정전기 방전(ESD) 보호를 위해 커패시터를 사용해야 할까요?

최근 LinkedIn 게시물에서 커넥터에서 PCB로 들어오는 라인에 대한 ESD 보호를 위해 커패시터를 사용하는 방법에 대해 봤습니다. 저는 몰랐었는데, apparently 전원 라인과 신호 라인에 커패시터를 배치하여 ESD 보호의 한 형태로 사용할 수 있다는 다소 인기 있는 견해가 있습니다. 이것이 적절한 지침인가요?

저의 견해와 다른 매우 경험 많은 설계자들의 견해로는, 커넥터에서 나오는 모든 회로에 대해 ESD 보호의 유일한 형태로 커패시터를 사용하는 것이 보편적으로 적절하지 않다는 것입니다. 이는 특히 고속 신호와 관련하여 사실입니다. 커패시터의 충전/방전 능력, 필터링 능력, 그리고 커패시터의 전형적인 전압 등급을 간단히 살펴보면, 이 지침을 맹목적으로 따라서는 안 된다는 것을 알 수 있습니다.

ESD 보호를 위한 커패시터?

여기서 언급하는 지침은 다음에 대해 ESD 보호를 위해 1 pF에서 1 nF 커패시터를 사용하는 것을 권장합니다:

• 커넥터에서 나오는 모든 신호 라인
• 커넥터에서 나오는 모든 전원 라인

빠른 전압을 지면으로 션트하는 아이디어에서 생각해보면, 매우 작은 커패시터를 사용하여 ESD 보호를 제공하는 아이디어는 말이 됩니다; 커패시터는 기본적으로 필터처럼 작동합니다.

그러나 실제 캐패시터의 사양을 살펴보면, 시스템에서 ESD 보호의 유일한 형태로 캐패시터를 사용하지 않는 몇 가지 좋은 이유가 있음을 알 수 있습니다.

빠른 전이와 고전압

전압 등급과 케이스 크기

ESD에 대한 잠재적 해결책으로 구성 요소를 살펴볼 때 시작하는 첫 번째 장소는 전압 등급입니다.

전력 네트워크: 이 경우, 고전압 캐패시터를 보호용으로 사용하려고 시도할 수 있습니다. 데이터에서 볼 수 있듯이, 전압 등급과 용량은 케이스 크기를 통해 관련되어 있습니다.

ESD가 발생할 것으로 예상되는 고전압 시스템에서 작업하는 경우, 사용할 수 있는 고전압 캐패시터가 있습니다. 일반적인 ESD 경우에는 보호 캐패시터를 통해 충분한 전하를 떨어뜨릴 수 있지만, 목표 전압 등급에 따라 큰 SMD 케이스 크기가 필요할 수 있습니다.

아래 이미지는 AVX 고전압 세라믹 캐패시터의 데이터를 보여줍니다; 이 캐패시터들은 낮은 용량과 고전압을 커넥터에서 트레이스로 연결하기에 충분히 작은 케이스 크기에서 필요로 할 경우 일반적으로 사용하는 타입입니다.

이 표에 나타난 값들은 다른 벤더의 부품들과 유사하며, ESD 보호를 위한 적합한 커패시터를 찾기 어려울 수 있음을 명확히 해야 합니다. 이 부품의 경우, 매우 높은 전압까지 보호하려면 3640이라는 큰 케이스 크기가 필요하며, 이는 많은 부동산을 차지합니다. 예를 들어, 40핀 I/O 커넥터가 있고 모든 신호 라인에 커패시터를 달고 싶다면, 큰 3640 케이스 크기가 아닌 0402 케이스 크기와 같은 것을 선호할 것입니다. 높은 전압에서 전원 커넥터에서 나오는 리드에 3640 케이스 크기를 맞출 수는 있지만, 커넥터에서 나오는 신호 라인에 많은 수의 3640 커패시터를 맞출 수는 없을 것입니다.

신호 네트워크: 신호 네트워크의 경우, 커패시터의 전압 등급은 적용된 감액을 고려하여 로직 레벨에 가까워야 합니다. 즉, 전압 등급은 회선상에서 예상되는 최대 DC 전압을 초과해야 하며, 커패시터 크기는 상당히 커야 합니다. 이러한 경우에는 로직 레벨 전압 등급을 가진 0402 케이스 크기의 약 100 nF 커패시터를 찾을 수 있습니다. 그러나, 이러한 큰 커패시터는 빠른 신호를 필터링할 수 있는 능력 때문에 바람직하지 않습니다(아래 참조). 다시 말하지만, 신호 라인에서 ESD 보호의 유일한 형태로 커패시터를 사용하는 것보다 다른 방법에 의존하는 것이 좋습니다.

응답 시간 및 직렬 인덕턴스 (ESL)

TVS 다이오드를 커패시터보다 선호하는 다음 이유는 TVS 다이오드의 응답 시간과 양방향성입니다. ESD 이벤트에서 커패시터의 응답 시간은 중요한데, 만약 그 전력을 접지로 전환하고자 한다면, 커패시터는 필터링 작용을 제공하기 위해 ESD 이벤트보다 더 빠르게 충전/방전되어야 합니다.

양방향 TVS 다이오드는 빠른 과도 전압이 주어졌을 때 피코초 단위로 반응할 수 있습니다. 시장에 나와 있는 캐패시터로 같은 수준에 도달하려면 pF 수준의 용량과 매우 낮은 ESL이 필요합니다. 이러한 캐패시터는 존재하지만, 그들의 전압 등급은 로직 수준에서 kV 수준이 아니며, 이는 그들의 작은 케이스 크기(0402 또는 0201) 때문입니다. 전형적인 케이스 크기는 더 높은 ESL을 가지므로 바람직하지 않습니다.

여기에 표시된 등가 캐패시터 회로는 빠른 과도, ESD 사건에 의한 공진의 여기를 설명합니다.

전압 등급 문제와 전형적인 고전압 캐패시터의 인덕턴스가 큰 케이스 크기를 요구하기 때문에, 특히 신호선에서 ESD 보호 수단으로 캐패시터를 피하는 것이 최선입니다. 다시 말하지만, TVS 다이오드는 고전압 ESD 사건을 처리할 수 있는 충분히 빠른 응답 시간을 제공할 수 있으며, 특정 신호 유형을 위해 설계된 TVS 다이오드가 있습니다.

당신의 신호도 필터링됩니다

신호선에서 이러한 종류의 캐패시터가 ESD만 필터링하고 신호는 필터링하지 않았다면 얼마나 좋을까요? 실제로 그렇게 할 수 있는 이상적인 ESD 보호 구성 요소는 TVS 다이오드입니다.

디지털 신호선에 대한 션트 요소로서 커패시터를 배치하는 것은 본질적으로 신호를 필터링하고 사용 가능한 채널 대역폭을 제한합니다. 이것은 고속 설계에 있어서 바람직하지 않은데, 이상적으로는 대역폭 제한이 없기를 원하기 때문입니다. 아이러니한 것은 ESD 필터링보다 신호 필터링이 더 심각할 것이라는 점입니다. 왜냐하면 전형적인 ESD 펄스는 대부분의 고속 신호만큼 빠르지 않기 때문입니다. 이것은 시스템에 ESD 내성 요구사항이 있다면 커패시터를 사용하지 않고 TVS 다이오드만을 고수해야 하는 또 다른 이유입니다.

느린 전이와 전력선

"느린" 전이는 여기서 커패시터의 응답 시간보다 훨씬 작은 전환 시간을 가진 모든 전이를 말합니다. 이 경우, 일반적으로 마이크로패럿 커패시터를 볼 수 있습니다. 전이가 느리고 전하 보존의 가정에 기반하여, 커패시터가 ESD 보호를 제공하는 방법을 설명하는 논리를 전개할 수 있습니다:

1. 가정해 보겠습니다. ESD 펄스 V가 일정한 전체 전류 I
2. 를 전달한다고 합니다. I와 전체 펄스 시간으로부터, ESD 펄스 동안 전달된 전체 전하 Q
3. 를 계산할 수 있습니다. Q와 V는 ESD 펄스를 공급하는 등가 용량 C
4. 를 정의합니다. 만약 C가 우리의 ESD 커패시터 C*와 병렬로 모델링된다면, Q는 C와 C*에 함께 분배됩니다
5. . 이는 보호 회로의 입력에서 볼 수 있는 전체 전압을 낮춥니다

. 이 논리에서 사용된 등가 회로 모델은 아래에 나타나 있습니다.

보호 커패시터(C*)와 ESD 소스(C)에 걸쳐 기존 전하가 분배된 후 관찰될 새로운 전압을 단순히 계산한다면, 다음과 같은 전압을 예상할 수 있습니다:

따라서 필요한 용량은 다음과 같습니다:

이 충전 재분배 모델에서, 5 kV ESD 전압을 3.3 V로 떨어뜨려 논리 회선을 보호하려면 ESD 소스의 등가 용량이 C = 330 pF라고 가정할 때 C* = 500 nF 용량이 필요합니다. 50% 감쇠율을 적용하면 이 경우 1 uF 커패시터가 필요합니다. 실제 상황에서 ESD 소스는 소스에 더 큰 직렬 저항과 더 작은 소스 용량을 포함하는 인체 모델과 더 유사하게 나타날 수 있음에 유의하십시오.

이것이 좋은 것인가, 나쁜 것인가? 전력선의 경우, 이것이 적절하다고 정당화할 수 있지만, 모든 상황에서 높은 내전압까지 보호하지는 않습니다. 표준 벌크 커패시터는 작은 SMD에 비해 회로를 더 잘 보호할 것입니다. 대부분의 경우, 어쨌든 추가적인 회로 보호 메커니즘이 필요할 것입니다.

신호선에 이 방법을 시도하면 필요한 케이스 크기가 매우 클 수 있습니다. 이러한 커패시터는 신호를 심하게 필터링하고 과도한 대역폭 제한을 생성할 것입니다. 그러나 수신 구성요소의 I/O 핀이 구성선(예: ASIC의 ENABLE 핀 또는 가능하다면 I2C)에서 마이크로초 전환 시간을 견딜 수 있다면, 커패시터 사용이 정당화될 수 있지만 신호선의 포괄적인 보호를 제공하지는 않습니다. 다시 한번, 내성 요구 사항이 있다면 TVS 다이오드를 사용하십시오.

커패시터가 도움이 될 수 있는 경우: 작은 전력 서지 및 스위칭 이벤트

커패시터가 ESD 이벤트에 최적의 옵션이 아니라고 해서, 특정 형태의 회로 보호에 유용하지 않다는 의미는 아닙니다. 작은 전력 서지와 스위칭 이벤트로부터의 순간 전압을 필터링하는 것은 커패시터가 가치를 제공하는 두 가지 사례입니다. 이들은 여전히 일반적인 저전압 전력 서지 및 순간 전압보다 빠르게 반응할 수 있습니다.

전력 서지는 소량에서 수천 볼트에 이르기까지 다양할 수 있습니다. 주 전원이나 불규칙한 공급원에 연결된 선의 경우, 정류된 전력이 안정적이고 서지가 억제되어 하류 장치에 전력이 분배되기 전에 다음과 같은 세 가지 접근 방식이 일반적입니다: 이는 다음 구성 요소를 포함할 것입니다:

• 가스 방전 튜브 - 고전압 보호를 위한 느린 반응
• TVS 다이오드 - 고전압/저전류 펄스에 대한 매우 빠른 반응
• 바리스터 - 이 부품은 적용된 전압에 대한 반응으로 저항이 변화합니다

이 시스템에서 전압 감지 릴레이와 퓨즈도 볼 수 있습니다. 둘 다 과전압 보호와 과전류 보호를 제공하기 위해 다른 회로 요소와 함께 사용될 수 있으며, 보호된 회로를 열고 나중에 재설정합니다

이러한 구성 요소는 집에서 사용하는 서지 보호기에 사용되는 것을 볼 수 있습니다; 같은 전략이 주 전원이나 레귤레이션되지 않은 전원을 받아야 하는 PCB에서도 사용될 수 있습니다. 서지 이벤트 후 회로를 닫는 리셋 스위치도 있을 것입니다, 아래 예시에서 보여지듯이.

이 라인에 있는 출력 커패시터들(브리지 정류기에 연결됨)은 정류된 전압을 안정화하고 느린 서지의 크기를 줄이는 이중 기능을 제공합니다. 이들은 대체로 큰 커패시터이므로 큰 케이스와 높은 전압 내성 값을 가지고 있지만, 그들의 ESL 때문에 반응 시간이 느려지는 단점이 있습니다. 따라서 가스 튜브가 방전되거나 TVS 다이오드가 도전하기 전에 느린 서지로부터 일부 전력을 션트합니다. 반면에, 더 빠른 과도 현상이 있는 고내성 상황에서 필요한 대부분의 보호는 이 커패시터들에 의해 제공되지 않으며 대신 위의 구성 요소 목록에 의해 제공됩니다.

ESD 보호에 대해 더 알아보려면 이 자료들을 읽어보세요:

• ESD란 무엇이며 PCB 설계에 어떤 영향을 미치나요?
• PCB용 ESD 보호 회로 설계 초보자 가이드
• ESD 접지 기술을 사용하여 PCB를 전기적 손상으로부터 보호하기

결론적으로, 커패시터는 과도 현상이 느리고 과도하게 높은 전압/전류를 발생시키지 않는 제한된 상황에서 유용합니다. 이러한 경우는 전원 시스템에서 작은 전력 서지인 스위칭 이벤트 중 오버슈트나 스파이킹과 같습니다. 더 큰 과도 현상은 더 큰 커패시터를 요구하는데, 이는 전력에는 더 나은 전략이 될 수 있지만 신호에는 그렇지 않습니다. ESD의 다른 형태에 대해서는 다른 구성 요소가 ESD에 대한 포괄적인 보호를 제공하는 데 훨씬 더 좋은 일을 할 것입니다.

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