회로 보호하기

PCB 설계는 많은 요소에 의존하는 복잡한 과정입니다. 엔지니어들은 일반적으로 비용 효율적인 솔루션을 찾으면서도 최종 제품의 높은 신뢰성을 유지해야 합니다. 회로 기판에 다양한 보호 조치를 추가하는 것은 단위당 비용을 증가시킬 수 있지만, 야외에서의 실패율을 크게 줄일 수 있으며, 이는 자체적인 지원 및 교체 비용을 수반합니다. 많은 시나리오에서, 추가 단위당 비용은 지원 및 교체 비용에 비해 미미할 수 있으므로, 회로 보호를 필수적인 비용 절감 메커니즘으로 만듭니다.

이 글에서는 사용자 오류, 전력 품질 저하, 예상치 못한 사건에 대해 더 용서할 수 있도록 하고, 규정 준수 테스트를 통과할 가능성을 높이는 데 도움이 되는 회로에 추가할 수 있는 보호 장치를 살펴볼 것입니다. 우리는 전자기 간섭부터 시작하여 흔히 마주치는 안전 문제를 하나씩 살펴볼 것입니다.

전자기 간섭 (EMI)

방사된 전자기 에너지를 줄이는 것은 전자기 호환성 규정 준수를 충족하는 데 있어 중요합니다. 더욱이, 전자기 간섭은 양방향으로 작용하기 때문에, 장치는 들어오는 간섭에 대처할 수 있는 능력을 갖추고 설계되어야 합니다. 대부분의 장치에서 입력 및 출력을 위한 보호 회로는 동일할 것이므로, 규정 준수 테스트를 통과하는 것이 제품의 신호 무결성을 해치는 에너지를 픽업하는 것으로부터 당신을 보호할 가능성이 높습니다.

전자기 호환성 규정 준수의 일반적인 요구 사항을 넘어서, 당신은 대형 전류가 모터나 다른 전력을 많이 소모하는 장치로 향하는 산업 환경이나 강력한 라디오 장치 근처에서 사용되는 장치를 설계할 수 있습니다. 당신의 장치에 연결된 케이블은 유도된 필드로부터 상당한 전압을 픽업할 수 있으며, 이는 센서 읽기를 불안정하게 하거나 통신을 어렵게 만들 수 있습니다. 더 나쁜 것은, 당신의 장치가 이러한 전기적으로 소음이 많은 장치에도 전력을 공급하는 전력 레일에 연결될 수 있으며, 이를 통해 전자기 간섭이 전력 연결을 통해 직접 회로로 들어갈 수 있습니다.

페라이트 칩

페라이트 비드 또는 칩(표면 실장)은 회로 기판에 추가할 수 있는 가장 저렴하고 간단한 보호 방법 중 하나입니다. 겸손한 페라이트는 배치된 지점에서 고주파 잡음을 억제하여 양쪽 모두를 다른 쪽에서 생성된 잡음으로부터 보호합니다. 당신의 장치에 연결된 모든 전도성 케이블은 효과적인 차폐가 없는 한 안테나입니다. 이 케이블은 환경으로부터 잡음을 픽업할 수 있으며 당신의 회로에서 잡음을 방사할 수도 있습니다.

페라이트 칩은 회로에서 저역 통과 필터 역할을 하여 고주파 신호에 대한 높은 저항을 생성합니다. 페라이트 칩 또는 비드를 선택할 때 중요한 사양은 주어진 주파수에서의 임피던스이며, 이는 대개 1MHz 또는 100MHz에서 측정됩니다. 이 사양은 옴으로 표시될 것이며, 지정된 주파수의 신호 구성 요소에 대해 이 값의 저항기처럼 페라이트 칩이 나타날 것입니다.

회로에 대한 또 다른 중요한 사양은 DC 저항(DCR(MAX))으로, 이는 DC 신호에 대한 페라이트의 직렬 저항입니다. 이 직렬 저항은 중요한데, 회로에 영향을 미치며, 페라이트와 직렬로 연결된 도체를 통해 큰 전류를 통과시키려고 할 때 페라이트가 상당히 뜨거워질 수 있기 때문입니다. 따라서 이러한 경우에 중요하게 고려해야 할 전류 등급 사양이 있습니다.

페라이트 비드/칩은 저주파 및 DC 도체에 널리 사용되어야 하며, 케이블에 대한 방사 및 수신 노이즈의 영향을 줄입니다. 또한, 전원 레일에서 매우 낮은 전압 신호로 작동하는 아날로그 회로와 같은 민감한 구성 요소의 전원 레일에 직렬로 하나를 사용하는 것을 고려할 수도 있습니다. 여기서 전원 레일의 노이즈가 신호로 전달될 수 있습니다.

Pi 필터

페라이트 칩이 AC 신호에 대해 높은 저항을 제공하는 반면, 인덕터는 높은 임피던스를 제공합니다. 인덕터는 페라이트 비드만큼 장치의 입력이나 출력을 보호하는 데 자주 사용되지 않지만, 두 개의 커패시터와 짝을 이루면 전도성 노이즈를 줄이는 강력한 도구가 될 수 있습니다. Pi 필터는 그리스 문자 π처럼 생겼기 때문에 이렇게 명명되었으며, 상단에 인덕터가 있고 두 다리가 커패시터입니다. 이는 두 커패시터가 디커플링 역할을 하고 인덕터가 신호에 대한 높은 임피던스를 제공함으로써 매우 효과적인 저역 통과 필터를 만듭니다.

장치가 잠재적으로 노이즈가 많은 소스에서 전력을 받거나 큰 스위치 모드 전원 공급 장치가 내장되어 있다면, 입력에 Pi 필터를 사용하면 EMI 문제를 상당히 줄일 수 있습니다. 인덕터는 일반적으로 페라이트 칩보다 훨씬 더 큰 임피던스와 전류 처리 능력을 가지며, 직렬 저항도 낮습니다. 도체에 몇 암페어의 전류가 흐르거나 상당한 양의 노이즈를 보이는 경우, Pi 필터가 페라이트 칩보다 더 나은 보호를 제공할 가능성이 높습니다.

대부분의 표면 실장, 와이어 와운드, 페라이트 코어 인덕터는 차폐된 버전으로 제공됩니다. 인덕터를 사용하여 노이즈를 줄이는 경우, 차폐된 인덕터는 추가적인 보호를 제공합니다.

직렬 종단 저항

몇 백 킬로헤르츠를 초과하는 주파수의 신호선이 있다면, 임피던스 매칭을 제공하고 반사를 줄이기 위해 선로에 50옴 종단 저항을 추가하는 것을 고려할 수 있습니다. 디지털 전송선에서 부적절하게 종단된 신호로 인한 반사는 논리 레벨의 모호성을 초래하여 데이터가 손상됩니다. 아날로그 선에서는 반사로 인해 신호에서 전력 손실과 유령 효과가 발생할 수 있습니다.

이는 보호 방법이라기보다는 좋은 설계 관행이므로 여기서 언급할 가치가 있습니다.

RF 차폐

RF 제품을 설계하거나 매우 낮은 전압 센서 신호를 다루는 회로를 설계하거나 매우 불리한 전자기 환경에서 작업하는 경우, 전자기 간섭을 대폭 줄이는 궁극적인 해결책은 회로를 RF 차폐로 둘러싸는 것입니다. RF 차폐는 접지되어 있어, 회로의 노출된 도체와 구성 요소로 들어오거나 나가는 모든 전자기 간섭을 차단합니다. 또한, 구성 요소가 장착된 PCB에 잘 설계된 견고한 접지를 배치하면, 하단에서 소음이 유입되거나 빠져나가는 것을 방지할 수 있습니다. 그러나 소음은 차폐된 회로로 들어오고 나갈 수 있으며, 페라이트 칩과 같은 다른 조치로 전도성 소음을 완화할 수 있습니다.

RF 차폐는 다양한 크기로 구입할 수 있으며, 100개 단위의 낮은 수량에서도 맞춤 제작하는 것이 비용 효율적입니다.

회로 기판에 RF 차폐가 필요한지 확실하지 않다면, 차폐를 배치하지 않고 PCB에 설계하는 것이 차후에 차폐를 위한 랜드 패턴을 추가하기 위해 보드를 수정하는 것보다 훨씬 쉽습니다. 이를 통해 테스트 중에 불필요하다고 판명되면 RF 차폐를 사용하지 않기로 선택할 수 있습니다.

극성 반전

과학 영화에서 선장이나 엔지니어가 “극성을 반전하라”고 외치는 것과 달리, 실제 세계에서 전원 공급 장치의 극성을 반전하는 것은 힘의 장을 생성하기보다는 마법의 연기를 방출할 가능성이 더 높습니다. 사용자가 잘못된 유형의 전원 케이블을 사용하거나 입력 커넥터가 극성화되어 있지 않은 경우, 장치에 전원의 극성을 쉽게 반전시킬 수 있으며, 이는 회로의 모든 구성 요소를 손상시킬 수 있습니다.

다행히도, 극성 반전 사건에 대한 보호는 쉽습니다.

입력 다이오드

극성 반전 보호를 추가하는 가장 간단한 방법은 긍정적인 도체와 직렬로 다이오드를 추가하는 것입니다. 다이오드는 전방으로만 전도되므로 입력이 잘못 연결되면 전류가 흐르지 않습니다.

이 접근 방식에는 몇 가지 주요 단점이 있으며, 이는 다이오드의 전방 전압 강하와 관련이 있습니다. 장치가 신뢰성 있게 작동할 수 있는 지점 아래로 전압을 떨어뜨릴 수 있으므로, 장치에 정확히 필요한 전압을 공급하는 경우 다이오드가 문제가 될 수 있습니다.

장치가 적당한 양의 전력을 소비하는 경우, 다이오드는 전류의 크기와 전방 전압 강하에 비례하여 전력을 소산하면서 과열될 수 있습니다. 이러한 발열을 처리할 수 있는 충분한 용량의 다이오드를 선택하면, 회로 기판에 충분한 열을 제공하여 다른 구성 요소가 신뢰성 있게 작동하지 않거나 장치의 수명이 단축될 수 있습니다.

장치가 배터리로 구동되는 경우, 입력 다이오드는 다이오드의 증가된 소산으로 인한 효율성 손실로 인해 배터리 또는 충전의 사용 수명을 줄일 것입니다. 이는 동일한 작동 시간을 제공하기 위해 더 크고 무거우며 비싼 배터리가 필요하게 됩니다.

따라서 입력 다이오드는 입력 전압보다 낮은 작동 전압을 가진 저전류 장치에 대해서만 좋은 해결책입니다. 이의 좋은 예는 USB 케이블로 구동되는 3.3v 이하에서 작동하는 기본 마이크로컨트롤러 회로일 것입니다.

브리지 정류기

다이오드의 전방 전압 강하와 관련된 열/비효율이 귀하의 응용 프로그램에 문제가 되지 않는다면, 입력에 브리지 정류기를 사용하여 극성을 완전히 무시할 수도 있습니다. 간단한 브리지 정류기는 전원이 장치에 어떻게 공급되든지 간에 항상 신뢰할 수 있는 양극과 음극(또는 접지) 전압 레일을 보장합니다.

저는 사용자가 보드에 전선을 납땜하여 자체 전원을 공급하는 매우 저전력, 초소형 장치에서 이 접근 방식을 사용했습니다. 사용자 오류의 가능성이 높았고, 브리지 정류기의 비효율성은 장치나 특정 응용 프로그램에 미미한 영향을 미쳤습니다.

MOSFET

위의 다이오드와는 대조적으로, MOSFET은 매우 낮은 온저항을 가지고 있으며 수백 암페어를 소비하는 DC 회로에 대한 역극성 보호를 제공하거나 배터리로 구동되는 회로에 대해 매우 효율적인 역극성 보호를 제공할 수 있습니다. 낮은 온저항 때문에 회로에 추가적인 열 부담이 거의 없습니다.

회로가 단일 양극 전압 공급 단자(P-채널 MOSFET 사용)를 가지고 있거나 단일 접지 반환 경로(N-채널 MOSFET 사용)를 가지고 있는 한, MOSFET을 역극성 보호에 사용할 수 있습니다. 연결된 장치의 배열이나 대체 전압 입력이 대체 공급 또는 반환 경로를 생성할 경우, 이 접근 방식은 적용되지 않습니다.

N-채널 MOSFET은 동일한 가격에 P-채널보다 낮은 RDS(ON)을 특징으로 하여, 적용 가능한 경우 저에게 선호되는 솔루션입니다. 그러나 접지 반환 경로가 항상 연결되어 있어야 하는 장치에서는 P-채널 MOSFET이 다이오드에 비해 여전히 매우 높은 성능의 솔루션입니다.

MOSFET으로 역전압 보호를 추가할 때, 우리는 그들의 몇 가지 특성을 활용할 수 있습니다. 첫째, 소스에서 드레인 핀으로의 전도를 허용하는 바디 다이오드와, 둘째, 게이트가 충전되면 MOSFET이 어느 방향으로든 전류를 전도할 수 있다는 사실입니다.

N-채널 MOSFET

N-채널 MOSFET은 바디 다이오드가 올바른 극성으로 회로에 전원이 공급될 때 전도하도록 전원 연결부에 설치됩니다. 그런 다음 게이트를 장치의 전원 공급 장치의 양극 입력 전압 레일에 연결합니다. 바디 다이오드는 올바른 극성 전원이 연결될 때 회로를 완성하여 게이트를 활성화하고 바디 다이오드를 단락시킵니다.

P-채널 MOSFET

P-채널 MOSFET의 설정은 기본적으로 N-채널의 반대입니다. 바디 다이오드는 양극 공급에서 회로의 나머지 부분으로 전류를 전도하도록 배향되며, 게이트는 접지에 연결됩니다. 올바른 극성의 전압이 적용되면 게이트가 낮아지고 MOSFET을 충전하여 바디 다이오드를 단락시켜 MOSFET이 정상적으로 전도하게 하여 회로를 완성합니다.

과전류

제품에 고장난 모터와 같이 잘못된 상태로 전환되면 많은 전류를 소비할 수 있는 케이블이나 장치가 있다면, 과전류 보호는 큰 도움이 될 수 있습니다. 케이블은 내부적으로 파손되거나 외부의 힘에 의해 손상되어 도체가 단락되어 보드에 고전류 부하를 유발할 수 있습니다. 이는 의도하지 않은 부하에 대해 설계된 트레이스를 빠르게 가열시켜 실패하게 하거나, 그 도체에 연결된 전원 공급 장치나 다른 장치를 과부하시킬 수 있습니다.

재설정 가능한 퓨즈

양의 온도 계수(PTC) 퓨즈는 전류 소모가 정격을 초과하면 회로의 전원이 차단되도록 보장하는 보호 장치입니다. 전류 소모가 정상으로 돌아오면 퓨즈는 다시 전도하기 시작합니다. 전류 요구량이 약 10암페어를 초과하거나 전압이 60V 정도를 초과한다면, 재설정 가능한 퓨즈는 귀하에게 적합하지 않으며 유리 또는 세라믹 퓨즈와 같은 대안을 찾아봐야 합니다. 이러한 퓨즈는 높은 전류 장치에 대해 우수한 보호를 제공하지만, 대부분의 보호 조치와 마찬가지로 일부 단점이 있습니다.

재설정 가능한 퓨즈는 전도성 입자가 플라스틱 필러 내에 밀접하게 결합되어 생성됩니다. 퓨즈가 정상 온도일 때, 전류가 장치를 통해 흐를 수 있는 경로를 만드는 전도성 물질이 많이 있어 중간 정도의 저항을 가집니다. 전류가 증가함에 따라 퓨즈가 가열되어 플라스틱이 팽창하기 시작합니다. 따라서, 이 팽창은 전도성 입자를 분리하기 시작하여 저항을 증가시켜 퓨즈가 기하급수적으로 더 빠르게 가열되게 합니다. 퓨즈는 플라스틱을 충분히 뜨겁게 유지할 수 있는 소량의 전류만으로 낮은 전도성의 안정된 상태를 유지할 수 있는 지점에 도달합니다.

이 안정된 상태는 제 생각에 퓨즈의 가장 큰 단점입니다. 시장에서 찾을 수 있는 표면 실장 장치의 최소 유지 전류는 10mA로, 이는 실온에서 21mA의 트립에 해당합니다. 이는 상당히 좁은 범위이며, 21mA에서 트립될 장치가 10mA에서 저하된 상태로 계속 작동할 수 있어 손상을 일으킬 수 있습니다. 표면 실장 PTC 퓨즈에서 유지 전류가 트립 전류의 절반인 것은 꽤 흔하므로, 귀하의 장치가 트립 전류에서 손상될 경우 절반의 트립 전류에서도 손상되지 않도록 해야 합니다. 절반의 트립 전류에서 손상될 수 있다면, 이 상태를 감지하고 손상을 방지하기 위해 스스로를 종료하는 다른 방법이 있어야 합니다.

유리/세라믹 퓨즈

귀하의 장치가 전류 임계값에 도달하면 확실히 무언가 크게 잘못되었다는 것을 의미하는 구조로 되어 있다면, 유리 또는 세라믹 퓨즈가 해결책이 될 수 있습니다. 빠른 동작 퓨즈는 정격 전류가 초과된 지 밀리초 내에 실패할 수 있으며, 느린 동작 퓨즈는 필요한 경우, 예를 들어 인러시 전류와 같이 전류 한도를 잠시 초과할 수 있도록 허용할 수 있습니다.

일회용 퓨즈는 꽤 최종적인 해결책이지만, 퓨즈 등급을 초과하는 전류로부터만 보호할 수 있습니다. 바로 일주일 전에, 매우 고급 브랜드의 실험실 전원 공급 장치 회로판을 봤는데, 퓨즈는 멀쩡했지만 회로판이 여러 곳에서 심하게 그을려 있었습니다. 어떤 이유에서든 보드 상의 한 MOSFET이 고장 났고, 그 고장이 나머지 H-브리지 MOSFET에 너무 많은 부하를 주어 빠르고 불길한 연속으로 실패한 것처럼 보였습니다. 그러나 장치의 퓨즈는 각각의 MOSFET이 퓨즈의 등급보다 적은 부하에서 실패하고 있을 때 아무것도 하지 않았습니다.

퓨즈를 사용할 계획이라면, 사용자가 서비스할 수 없는 표면 실장 퓨즈를 구입하거나, 사용자가 서비스할 수 있는 일반적으로 사용 가능한 퓨즈를 위한 홀더를 구입할 수 있습니다. 일반적으로 저는 퓨즈를 사용자가 서비스할 수 없게 만드는 것을 선호하는데, 이는 고객이 보드를 당신에게 반환하도록 강제하여 처음에 퓨즈가 왜 터졌는지 조사할 수 있게 해주기 때문입니다. 이는 퓨즈가 터진 현재 상태가 저하된 구성 요소에 의해 발생했는지, 아니면 반대로 전류 소모 자체가 구성 요소를 저하시켰는지 파악할 수 있게 해줍니다. 단순히 퓨즈를 교체하고 장치를 다시 켜는 것은 퓨즈가 즉시 다시 터지거나, 더 나쁜 경우에는 저하된 구성 요소가 퓨즈 임계값 아래에서 실패하여 장치에 훨씬 더 심각한 손상을 입힐 수 있습니다. 일부 사람들은 공급업체가 서비스해야 하는 퓨즈를 싫어하지만, 공급업체가 퓨즈 실패 원인을 조사할 수 있다면 수백 달러에 달하는 회로판을 교체할 필요가 없어질 수 있습니다.

정전기 방전 (ESD)

낮은 고도, 높은 습도 지역에 살고 있다면, ESD는 설계 과정에서 쉽게 고려할 요소가 아닐 수 있습니다. 덴버나 캘거리와 같은 고도가 높거나 습도가 낮은 도시를 방문하면, 손끝에서 번개처럼 튀어나오는 전기로 주변의 모든 사람과 물건에 충격을 주게 될 것입니다. 당신이 살고 있는 환경이 아무리 좋아서 피부에 수만 볼트가 쌓여 첫 번째 기회에 방전될 가능성이 없다고 해도, 당신의 제품이 그곳에 도착하지 않을 것이라는 의미는 아닙니다. 카펫 위를 걷거나 자켓을 벗으면서 큰 정전기를 발생시킨 사용자의 한 번의 부주의한 접촉으로, 당신의 장치가 파괴되거나 심각하게 손상될 수 있습니다.

우수한 ESD 보호를 제공하는 것은 꽤 큰 주제이므로, 이 글은 옵션을 빠르게 다룰 것이며, ESD 보호에 대해 심층적으로 다루는 다른 글이 곧 발행될 예정입니다.

TVS 다이오드

입력에 대한 ESD 보호를 위한 가장 저렴하고 신뢰할 수 있는 방법 중 하나는 TVS 다이오드입니다. TVS 다이오드는 예상치 못한 순간 전압에 대해서도 우수한 보호 기능을 제공합니다.

제가 설계하는 대부분의 장치에는 사용자가 손으로 만지거나 손가락으로 만질 수 있는 모든 입력에 TVS 다이오드를 추가합니다. 22kV 방전은 약 20mm 간격을 뛰어넘을 수 있으므로, 커넥터의 핀이 안쪽에 배치되어 있다고 해서 ESD로부터 보호된다는 보장은 없습니다. TVS 다이오드는 저렴하고 컴팩트하며 설계에 추가하기 쉬우므로 사용하지 않을 이유가 거의 없습니다. USB 3.0과 같은 고주파 통신을 방해하지 않는 다양한 장치가 있어 모든 연결에 사용할 수 있습니다.

TVS 다이오드가 매우 큰 정전기 방전 이벤트를 견디지 못할 수도 있다고 언급했지만, 각 라인에 저렴한 다이오드를 사용하면 가스 방전 튜브의 큰 비용 없이도 대부분의 방전을 견딜 수 있습니다. 일부 엔지니어들은 모든 이벤트로부터 회로를 보호하지 못할 수도 있으므로 ESD 보호에 돈을 낭비하지 말라고 말하지만, 적어도 95%의 이벤트를 방지한다는 사실이 저에게는 충분히 좋습니다.

가스 방전 튜브 어레스터

가스 방전 튜브는 연결에 직접 노출된 마이크로컨트롤러 입력을 보호하는 데 특히 적합하지 않지만, AC 메인 입력이나 통신 장비를 ESD 및 심지어 번개로부터 보호하는 데는 특히 탁월합니다. 대량의 에너지를 급하게 접지로 이동시켜야 한다면, 가스 방전 튜브가 바로 찾고 있는 것입니다.

가스 방전 튜브는 입력과 접지 사이의 전압이 내부의 가스를 이온화시킴으로써 작동합니다. 이 임계값에 도달하면, 이온화된 가스는 동일한 크기의 실리콘 장치가 처리할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 전류를 쉽게 전도할 수 있습니다.

말했듯이, 이것들은 마이크로컨트롤러를 보호하는 데 특히 유용하지 않습니다—스파크 오버 전압에 의해 재고된 가스 방전 튜브의 양은 그 이유를 명확하게 보여줍니다. 약 20%는 스파크 오버 전압이 100V 미만이고, 20%는 150V와 250V 사이, 20%는 250V와 350V 사이, 또 다른 20%는 350V와 1000V 사이이며, 나머지는 1000V를 초과합니다. 이것은 사용처에 대한 좋은 아이디어를 제공합니다—일반적으로 110V 장치, 240/250V 장치, 380/400V 장치 및 기타 장치와 함께 사용되며, 90V 미만의 장치에 사용할 수 있는 옵션은 몇 가지뿐입니다. 이는 가스 방전 튜브가 들어오는 에너지를 차단해야 할 경우 3.3v 마이크로컨트롤러 입력이 전압과 전류에 의해 소손될 가능성이 높다는 것을 의미합니다.

통신 장치나 설치자나 조명으로부터 ESD 이벤트를 처리할 수 있는 AC 전력에 연결된 장치가 있다면, GDT가 작업을 수행할 수 있습니다. 저비용 가스 방전 튜브는 5,000암페어를 쉽게 처리할 수 있으며, 최대 25,000암페어를 제공하는 컴팩트 옵션도 있습니다.

이렇게 많은 전류를 처리하려면, 보드를 보호하면서 접지 반환 경로를 기화시키지 않도록 가스 방전 튜브 주변의 접지 연결에 심각한 고려가 필요합니다.

PCB 특징

가난한 사람의 ESD 보호는 외부 구성 요소 없이 구축될 수 있습니다. 고전압은 가능한 한 빠르고 효율적으로 접지로 이동하려고 하며, 그 과정에서 일부 공기를 이온화하여 거기에 도달하기 위한 전도 경로를 만들어 낼 것입니다. 회로 기판에서 보호하려는 커넥터 핀에서부터, 다른 하나는 접지 평면에서 서로를 향해 가리키는 몇 개의 삼각형을 만듦으로써, 간단한 스파크 갭을 만들 수 있습니다. ESD 이벤트는 쉽게 스파크를 일으킬 수 있지만 정상적인 장치 작동은 그렇지 않을 만큼 충분히 큰 갭을 제공함으로써, 회로 기판에 대한 기본적인 보호를 제공할 수 있습니다.

사용하기 쉽다는 장점에도 불구하고, 일부 엔지니어들은 스파크 갭을 설계하는 데 시간을 할애할 가치가 있는지 의문을 제기합니다. 스파크 갭은 가스 방전 튜브와 마찬가지로, 스파크 오버 전압이 로직 레벨 전압에 비해 상대적으로 높습니다. 이는 스파크 갭이 ESD 이벤트로부터 마이크로컨트롤러나 다른 로직 레벨 장치의 입력 또는 출력을 충분히 보호하지 못할 수 있음을 의미합니다. 도체와 접지가 서로 가깝게 노출되어 있으면 오염물질이 갭을 가로질러 전류를 전도할 수도 있어, 신호를 왜곡하거나 연결의 기능을 저하시키거나 심지어 무언가를 손상시킬 수도 있습니다.

응용 프로그램에 따라 커넥터에 스파크 갭을 구축하는 것이 현명할 수도 있지만, 다른 응용 프로그램에서는 조기 장치 고장으로 이어질 수 있습니다.

생산 후 보호

회로 기판에 적용하는 모든 보호 기능이 회로 내부에만 있는 것은 아닙니다. 보드가 부식 및 습기로부터 보호되도록 보장하거나 전기적 보호를 전반적으로 개선하기 위해 보드에 물질을 적용해야 할 수도 있습니다.

컨포멀 코팅

컨포멀 코팅은 많은 환경적 도전에 노출될 회로 기판에 아주 좋습니다. 컨포멀 코팅된 회로 기판은 습기에 저항하거나 방수 기능을 갖추고 있으며, 보드에서 단락을 일으키는 먼지나 기타 이물질로부터 면역되며, 대기 중 부식으로부터도 저항력을 갖습니다. 컨포멀 코팅은 보드에 스프레이하거나 칠할 수 있으며, 커버해야 할 기하학적 형태, 즉 표면적과 복잡성 측면에서 필요한 것에 따라 달라집니다. 컨포멀 코팅을 커넥터나 납땜해야 하는 영역에는 바르지 않도록 주의해야 하며, 이는 전기 접촉을 방해할 수 있습니다. 극한 환경용 회로 기판을 전문으로 하는 계약 제조업체 중 상당수는 로봇을 이용해 회로 기판에 컨포멀 코팅을 분사할 수 있는 시설을 갖추고 있습니다. 소량 작업의 경우, 손으로 빠르게 적용하는 것이 상대적으로 간단합니다.

포팅

컨포멀 코팅이 좋게 들린다면, 전자 장치를 포팅하는 아이디어를 사랑하게 될 것입니다. 포팅은 일반적으로 회로 기판의 인클로저를 실리콘 또는 에폭시와 같은 비전도성 수지로 채워, 회로 기판을 외부의 간섭으로부터 완전히 격리시키고, 충격 및 진동에 대한 장치의 내성을 크게 향상시키는 것을 말합니다. 고전압을 다루는 경우, 공기 대신 훨씬 덜 전도성이 있는 물질로 대체하면 구성 요소 간의 크리피지 갭을 줄일 수 있으며, 고전압으로 인해 공기가 이온화됨에 따른 고장 가능성도 줄일 수 있습니다. 포팅된 전자 장치는 일반적으로 배치된 환경에 불투과성이며, 수지가 먼지, 습기 및 부식성 물질의 장벽 역할을 합니다.

다음과 같은 요구 사항이 있는 경우 전자 장치를 포팅하는 것을 고려할 가능성이 높습니다:

• 폭발 방지 설계 (즉, 장치가 휘발성 환경에서 폭발을 일으킬 가능성이 없음.)
• 매우 높은 전압.
• 높은 진동이나 충격 처리.
• 극한 환경 조건 (예: 부식, 습기, 압력, 진공)

에폭시와 같은 수지로 장치를 포팅하면 각 구성 요소에서 완전히 제거할 수 없어 제품의 역설계를 걱정할 필요가 없습니다. 보드와 구성 요소에 접근하는 것이 실질적으로 불가능할 것이기 때문입니다.

단점 중 하나는 보드와 구성 요소에 접근하는 것이 거의 불가능하다는 것입니다. 이는 보드가 포팅되면 수리나 진단이 불가능하다는 것을 의미하므로, 사용자가 제품을 받은 후 보드에 문제가 발생하면 유일한 옵션은 전체 교체일 것입니다.

또 다른 단점은 열 전도성이 떨어진다는 것입니다. 열 전도성이 있는 수지가 있으며, 이는 열 발산을 개선할 수 있지만, 이러한 수지는 상당히 비쌀 수 있습니다. 열과 공기를 전혀 전도하지 않는 물질로 회로 기판을 완전히 봉인하면 상당한 양의 열을 발산해야 하는 장치가 과열로 인해 실패하게 되며, 히트싱크 사용도 어렵게 만듭니다.

우리가 대부분의 사람들에게 관련된 회로 보호 방법에 대해 논의했지만, PCB 설계는 많은 다양한 산업에 통합되어 있습니다. 일부 응용 프로그램은 더 극단적인 보호 방법을 요구할 수 있으며, 다른 응용 프로그램은 거의 보호가 필요하지 않을 수 있습니다. 아래 댓글 섹션에서 여러분의 생각을 알려주세요.

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