TVS diode란? TVS 선정 방법

 

 

TVS diode란?

 

외부 stress (ESD, EOS)로 부터 반도체 회로를 보호하기위해 추가하는 부품들은

Current limiter와 Voltage limiter가 있다.

ESD로 부터 반도체회로를 보호하기 위해 Power rail에 많이 추가하는 부품이 TVS diode다.

 

TVS diode는  과도 전압(overshooting voltage)을 클램핑해준다.

비슷한 역할을 하는 부품은 바리스터가 있다.

자신이 개발하는 부품이 가격에 민감하면 바리스터도 좋다. 일정 전압 이상이 되면 전류가 증가한다는 점은 제너 다이오드와 같지만 순간적으로 수백 와트 이상의 대전력을 흘려보낼 수 있기 때문에 서지 보호에 활용할 수 있다.

 

과도 억제 다이오드라고도하는 TVS (Transient Voltage Suppressor) 다이오드는 매우 빠른 응답 시간 (서브 나노초 수준)과 높은 서지 흡수 기능을 갖춘 새로운 유형의 고효율 회로 보호 장치로 일반적으로 사용된다.  TVS는 양단에서 순간적으로 높은 에너지 충격을 받으면 양단 사이의 임피던스 값을 고 임피던스에서 저 임피던스로 매우 높은 속도로 변경하여 순간적으로 높은 전류를 흡수하고 이를 통해 전압을 클램프 할 수 있다.

 

 

TVS diode 기능을 정리하면 아래와 같다. 

• 과도 억제 
• 빠른 응답시간과 높은 서지 흡수
• 순간의 과전압만 보호 하고 지속적인 과전압은 보호 하지 못한다.

 

 

 

TVS 사용하는 방법

아래 그림과 같이 보호하기 위한 Power rail이나 신호 line과  Ground 사이에 병렬로 연결한다. 

 

 

 

 

Transient(과도) 란?

Transisent(과도)는 회로를 손상시킬 수 있는 전압 또는 전류의 짧은 지속 시간 스파이크이다.

과도현상은 한번 또는 여러번 회로에 인가 될수도 있고,  최대전압도 수 밀리 볼트에서 수천 볼트까지이며 나노초에서 수백 밀리 초까지 지속될 수 있다.

ESD도 주요 과도 파형이다. 

 

 

과도특성파형

 

회로에서 Transient(과도) 현상의 원인?

과도는 회로의 내부 또는 외부 연결로 인해 발생할 수 있다.

예를 들어,  스위치 및 커넥터의 잘못된 접점 으로 인해 내부적으로 과도 전류가 발생할 수 있다. 

외부 적으로 ESD 나 유도 스위칭 으로 인해 발생할 수 있다.

 

 

 

VI 특성

단방향 및 양방향 TVS 다이오드의 VI 특성은 아래 그래프에 표시되어 있다.
이 특성 그래프는 전압과 전류 관계를 표시한다. 양방향 다이오드는 양의 방향과 음의 방향으로 동일한 특성 곡선을 가지므로 회로에 연결되는 방법은 중요하지 않는다. 
단방향 다이오드는 음의 방향에 비해 양의 방향에서 더 높은 턴온 전압을 갖는다.

 

TVS diode datasheet 용어

 -VBR (Minimun breakdown voltage) : TVS가 낮은 impedance path로 되는지점 
 -It (Test current) : Breakdown voltage가 측정되는 곳의 전류이다. 
 -VRWM (Reverse stand-off voltage) : DC동작 전압에 정격되는 Maximum전압이다. 
 -IR (Maximum reverse leakage current) : 최대누설전류는 Working voltage에서 측정되는 최대전류. 
 -Ipp (Maximum peak pulse current ) : 소자에 대한 최대허용 surge current이다. 
 -VC (Maximum clamping voltage ) : Ipp로 가는 동안의 최대 voltage drop이다

 

 

 TVS diode 사양을 고를때 주의해야할 점이

VBR을 동작전압 근처인 소자를 골라야 TVS  효과(반도체 보호)를 충분히 얻을 수 있다.

그 다음 It가 높은 TVS diode가 좋다.

 

 

아래 TVS spec에 있는 graph로 예를 들어보자.

Pin max operating voltage가 -7V~7V라고 가정하면, Vrms는 그보다 약간 높은 7.5V(-7.5V) 또는 8V(-8V)로 정하는게 좋다. (operating voltage의 10% 수준)

이보다 Vrms가 높으면 ESD event 상황에서 pin을 보호하지 못하고, 이보다 낮은 Vrms전압의 TVS diode를 선택하면 전압 clampling으로 IC가 동작하지 않는다.

 

Vrms전압과 Vbr사이 전압은 2~3V 차이로 margin이 있기때문에 Vrms를 Pin동작 전압 가까이 설정해도 무방하다. 

Vrms 전압에서 leakage current는 1uA~10uA 수준이니, IC 동작에 어느정도 영향을 주는 current수준인지 판단해야한다.

 

Vbr에서 TVS 전류는 1mA 정도 수준이다. 

마찬가지로 system 측면에서 이정도 전류가 어느정도 영향을 미치는는 확인해야한다.

 

IC pin max operating voltage를 고려한 Vrms,Vbr 선정이 끝났다면 

그 다음으로 확인해야 할 특성이 Vc(Clampling 전압)에서의 최대 current이다.

 

Transient 상황에서 TVS turn on 되면,

그 다음부터는 TVS의 Ic 능력(Vc에서의 current)치가 얼마나 되느냐에 따라 IC 보호 여부가 결정된다.

 

TVS A의 Ic가 10A라고 하고, TVS B의 Ic가 15A라고 가정하면

System ESD(IEC 61000-4-2)에서 ESD immunity는 B TVS를 선택한 system이 5kV가 높다.

 

 

 System ESD immunity 확보를 위해 IC 업체의 HBM이나 CDM수준을 높여달라는 요청이 종종 있는데,

이는 System ESD와 component ESD를 이해하지 못하는 상황에서 나온것으로,

JEDEC에서 발행한 white paper에 의하면 component ESD Level과  system level ESD와 무관하다.

- HBM 4kV 라고 system ESD level이 높지 않다.

 

함께읽으면 도움되는 글:

2020/10/13 - [ESD engineering] - TVS diode specifications 읽는법, 선택 방법

 

 

white paper를 요약한 아래 포스팅을 참고하거나,

2020/03/22 - [ESD engineering] - 문답식으로 알아보는 System Level ESD(첫번째)

2020/03/22 - [ESD engineering] - 문답식으로 알아보는 System Level ESD(두번째)

 2020/04/22 - [ESD engineering] - 문답식으로 알아보는 시스템 레벨 ESD/EOS (세번째)

2020/04/25 - [ESD engineering] - 문답식으로 알아보는 시스템 레벨 ESD/EOS (네번째) 

 

 JEDEC white paper를 읽어보면 많은 도움이 될것이다.

www.esda.org/store/white-papers/product/116/industry-council-white-paper-3-system-level-esd-part-i