이 포스팅은 급하게 개인공부용으로 정리해, 오타도 많고 문맥도 이상합니다.
많은 분들이 TVS diode를 검색해 블로그를 방문을 했고 도움도 받았다고 해서 좀 민망했습니다. 좀 신경써서 쓸걸 그랬습니다. ^^;
오타를 수정하고 이해하기 어려운 문장은 다시 풀어썼습니다.
업데이트 포스팅을 아래 링크에 남겼습니다. 이리로 오세요.
2022.10.27 - [ESD engineering] - TVS diode specifications 읽는법, 선택 방법-update 2022.10.27
감사합니다.
이전에 TVS diode 설명과 선택하는 방법을 포스팅했었습니다.
구글 검색하다 보니, TVS diode specification 보는 방법과 어떤 기준으로 선택해야하는지 설명한 좋은 자료가 있어 해석과 약간 이해하기 좋게 편집한 내용을 공유 하고자 합니다.
TVS diode specifications 읽는 방법 원본을 보고 싶으신 분은
원본 file있는 사이트를 아래에 링크해 드리니, 방문해서 확인해 보세요.
TVS diode를 선택하는 방법
요 약
열악한 산업 환경의 시스템에서 시스템 보호의 가장 중요한 부분 중 하나는 입력 TVS 다이오드 선택입니다.
입력 TVS 다이오드는 약한 시스템 입력을 시스템 주변에 있는 장치로 인한 spark , 낙뢰 또는 전력 서지로 인한 일시적인 스파이크로 부터 보호하기 위해 사용합니다.
이러한 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 표준화 합니다.
하지만, 이러한 표준을 통과하는 것은 쉬운 일이 아닙니다.
특히 보호 다이오드와 spec에 익숙하지 않은 설계자에게는 더욱 그렇습니다.
이 문서에서는 TVS 다이오드를 다른 제품과 비교하여 소개하고, 시스템 예제를 제공합니다.
TVS 사양을 이해하면 설계자는 서지 보호를 위해 TVS 다이오드를 선택하는 견고한 지식을 갖게 되고, 서지 상황에서 더 강한 시스템을 확보하게 될것입니다.
1. 과도 특성을 억제하는 소자 종류 (Type of Transient Suppression Component)
System 입력을 서지로 보호할 수 있는 능동 수동 소자들이 많이 있습니다.
가장 일반적인 것은 과도 전압 억제 (TVS)를 사용하여 원지 않는 에너지유입을 분산시키는 것입니다.
서지 전압을 안전한 수준으로 클램핑하면서 서지 전류를 션트합니다.
TVS diode 외에도 metal oxide varistors (MOV), gas discharge tubes (GDT), spark gap, 그리고 RC 필터를 사용하여용하여 과도한 전류(ESD event,또는 surge event)를 시스템 안으로 들오지 않게(shunting) 구현할 수 있습니다.
각 소자의 장점과 단점을 아래표에 설명했습니다.
TVS 다이오드는 완벽한 솔루션은 아니지만 일반적인 서지 전류(2A ~ 250A)에 가장 효율적인 옵션입니다.
GDT, MOV 및 Thyristor는 일반적으로 더 높은 수준의 서지에 선호됩니다.
필터는 더 낮은 서지를 빼주는데 적합 합니다.
기본적으로 시스템 입력에서 TVS 다이오드의 목적은 시스템이 정상 동작하는 동안엔 영향을 미치지 않고 있다가,
시스템 에 과도한 overvoltage가 입력되면 즉시 ground와 도통이 되면서 과도 과전압 전류를 즉시 빼줍니다.
이런 TVS diode의 동작은 시스템을 이상 과도 전압 노출로 부터 안전하게 유지시켜줍니디.
하지만 TVS 다이오드는 특성은 이상적이지 않습니다.
강력한 보호와 최소한의 시스템 영향성을 보장하기 위해 고려해야하는 특성 들이 있습니다.
이상적이지 않는 특성은 ESD 다이오드와 유사하지만 서지 다이오드가 시스템 신뢰성에 더 중요하므로 신중하게 TVS diode를 선택해야 합니다.
2. TVS diode specifications (TVS diode 사양)
TVS 다이오드 데이터 시트를 읽을 때 혼란 스러울 수있는 몇 가지 중요한 사양이 있습니다.
중요한 Parameter(용어)를 설명합니다.
다음 섹션에서는 이러한 항목들이 서지 보호 설계에 왜 중요한지 더 자세히 설명하겠습니다.
2.1 Vrwm
Reverse working maximum voltage (V RWM )는
다이오드가 프로세스 또는 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 안되니까.
인가 전압이 Vrwm이상으로 상승하면 다이오드 누설이 크게 증가 할 가능성이 있습니다.
예를 들어 보호할 rail 전압 범위가 5V~7V라고 한다면 Vrwm 은 7V 이상인 TVS diode를 선택해야합니다.
2.2 Vbr
항복 전압 (V br)은 TVS 다이오드가 전류를 전도하기 시작하는 전압으로, 일반적으로 정의됩니다.
대부분 1mA leakage가 흐르는 시점의 전압을 말합니다.
Vbr 은 누설이 증가하는 다이오드 곡선의 변곡점을 정의합니다.
이는 일반적으로 다이오드 'tur on'이라고합니다. Vrwm 는 정해진 하나의 값인 반면,
Vbr 은 공정 및 온도에 따라 크게 변하기 때문에, 최소~최대 범위로 정의됩니다.
Vbr은 공정과 온도에 따라 변할수 있고, 1mA도 매우 높은 전류 수준이기 때문에, 이는 잘못된 생각입니다.
시스템 동작시 전압은 Vrwm미만 이어야 하지. Vbr 미만이면 안됩니다.
Vbr은 항상 Vrwm보다 높기 때문에, Vrwm만 잘 고려해서 tvs diode를 선정했다면 Vbr때문에 큰 누설전류가 생기진 않습니다.
서지 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 서지(또는 ESD)로 부터 더 잘 보호할 수 있습니다.
2.2 Ipp
Peak puls current (IPP)는 다이오드 자체가 과열되어 고장이 발생하기 전에 빼줄(Ground로 shunting)수 있는 수있는 최대 서지 전류로 정의됩니다.
서지 이벤트는 최대 전류 측면에서 정의 할 수 있습니다.
IPP는 주어진 다이오드가 손상 되지 않고 최대 전류를 흡수 할 수 있는지 여부를 결정하므로 중요한 값입니다. (TVS diode가 깨지면 안되니까)
TVS 다이오드의 IPP가 피크 서지 전류보다 커야 TVS 소자 fail 발생하지 않습니다.
TVS 다이오드는 과잉 전압이 아닌 과전류로 인해 fail이 발생하므로,
TVS 다이오드 IPP를 선택할 때 서지 전류 크기에 따라 요구 사항이 결정됩니다.
TVS 다이오드의 IPP는 105 ° C 또는 125 ° C로 올라갈 때 상당히 감소하므로
IPP의 온도에 따른 경감을 고려할 TVS 다이오드를 선택할 때 확인해야한ㄷ.
예상되는 current수준의 최소 2배가 넘는 Ipp 특성을 갖는 TVS diode를 선택해야 한다.
모든 TVS 다이오드 데이터 시트에는 IPP를 계산하는 데 사용할 수있는 온도 대비 최대 전력 손실을 보여주는 그래프가 포함되어야합니다. (없는 data sheet도 많다)
TVS 다이오드가 유지할 수있는 IPP는 펄스의 길이에 따라 달라 지므로 항상 파형을 기준으로 정의됩니다.
TVS 데이터 시트에서 사양은 거의 항상 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 파형을 참조하는지 확인하는 것이 중요합니다.
* 설명 : 10/1000us, 8/20us는 파형의 rising time과 50% to 50% 사이 시간을 의미한다.
아래 그림 참고
10/1000us에서 10us=T1, 1000us=T2
데이터 시트가 특정 파형을 기준으로 IPP를 정의하지 않는 경우, 일반적으로 펄스 길이별로 피크 펄스 전력 (IPP × VCLAMP로 계산 됨)을 보여주는 데이터 시트 곡선이있어 주어진 펄스 길이에 대한 IPP를 대략적으로 결정할 수 있습니다.
그러나 이것은 정확한 방법이 아닙니다.
2.3 Vclamp 및 Rdyn
동적 저항 (RDYN)과 클램핑 전압 (VCLAMP)은 RDYN이 다이오드 고유 속성이지만 VCLAMP는 시스템에서 중요한 사양이기 때문에 함께 논의됩니다.
모든 다이오드에는 RDYN으로 정의 된 내부 저항이 있습니다.
전류가 다이오드를 통해 흐를 때 리드에서 측정 된 전압은 VCLAMP로 정의되며 VCLAMP = VBR + ISURGE × RDYN으로 계산할 수 있습니다.
2.3 Vclamp 및 Rdyn
동적 저항 (RDYN)과 클램핑 전압 (VCLAMP)은 RDYN이 다이오드 고유 속성이지만 VCLAMP는 시스템에서 중요한 사양이기 때문에 함께 논의됩니다.
모든 다이오드에는 RDYN으로 정의 된 내부 저항이 있습니다.
전류가 다이오드를 통해 흐를 때 리드에서 측정 된 전압은 VCLAMP로 정의되며 VCLAMP = VBR + ISURGE × RDYN으로 계산할 수 있습니다.
VCLAMP는 ESD event 시스템이 노출되는 전압을 결정합니다.
VCLAMP가 낮을수록 시스템이 전기적 과부하 (EOS)로 인한 고장 가능성이 줄어 듭니다.
시스템에서 VCLAMP가 입력 회로 시스템의 절대 최대 전압을 위반하면 TVS 다이오드가 전류를 shunting 하더라도 발생할 수 있습니다.
효율적인 보호 설계는 고전압 내성 부품이 필요하지 않을 정도로 충분히 낮은 VCLAMP성능을 갖는 TVS 다이오드를 선택하는 것을 의미합니다.
VCLAMP는 주로 RDYN에 의해 결정되기 때문에 이는
종종 RDYN이 더 낮은 다이오드를 선택하는 것을 의미합니다.
VCLAMP는 IPP와 유사한 ISURGE 및 기준 파형과 관련하여 항상 TVS 다이오드 데이터 시트에 지정됩니다.
VCLAMP는 조건에 따라 크게 달라 지므로 데이터 시트 테스트 조건을 자신의 조건과 일치 시키도록주의하십시오.
RDYN은 때때로 TVS 데이터 시트에 있지만 항상 그런 것은 아닙니다. 그 경우
RDYN = (VCLAMP-VBR) / ISURGE 공식을 사용하여
주어진 VCLAMP에서 대략적으로 RDYN을 계산할 수 있습니다.
RDYN을 계산 한 후에는 동일한 파형을 참조하는 경우 모든 테스트 전류에 대해 VCLAMP를 계산할 수 있습니다.
2.4 Polarity (방향성)
TVS 다이오드는 단방향 및 양방향 구성으로 제공됩니다.
이 차이는 장치의 I / V 곡선으로 확인할 수 있습니다.
* TVS diode가 양방향(Bidirection)이면 +/- ESD, 단방향(Unidirection) + 또는 - ESD만 클램핑 하는줄 알았었다.
노노. 아니다.
TVS diode는 방향성에 상관없이 +/- ESD를 모두 클램핑 해준다.
다만, TVS diode가 보호해야하는 Power rail(또는 신호)의 동작 범위가 Positive voltage인지, Positive/negative voltage 양쪽 다인지에 따라 Bi/Uni를 선택하면 된다.
예)
Power rail 동작범위가 +7V ~ +9V 이면, Unidirectional TVS diode를 선택하면되고,
-7V ~ +9V 이면 Bidrirectional TVS diode선택하면된다.
만약, Negative voltage쪽 클램핑 특성은 특별히 중요하지 않는다.그저 Positive voltage 쪽과 비슷한 성능이면 되고, 나는 TVS 연결 극성이 더 헷갈려서 죽겠다. 하면 Bidirectional TVS diode를 선택하면된다.
I / V 곡선에서 알 수 있듯이 단방향 TVS 다이오드는 0V 바로 아래의 음의 항복 전압을 가지며 양방향 TVS 다이오드는 양의 방향과 음의 방향 사이에 대칭적인 항복 전압을가집니다.
즉, 신호가 항상 양수이면 단방향 TVS 다이오드를 사용할 수 있지만 신호가 음수이면 양방향 TVS 다이오드를 사용해야합니다. 단방향 TVS diode가 (Unidirectional polarity TVS diode) VBR이 낮기 때문에 단방향 TVS 다이오드의 음의 VCLAMP가 양방향 TVS 다이오드의 VCLAMP보다 훨씬 좋습니다.
* 전압 rail이 positive voltage이면 단방향 TVS를 사용하자.
2.5 ILEAK and Capacitance
모든 아날로그 구성 요소와 마찬가지로 TVS 다이오드에는 누설 전류 (ILEAK) 및 기생 커패시턴스가 있습니다.
이상적인 다이오드는 VRWM 미만 영역에서는 시스템에 영향을 미치지 않지만
실제 TVS 다이오드의 누설 및 커패시턴스는 고려하지 않으면 시스템에 damage를 줄 수 있습니다.
특히 저전압 TVS 다이오드의 경우 누설이 1mA에 가깝게 증가 할 수 있으며 커패시턴스는 종종 1000pF 이상입니다.
대부분 시스템의 경우 이는 중요하지 않지만, 일부 시스템에서는 중요 할 수 있습니다.
예를 들어, 배터리로 구동되는 시스템에서 항상 켜져있는 1mA 누설은 큰 전력 소모가 될 수있는 반면,
정확한 입력에 대한 보호를 위해 높은 정전 용량은 시스템 SNR을 낮출 수 있습니다.
보호 단계를 설계 할 때 이러한 기생 요소를 고려하고 수용 할 수 있는지 확인하십시오.
이러한 사양을 이해하면 설계자는 안정적인 작동과 최소한의 시스템 영향을 모두 보장 할 수있는 시스템에 적합한 TVS 다이오드를 신속하게 선택할 수 있습니다.
HSSI 에 사용하는 TVS diode는 capacitance성분이 작아야 합니다.
참고할 글:
2020/03/16 - [ESD engineering] - TVS diode란? TVS 선정 방법
2020/03/19 - [분류 전체보기] - ESD 보호 소자 비교 (TVS, Varistor)