  업데이트 날짜: 시월 12, 2024
TVS 다이오드

하드웨어 엔지니어에게 서지 보호는 올바른 전원 스트립을 구입하거나 몇 개의 케이블을 뽑는 것 이상을 의미합니다. 이는 PCB 레이아웃에 일시적 보호 구성 요소를 전략적으로 배치하고 명확한 접지 전략을 구현하는 것을 포함합니다. TVS 다이오드는 PCB 레이아웃에서 구성 요소를 보호하는 데 사용되는 일반적인 구성 요소입니다. 이러한 구성 요소는 데이터 라인에 배치되며, 회로에서 ESD 펄스를 받으면 보호되는 구성 요소로부터 전류를 전환하여 작동합니다. PCB 레이아웃이 일시적 보호에 최적화되어 있는지 확인하는 것은 기능적인 장치와 손상된 회로 기판 사이의 차이를 의미할 수 있습니다.

TVS 다이오드는 무엇이며 어떻게 작동하나요?

일시적 전압 억제(TVS) 다이오드는 정전기 방전(ESD)과 관련된 일시적 이벤트에 대한 장치를 보호하는 데 일반적으로 사용되는 구성 요소입니다. (제너 다이오드나 쇼트키 다이오드와 혼동해서는 안 됩니다.) 이는 일시적 전압 스파이크 동안 전도성을 갖게 되는 p-n 반도체 접합으로 구성됩니다. 정상적인 상황에서 TVS 다이오드는 매우 낮은 누설 전류로 높은 임피던스를 가지며, 효과적으로 개방 회로처럼 작동합니다.

전압이 트랜지언트 전압 억제기의 임계 전압을 넘어서면, 반도체 내의 산사 효과로 인해 p-n 접합이 전도하기 시작하여, 과도한 전류를 보호 대상 장치에서 멀리 채널링하는 저임피던스 경로를 제공합니다. TVS 다이오드의 응답 시간은 극히 빠르며, 종종 피코초 단위로 표현되므로, 이러한 구성 요소는 상대적으로 빠른 상승 시간을 가진 강력한 ESD 펄스를 매우 빠르게 전환할 수 있습니다.

설계에 적합한 TVS 다이오드 선택하기

모든 TVS 다이오드는 기본적으로 다이오드입니다: 충분히 큰 순방향 또는 역방향 바이어스 전압을 적용하면, 전도하기 시작합니다. 물론, 모든 TVS 다이오드가 같은 것은 아닙니다. 설계에 잘못된 것을 선택하면 처음부터 트랜지언트 보호가 효과적이지 않을 수 있습니다. TVS 다이오드를 선택할 때 이해해야 할 몇 가지 매개변수가 있습니다:

  • 역방향 바이어스 붕괴 전압 (VB) - TVS 다이오드가 전도하기 시작하는 역방향 바이어스 전압입니다. TVS 다이오드가 전도를 시작하면, ESD 펄스를 보호되는 구성 요소에서 멀리 전환합니다.
  • 클램핑 전압 (VC) - 클램핑 전압은 역방향 바이어스 붕괴가 초과된 후 TVS 다이오드가 상당히 전도하기 시작하는 최소 전압입니다. 이 값은 지정된 피크 전류의 한계 내에서 정의됩니다. 일반적으로, 낮은 VC 값은 구성 요소에 더 많은 보호를 제공하며, VC는 보호되는 구성 요소의 입력 전압 한계보다 작아야 합니다.
  • 정격 대기 전압 (VWM) - 이것은 TVS 다이오드가 절연 상태를 유지할 역방향 바이어스 전압 한계를 나타냅니다. 정격 대기 전압 내에서, TVS 다이오드는 높은 임피던스를 가지며, 소량의 누설 전류만을 가집니다.
  • 피크 펄스 전력 소산 (PPP) - TVS 다이오드는 과도한 전압에 의해 발생하는 과도한 전류를 안전하게 소산할 수 있어야 합니다. 이는 피크 펄스 전력 소산으로 나타납니다.

TVS 다이오드는 어떻게 작동하나요?

모든 TVS 다이오드는 간단한 원리로 작동합니다: 회로에 ESD 펄스가 수신되면, 펄스는 매우 빠르게 다이오드의 역방향 돌파 전압 값을 초과할 수 있습니다. 커넥터를 통해 외부 환경에 자신의 도체를 노출하는 장치는 해당 도체에서 ESD 펄스를 수신할 수 있습니다. 이러한 도체가 구성 요소로 이어지는 신호선의 일부인 경우, 수신된 ESD 펄스는 구성 요소로 고전압/고전류 펄스를 전달할 것입니다. 이는 구성 요소를 파괴할 수 있습니다.

신호선에서 ESD가 발생하고 신호선에 TVS 다이오드가 있는 경우, 다이오드는 전도를 시작하고 펄스가 다이오드를 통과할 수 있습니다. 이를 통해 다이오드는 ESD 펄스를 보호된 회로로부터 멀리 돌려보낼 수 있습니다. 전형적인 연결은 양극을 접지 연결에 연결하여 ESD 펄스가 접지로 전달되도록 하는 것입니다. 접지 영역에 저임피던스 경로가 있는 한, 펄스는 보호된 구성 요소로부터 멀리 돌려보내질 것입니다.

TVS diode reverse bias

 

양방향인가 단방향인가?

TVS 다이오드는 양방향과 단방향의 두 가지 종류가 있습니다. 이 두 종류의 TVS 다이오드는 아래와 같이 다른 기호를 가지고 있습니다.

TVS diode symbol

TVS 다이오드를 구매할 때 "TVS 다이오드"라는 용어가 단방향 타입만을 의미한다는 점을 알아두는 것이 중요합니다. 따라서 양방향 구성 요소가 필요한 경우, 이를 명시해야 합니다.

그렇다면 어떤 타입의 TVS 다이오드를 선택해야 할까요? 양방향 TVS 다이오드를 사용하는 주된 이유는 회로가 양극성 신호를 전달할 때 보호를 제공하기 위해서입니다. 이것이 차동 쌍이나 양극성 사이를 진동하는 아날로그 라인에 양방향 TVS 다이오드가 사용되는 이유입니다.

저는 포괄적인 고장 보호와 ESD 보호를 위해 양방향 TVS 다이오드를 선호해야 한다고 확신합니다. 이는 지면 영역이 보호하고자 하는 신호 라인처럼 ESD 펄스를 받을 수 있기 때문입니다. 지면 고장이 발생하여 지면을 통한 경로의 임피던스가 높아지면, 가장 낮은 임피던스 경로가 단방향 다이오드를 통해 보호하려는 구성 요소로 이어질 수 있습니다! 하지만, 다이오드가 양방향이라면 지면 고장이 있어도 구성 요소를 보호할 가능성이 있습니다.

TVS 다이오드를 위한 PCB 레이아웃 팁

TVS 다이오드를 올바르게 선택하는 것 외에도, 보호의 효과는 PCB 레이아웃 자체에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 양방향 TVS 다이오드는 아래 회로도에서 보호하고 있는 회로와 병렬로 연결됩니다. 회로도는 MAX3485 트랜시버에 TVS 다이오드를 연결하는 전형적인 방법을 나타냅니다:

Schematic of typical TVS diode connection

TVS 다이오드 연결의 전형적인 회로도.

이 예에서, D+ 및 D- 라인이 외부 환경에 노출되어 ESD(정전기 방전) 사건이 발생하고, 이 사건이 GND에 대해 양의 전압을 생성한다면, ESD 전압이 TVS 역방향 바이어스 파괴 전압을 초과하는 한 TVS 다이오드는 전도를 시작하게 됩니다. GND 평면에서 전류가 흐르기 시작하는 ESD 사건이 발생했다면, 시스템에 저임피던스 접지 경로가 있다면 전류는 구성 요소로부터 완전히 이탈되어야 합니다.

ESD가 접지 도체에 의해 수신될 경우, 양방향 TVS 다이오드가 선호되는데, 이는 여전히 일부 보호 기능을 제공할 수 있기 때문입니다. 반면에 TVS 다이오드가 단방향일 경우, 트랜시버는 여전히 일부 전압에 노출될 수 있습니다. 양방향 TVS 다이오드를 사용한 선호되는 분기는 적용된 펄스가 전도가 발생하기 전에 일정 임계값(상단 TVS 다이오드의 VB 값) 이상으로 상승해야 하기 때문입니다.

PCB 레이아웃에서는 TVS 다이오드가 올바르게 기능하도록 몇 가지 중요한 지침을 따라야 합니다. 이에는 배치, 접지, 그리고 차폐에 사용되는 저항이나 커패시터와 같은 수동 부품의 사용이 포함됩니다.

TVS 다이오드의 배치

ESD가 전자 장치의 노출된 도체 근처에서 발생할 수 있으므로, TVS 다이오드를 그 도체가 외부 환경에 노출되는 지역 근처에 배치하는 것이 가장 좋습니다. 아래에는 2핀 커넥터가 있는 간단한 레이아웃 예가 나와 있습니다.

Layout of component placement with appropriate board edge clearance

ESD 펄스를 받을 위험이 있는 노출된 도체 근처에 TVS 다이오드를 배치하세요.

PCB 트레이스는 기생 인덕턴스를 가지고 있어 TVS 다이오드의 클램핑 전압이 지정된 한계를 초과하게 할 수 있습니다. TVS 다이오드의 트레이스는 트랜시버의 트레이스에 비해 상대적으로 짧아야 하며, 임피던스를 최소화하고 서지에서 과도한 에너지가 소산되도록 해야 합니다. 이는 TVS 다이오드로 이어지는 경로에서 기생 인덕턴스를 최소화할 것입니다.

접지

가능하다면, TVS 다이오드를 보호되는 구성 요소와 다른 접지 네트에 연결하는 것이 좋습니다. 이는 접지 평면을 분할해야 한다는 의미는 아닙니다. 대신, 가장 안전한 연결 유형은 TVS 다이오드가 사용 가능한 경우 샤시 접지에 금속 요소에 연결되는 것이며, 연결은 보통 샤시 나사나 마운팅 홀에 연결된 트레이스로 이루어집니다. 이러한 연결이 가능하지 않은 경우에는 내부 평면에 연결할 수 있습니다. 그러나 강한 ESD의 위험이 있는 환경에서는 안전한 금속 샤시 접지를 갖춘 샤시에 장치를 포장한 다음 지구 연결을 따라야 합니다.

차폐에서 패시브 제거

일부 구성 요소, 예를 들어 차폐된 커넥터는 노출된 도체를 보호하는 추가적인 금속 차폐를 가지고 있습니다. 커넥터의 차폐는 기계적 또는 열 보호를 위한 것이 아니라, 실제로는 노이즈 수신 방지와 ESD로부터 보호하기 위한 것입니다. ESD의 위험이 있다면, 차폐된 커넥터는 TVS 다이오드와 함께 사용될 수 있습니다. TVS 다이오드는 신호 라인에 연결되고, 커넥터의 차폐는 직접 접지에 연결됩니다.

TVS diodes on connector
데이터 라인의 TVS 다이오드 두 개와의 연결 예입니다.

위 이미지에서, 저는 섀시와 신호 접지 사이에 직접 연결을 배치했습니다. 일반적인 접근 방식은 시스템에서 이 연결을 한 위치에 두어 모든 도체에서 균일한 접지 전위를 보장하면서도, 정규 반환 전류가 섀시를 통과하지 않도록 제어하는 것입니다. GND가 저임피던스, 저인덕턴스 접지면인 한 여기에도 같은 원칙이 적용된다고 말할 수 있습니다. 이것이 시스템의 갈바닉으로 분리된 영역이라면, 위의 회로도에서 암시된 것처럼 그 연결을 커넥터 본체에 더 가깝게 두는 것이 최선일 수 있습니다.

어떤 경우에는 스너버 회로나 병렬 RC 회로를 통해 차폐를 접지에 연결하려는 시도를 볼 수 있습니다. 이 두 방법 모두 차폐 커넥터를 사용하는 전체 목적을 무시하는 것입니다. 대신, 차폐와 섀시 접지(가능한 경우) 또는 접지 평면 사이에 직접 연결을 만드십시오. 이렇게 하면 매우 낮은 임피던스의 접지 경로가 생성되어 ESD 사건에서 보호되는 구성 요소에 도달하는 에너지를 방지합니다. 반환 전류를 제어하는 데 문제가 있을 경우(예: 부유 접지와 같은 경우), 적절한 접근 방식은 차폐와 접지 평면 사이에 큰 커패시터를 두는 것입니다; 이는 빠른 ESD 펄스를 션트할 수 있도록 하고 두 접지 사이의 오프셋으로 인해 시스템에서 고주파 잡음이 방사되지 않도록 합니다.

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작성자 정보

작성자 정보

Zachariah Peterson은 학계 및 업계에서 폭넓은 기술 분야 경력을 가지고 있으며, 지금은 전자 산업 회사에 연구, 설계 및 마케팅 서비스를 제공하고 있습니다. PCB 업계에서 일하기 전에는 포틀랜드 주립대학교(Portland State University )에서 학생들을 가르치고 랜덤 레이저 이론, 재료 및 안정성에 대한 연구를 수행했으며, 과학 연구에서는 나노 입자 레이저, 전자 및 광전자 반도체 장치, 환경 센서, 추계학 관련 주제를 다루었습니다. Zachariah의 연구는 10여 개의 동료 평가 저널 및 콘퍼런스 자료에 게재되었으며, Zachariah는 여러 회사를 위해 2천여 개의 PCB 설계 관련 기술 문서를 작성했습니다. Zachariah는 IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society 및 PCEA(Printed Circuit Engineering Association)의 회원입니다. 이전에는 양자 전자 공학의 기술 표준을 연구하는 INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee에서 의결권이 있는 회원으로 활동했으며, 지금은 SPICE 급 회로 시뮬레이터를 사용하여 광자 신호를 나타내는 포트 인터페이스에 집중하고 있는 IEEE P3186 Working Group에서 활동하고 있습니다.

관련 자료

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