안녕하세요. D.U.T 입니다.
방문해주셔서 감사합니다. ^^
이번 포스팅은 ESD 보호(TVS 다이오드) 기초, 회로 설계 적용 방법!입니다.
ESD 보호(TVS 다이오드) 기초에 대해 설명드리고 실제 경험을 바탕으로 회로 설계 적용 방법을 공유하고자 합니다. 모든 경험과 설계 노하우를 공유하고 싶지만 글로 전달하기에는 제가 부족함이 많아 가장 기초적인 내용만 말씀드리겠습니다.
제 블로그에 방문해주시는 분들은 아마도 하드웨어 엔지니어이거나 개발을 하시는 분들이라고 생각하므로 먼저 질문을 드려봅니다.
질문) 시스템 혹은 회로에서 ESD 대책 왜 필요할까요?
정답은 없다고 생각합니다.
개인적인 의견을 말씀드리겠습니다. 개발하는 전자 제품의 인증을 위해 필요할 수도 있고 외부 환경에 영향을 받아도 오동작하지 않게 설계하려는 목적이 있을 수도 있고 다양한 이유가 있을 수 있습니다. 그래서 정답은 없다고 그냥 생각합니다.
일반적으로 알려진 내용을 말씀드리면 ESD 대책이 근본적으로 필요한 이유는 다음과 같습니다.
반도체의 성능은 계속 향상되고 있습니다. 동시에 크기가 감소되고 있고 반도체 공정 미세화로 반도체 소자는 ESD 손상에 계속 취약해지고 있습니다. 시스템이나 회로에서 ESD 대책이 마련되지 않으면 전자기기는 ESD 발생 경우에 열화 및 손상에 취약할 수밖에 없습니다.
결론적으로, ESD로부터 시스템(전자기기)을 보호하려면 외부 커넥터(Connector)로 인체의 접촉이나 가까이 접촉할 수 있는 부품에 근본적인 원인을 제거할 수 있는 ESD 보호(TVS 다이오드)를 추가하는 것이 필수적입니다.
질문) ESD는 무엇일까요? 간단하게 알아보겠습니다.
정전기는 물체 위에 정지하고 있는 전기를 말합니다. 정전기는 양전하를 띤 물체와 음전하를 띤 물체가 서로 접촉하거나 가까이 접근하면 방전됩니다. 이것을 ESD(정전기 방전)라고 알려져 있습니다.
충전된 인체가 전자 장치에 닿을 때, 결과적으로 발생하는 ESD는 ±8,000V ~ ±15,000V가 될 수 있습니다.
여기서 말씀드리는 전압은 EMC 규격에서 볼 수 있는 접촉 방전(Contact: ±8kV), 기중 방전(Air: ±15kV) 기준입니다.
제가 알고 있는 범위에서 설명드리면 규격에서 전압 기준이 계속 높아지는 이유는 실제 사람이 전자 장치에 닿게 되면 만들 수 있는 전압을 가정한 것으로 알고 있습니다. 규격을 만드는 기관에서 실험 결과를 바탕으로 기준을 정하는 것으로 알고 있습니다.
( ※ 정확하게 확인한 내용이 아니므로 참고만 해주시기 바랍니다. )
▶ ESD 보호(TVS 다이오드) 기초
ESD 보호(TVS 다이오드) 기초를 설명드리기 전에 간단하게 다이오드 분류를 알아보겠습니다.
일반적으로 널리 알려진 다이오드 분류입니다. 전자공학이나 관련된 전공을 하셨으면 책에서 많이 보셨을 겁니다. 기본적으로 다이오드는 2가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
첫 번째, PN 다이오드입니다. N형 반도체 층과 P형 반도체 층을 접합함으로써 이루어집니다.
다이오드 분류를 보시면 아시겠지만 TVS 다이오드(ESD 보호)는 PN 다이오드의 일종인 정전압 다이오드를 기반으로 설계합니다.
두 번째, 접합 다이오드입니다. 일반 다이오드의 PN 접합과는 달리, 금속 반도체 접합으로 됩니다. 대표적으로 적당하게 도핑된 N형 반도체에 금속 접점을 형성시켜 만든 쇼트키 다이오드가 있습니다.
PN 다이오드에 대해서는 추가적으로 더 설명드리지 않겠습니다. 인터넷에 자세하게 설명이 잘되어있는 다른 정보들을 참고해주시기 바랍니다.
포스팅에 주된 주제인 ESD 보호(TVS 다이오드) 기초에 대해 설명드리겠습니다.
위 그림은 예시로 USB 케이블 연결 및 일반적인 정상 시스템 동작 상태를 보여주고 있습니다.
USB 케이블을 연결하면 전원과 통신이 TVS 다이오드에 영향을 받지 않고 정상 동작하고 있습니다.
이유는 순방향 전압(VF)과 역방향 파괴 전압(VBR) 사이에 있기 때문입니다. 다이오드의 특성 곡선을 알고 계신다는 가정하에 설명드립니다.
일반적으로 TVS 다이오드(ESD 보호)는 Connector에 가장 가까운 곳에 배치합니다.
그 이유는 무엇일까요?
방금 생각하신 내용이 모두 정답입니다!
포스팅 마지막에 제 의견이 있습니다.
시스템 Connector에 ESD가 발생할 경우를 가정해 보겠습니다. 앞에서 말씀드렸지만 ESD가 발생하면 전압은 ±8,000V ~ ±15,000V가 될 수 있습니다.
예를 들어 ESD 전압이 Connector에 +8,000V가 인가 됐습니다. 그러면 TVS 다이오드 Cathode(-)에는 양전압이 인가되고 Anode(+)에는 음전압입니다. 결과적으로 모두 알고 계시는 역방향 전압입니다.
결과적으로 큰 전류는 TVS 다이오드로 흐르고 일부 작은 전류만 IC로 흐르게 됩니다. 그래서 외부 ESD로부터 TVS 다이오드로 IC를 보호할 수 있습니다.
다시 예를 들어 Connector에 -8,000V가 인가되면 어떻게 될까요? 그림에서는 단방향(unidirectional) TVS 다이오드를 설명드렸습니다만, 양방향(bidirectional) TVS 다이오드를 사용하면 동일한 원리를 적용할 수 있습니다.
예시는 USB로 설명드리지만 다른 모든 인터페이스에 사용되는 Connector도 동일한 원리가 적용됩니다.
가장 기초적인 TVS 다이오드로 ESD를 보호하는 방법에 대해 설명드렸습니다. 최대한 쉽게 설명드리려고 했는데 제가 부족함이 많으므로 이해해주시기 바랍니다.
▶ ESD 보호(TVS 다이오드) 회로 설계!
다음은 회로 설계 적용 방법입니다.
회로 설계에 적용하는 방법은 간단합니다. TVS 다이오드를 포트 혹은 커넥터(Connector) 근처에 회로를 설계합니다. 앞에 예로 설명드렸던 단방향(unidirectional) TVS 다이오드를 적용하셔도 되고 양방향(bidirectional) TVS 다이오드를 사용하셔도 됩니다. 위 예시 그림은 양방향입니다.
다만, 단방향을 사용할지 양방향을 사용할지 선택을 해야 합니다. 둘 중 무엇을 선택하고 사용해야 되는지는 나중에 심화 편에서 자세히 다룰 기회가 있으면 말씀드리겠습니다.
일반적으로 잘 모르겠으면 양방향(bidirectional) TVS 다이오드를사용하는 게 가장 무난합니다.
▶ ESD 보호(TVS 다이오드) PCB Layout / Artwork 설계!
반복적으로 계속 말씀드립니다. TVS 다이오드를 포트 혹은 커넥터(Connector) 근처에 배치해야 합니다.
그 이유는 다음과 같습니다.
PCB Layout / Artwork 설계가 잘못되면 아무리 TVS 다이오드를 사용한다고 해도 ESD에 취약할 수 있습니다. 즉, 전자 제품이 ESD에 영향을 받습니다.
ESD 경우, Low impedance path로 큰 전류가 빠져나가야 됩니다. 만약 TVS 다이오드를 포트 혹은 커넥터(Connector) 근처에 배치하지 않고 조금 멀리 떨어지게 배치하면 패턴이 조금 길어지겠죠?
결과적으로 패턴이 길어지면 큰 인덕턴스(inductance)로 인해 TVS 다이오드가 성능을 제대로 발휘 못한다고 보시면 됩니다.
일반적인 TVS 다이오드는 다이오드 패턴으로 Artwork 설계를 진행하면 됩니다.
그러나, IC 형태로 나오는 TVS ESD Protection Diode Array는 조금 다릅니다. 위 그림을 보시면 아시겠지만 데이터 시트를 보면 위 그림처럼 가이드라인이 있습니다. 가이드라인을 잘 보고 PCB layout를 하시면 큰 문제는 없습니다. 실제 TVS 다이오드나 ESD 보호 IC를 사용하여 커넥터(Connector) 부분에 ESD 테스트를 해보면 문제는 없습니다.
다만, 포트 혹은 커넥터(Connector) 근처나 IC에 ESD 대책을 적용하여도 전자기기가 ESD에 영향을 받는 경우가 있습니다. 그럴 경우 다른 방법으로 해결해야 됩니다. 해결 방법은 저의 많은 노력과 시간을 투자하여 얻은 경험과 노하우이므로 모두 말씀은 드리지 않겠습니다.
지금까지 ESD 보호(TVS 다이오드) 기초, 회로 설계 적용 방법에 대해 말씀드렸습니다.
틀린 부분이 있을 수 있으니 보시고 궁금한 점은 댓글 부탁 드립니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
크리스마스에 포스팅을 했습니다.
모두 메리 크리스마스~!
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