이전에 TVS diode 설명과 선택하는 방법을 포스팅했었습니다.
2020.03.16 - [ESD engineering] - TVS diode란? TVS 선정 방법
구글 검색하다 보니, TVS diode specification 보는 방법과 어떤 기준으로 선택해야하는지 설명한 좋은 자료가 있어 해석과 약간 이해하기 좋게 편집한 내용을 공유 하고자 합니다.
원본을 보고 싶으신 분은
사이트를 아래에 링크해 드리니, 방문해서 확인해 보세요.
TVS diode를 선택하는 방법
요 약
시스템이 Surge에 노출되는 산업 환경에서, 이를 보호하기 위해 가장 중요한 소자중 하나는 TVS diode 입니다.
TVS diode는 주변 장치에서 생성되는 spark , 낙뢰, 전력 surge로 인한 일시적인 스파이크로 부터 시스템을 보호하기 위해 사용합니다.
surge는 IEC 61000-4-5에 의해 모델링되고 규제됩니다.
IEC 61000-4-5는 시스템 보호 요구사항 (즉, 위에 열거한 과도 (Transient event) 상태에 노출될때 오류가 발생하지 않도록 충족) 을 표준화한 규격입니다.
IEC 61000-4-5 규격을 통과하는 것은 쉬운 일이 아닙니다.
특히, 보호 diode와 표준 규격(IEC61000-4-5) 에 익숙하지 않은 설계자에게는 더욱 그렇습니다.
이 문서에서는 TVS diode를 다른 소자와 비교하여 소개하고, 시스템을 보호하는 sample 그림을 제공합니다.
TVS 사양(spec.)을 이해하면 설계자는 TVS diode를 선택하는 견고한 지식을 갖게 되고, surge에 노출되는 상황에서도 failure없는 강한 시스템을 확보하게 될것입니다.
1. 과도 특성을 억제하는 소자 종류 (Type of Transient Suppression Component)
시스템 으로 유입되는 surge로 부터 시스템을 보호할 수 있는 능동 또는 수동 소자들이 많이 있습니다.
가장 일반적으로 선택하는 방법은 TVS diode를 사용하여 surge 유입을 분산시키는 것입니다.
TVS diode는 surge 전압을 안전한 수준으로 클램핑하면서 전류를 션트(TVS diode를 통해 빠지게)합니다.
TVS diode 외에도 metal oxide varistors (MOV), gas discharge tubes (GDT), spark gap, 그리고 RC 필터를 이용하여 과도한 전류(ESD event,또는 surge event)를 시스템 안으로 들오지 않게(shunting) 구현할 수 있습니다.
각 소자의 장점과 단점을 아래표에 설명했습니다.
TVS diode는 완벽한 솔루션은 아니지만 일반적인 surge 전류(2A ~ 250A)에 가장 효율적인 옵션입니다.
GDT, MOV 및 Thyristor는 일반적으로 250A보다 더 높은 수준의 surge를 보호하는데 사용합니다.
Filter는 가장 저렴하지만 션트하는 current수준이 낮습니다.
휴대폰에 들어가는 반도체 소자를 보호하기 하기위해서는 TVS diode가 좋은 후보입니다.
TVS diode의 목적은 시스템이 정상 동작하는 동안엔 영향을 주지 않고 있다가,
시스템 에 과도한 overvoltage가 입력되면 즉시 ground와 도통이 되면서 과도 과전압(또는 전류)를 즉시 빼줍니다.
이런 TVS diode의 동작은 시스템을 이상 과도 전압 노출로 부터 안전하게 유지시켜줍니디.
하지만 TVS diode는 특성은 이상적이지 않습니다.
Surge로 부터 시스템을 보호하고, 시스템에 동작에 끼치는 영향을 최소화 하기 위해 고려해야하는 특성 들이 있습니다.
2. TVS diode specifications (TVS diode 사양)
TVS diode 데이터 시트를 읽을 때 헷갈리는(혼란 스러울 수있는) 몇 가지 Prameter 가 있습니다.
중요한 Parameter(용어)를 설명합니다.
다음 섹션에서는 이러한 항목들이 surge 보호 설계에 왜 중요한지 더 자세히 설명하겠습니다.
2.1 Vrwm
Reverse working maximum voltage (V RWM )는
diode가 만들어지는 공정산포나 온도 변화에도 Vrwm이하에서는 상당한(Significant) 전류를 통하지 않는다는 것을 보증합니다.
'상당한 전류'의 정의는 TVS 제조업체에 따라 다르지만 일반적으로 100nA 미만입니다.
Vrwm 사양을 통해 설계자는 모든 작동에서 누출을 최소화 할 수있는 장치를 선택할 수 있습니다.
Vrwm 은 예상되는 최대 작동 전압보다 높아야 합니다. - 시스템 정상 동작상태에서 TVS가 작동하면 안되니까요.
인가 전압이 Vrwm이상으로 상승하면 diode 누설이 크게 증가 할 가능성이 있습니다.
예를 들어 보호할 rail 전압 범위가 5V~7V라고 한다면 Vrwm 은 7V 이상인 TVS diode를 선택해야합니다.
7V와 가까울수록 시스템 보호에는 유리하지만, 정상동작중에 전압이 흔들려 Vrwm보다 높아지면 원치않는 과전류가 TVS diode통해 흐르게 됩니다.
2.2 Vbr
항복 전압 (V br)은 TVS diode가 전류를 전도하기 시작하는 전압으로 정의됩니다.
대부분 1mA leakage가 흐르는 시점의 전압을 말합니다.
Vbr 은 누설이 증가하는 diode 곡선의 변곡점을 정의합니다.
이는 일반적으로 diode 'tur on'이라고합니다. Vrwm 는 정해진 하나의 값인 반면,
Vbr 은 공정 및 온도에 따라 크게 변하기 때문에, 최소~최대 범위로 정의됩니다.
동작전압에 가까운 Vbr을 선택하면 위험합니다.
Vbr은 공정과 온도에 따라 변할수 있고, 1mA도 매우 높은 전류 수준이기 때문입니다.
시스템의 동작전압은 Vrwm미만 이어야 하지, Vbr 미만이면 안됩니다.
잘못된 TVS 선택 예)
동작최대 전압 7V, Vrwm 6.8V, Vbr 8V
* Vrwm은 무조건 7V보다 높아야 함.
Vbr은 항상 Vrwm보다 높기 때문에, Vrwm만 잘 고려해서 tvs diode를 선정했다면 Vbr때문에 큰 누설전류가 생기진 않습니다.
surge 이벤트 중 Vbr은 다이오는가 클램핑을 시작하는 전압이기 때문에,
같은 Rdyn (다음 섹션에서 설명 할 사양, Ron 저항)의 TVS diode 라면, Vbr이 낮은 diode가
시스템을 surge(또는 ESD)로 부터 더 잘 보호할 수 있습니다.
2.2 Ipp
Peak puls current (IPP)는 diode 자체가 과열되어 고장이 발생하기 전에 discharge (Ground로 shunting)수 있는 수있는 최대 surge 전류로 정의됩니다.
IPP는 TVS diode가 손상 되지 않고 최대 전류를 흡수 할 수 있는지 여부를 결정하므로 중요한 값입니다.
(TVS diode가 깨지면 안됨.)
TVS diode의 IPP가 피크 surge 전류보다 커야 TVS 소자 fail 발생하지 않습니다.
TVS diode는 과잉 전압이 아닌 과전류로 인해 fail이 발생하므로,
TVS diode IPP를 선택할 때 surge 전류 크기에 따라 요구 사항이 결정됩니다.
TVS diode의 IPP는 105 ° C 또는 125 ° C로 올라갈 때 상당히 감소하므로
IPP의 온도에 따른 경감을 고려해 TVS diode를 선택해야 합니다.
예상되는 current수준의 최소 2배가 넘는 Ipp 특성을 갖는 TVS diode를 선택하는 것이 좋습니다.
대부분 TVS diode 데이터 시트에는 IPP를 계산하는 데 사용할 수있는 온도 대비 최대 전력 손실을 보여주는 그래프가 있습니다. (없는 data sheet도 많음)
TVS diode가 견딜수 있는 전류(IPP)는 펄스의 길이(=시간)에 영향을 받기 때문에 항상 파형을 기준으로 정의됩니다.
TVS 데이터 시트에서 사양은 1ms 펄스 길이 (IEC61643-123에 정의 된 10 / 1000μs 파형)를 기
준으로 정의되지만, 일부 데이터 시트는 IEC 61000-4-5를 참조하는 사양도 제공합니다.
8/20 μs 파형 기준, 파형 펄스가 짧을수록 IPP가 높아 지므로 IPP 값이 테스트 조건과 동일한 파형인지 확인하는 것이 중요합니다.
* 설명 : 10/1000us, 8/20us는 파형의 rising time과 50% to 50% 사이 시간을 의미한다.
아래 그림 참고
10/1000us는 10us=T1, 1000us=T2 임. 아래 table 참고
데이터 시트가 특정 파형을 기준으로 IPP를 정의하지 않는 경우, 일반적으로 펄스 길이별로 피크 펄스 전력 (IPP × VCLAMP로 계산 됨)을 보여주는 데이터 시트 곡선이있어 IPP를 대략적으로 결정할 수 있습니다.
그러나 이것은 정확한 방법이 아닙니다.
2.3 Vclamp 및 Rdyn
동적 저항 (RDYN)과 클램핑 전압 (VCLAMP)에서
RDYN은 TVS diode 고유 속성이고, VCLAMP는 시스템에서 중요한 사양이기 때문에 함께 논의됩니다.
모든 diode에는 RDYN으로 정의 된 내부 저항이 있습니다.
전류가 diode를 통해 흐를 때에서 양단간 측정 된 전압은 VCLAMP로 정의됩니다.
VCLAMP = VBR + ISURGE × RDYN
VCLAMP는 ESD event가 발생했을때 시스템이 인가되는 전압을 결정합니다.
VCLAMP가 낮을수록 시스템이 전기적 과부하 (EOS)로 인한 고장 가능성이 줄어 듭니다.
시스템에서 VCLAMP가 입력 회로 시스템의 절대 최대 전압을 넘으면,
TVS diode가 전류를 shunting 하더라도 고장이 발생할 수 있습니다.
시스템을 surge로 부터 보호하는 설계를 한다면,
충분히 낮은 VCLAMP성능을 갖는 TVS diode를 선택해야 합니다.
VCLAMP는 주로 RDYN에 의해 결정되기 때문에 이는
종종 RDYN이 더 낮은 diode를 선택하는 것을 의미합니다.
VCLAMP는 조건에 따라 크게 달라 지므로 데이터 시트에 기술된 VCLAMP측정 조건이
시스템에 유입되는 조건과 같은지 확인을 해야 합니다.
RDYN이 TVS Diode 데이타시트에 없는경우엔,
RDYN = (VCLAMP-VBR) / ISURGE 공식을 사용하여
주어진 VCLAMP에서 대략적으로 RDYN을 계산할 수 있습니다.
2.4 Polarity (방향성)
TVS diode는 단방향 및 양방향 구성으로 제공됩니다.
이 차이는 장치의 I / V 곡선으로 확인할 수 있습니다.
* TVS diode가 양방향(Bi-direction)이면 +/- surge,
단방향(Un-idirection)이면 + 또는 - surge를 클램핑 한다고 착각하면 안됩니다.
TVS diode는 방향성(Bi, Uni)에 상관없이 +/- surge를 모두 클램핑 합니다.
TVS diode가 보호해야하는 Power rail(또는 신호)의 동작 범위가 Positive voltage인지, Positive/negative voltage 양쪽 다인지에 따라 Uni/Bi 를 선택하면 됩니다.
예)
Power rail 동작범위가 0V ~ +9V 이면, Unidirectional TVS diode를 선택하면되고,
-7V ~ +9V 이면 Bidrirectional TVS diode선택해야 합니다.
Quiz1 )
-7V ~0V 동작범위의 Power rail에는 Uni or Bi ?
답: Uni-direction TVS diode
Quiz2)
Latchup방지하기 위해 Shottky diode가 연결된 power rail에는 Uni or Bi?
답 : Uni-direction TVS diode
* shottky diode를 보호하기 위해서는 shottky와 유사한 BV, I-V curve특성을 갖는 TVS diode선택해야함.
I / V 곡선에서 알 수 있듯이 단방향(Uni) TVS diode는 0V보다 약간 낮은 음의 항복 전압을 가지며 양방향 TVS diode는 양의 방향과 음의 방향 사이에 대칭적인 항복 전압을가집니다.
2.5 ILEAK and Capacitance
모든 아날로그 소자들과 마찬가지로 TVS diode에는 누설 전류 (ILEAK) 및 기생 커패시턴스가 있습니다.
이상적인 diode는 VRWM 미만 영역에서는 시스템에 영향을 미치지 않지만
실제 TVS diode의 누설 및 커패시턴스는 고려하지 않으면 시스템에 정상동작에 영향을 줄 수 있습니다.
특히 저전압 TVS diode의 경우 누설이 1mA에 가깝게 증가 할 수 있으며, 일부 TVS diode의 기생 커패시턴스는 1000pF 입니다.
대부분 시스템의 경우 이는 중요하지 않지만, 일부 시스템에서는 중요 할 수 있습니다.
예를 들어, 모바일 배터리로 구동되는 시스템에서 1mA 누설은 큰 전력 소모가 될 수 있습니다.
시스템을 설계 할 때 이러한 기생 요소를 고려하고 수용 할 수 있는지 확인하십시오.
* HSSI(High speed serial interface) 에 사용하는 TVS diode는 capacitance성분이 작아야 합니다.
이러한 사양을 이해하면 설계자는 시스템을 surge 부터 보호하고, 최소한의 시스템 영향을 모두 보장 할 수있는 시스템에 적합한 TVS diode를 선택할 수 있습니다.
참고할 글:
2020/03/16 - [ESD engineering] - TVS diode란? TVS 선정 방법
2020/03/19 - [분류 전체보기] - ESD 보호 소자 비교 (TVS, Varistor)