송수신기가 현장에서 돌아왔는데, 라인 드라이버가 있던 자리에 구멍이 뚫려 있었습니다. 고객은 직격탄이 아니라 근처에 번개가 쳤다고 합니다. IC만 따로 테스트해 보니 모든 벤치마크 검사를 통과했습니다. 진짜 원인은 다른 곳에 있었습니다. 서지 보호기가 너무 느리게 차단되었고, 배선이 너무 길었으며, 접지 경로가 제대로 설계되지 않았던 것입니다. 부품 자체는 제 역할을 했지만, 시스템에 문제가 있었던 것입니다.
서지 억제 및 접지는 IC 공급업체의 책임이 아니라 설계자의 책임입니다. 이를 소홀히 하면 RMA(반품) 주기, 반복적인 현장 고장, 그리고 안전 위험이 발생합니다. 그렇다면 IEC 61000-4-5에 따라 과도 전압 스트레스는 접합부에 어떻게 가해질까요? 보호 단계는 왜 서로 연동되어야 할까요? 서지 보호 장치는 어디에 위치해야 하며, 접지와 레이아웃은 낙뢰/서지 보호의 작동 여부를 어떻게 결정할까요?
주요 요점
먼저 수요 급증 환경을 파악하고 테스트 수준을 확인하세요. 이는 이후 모든 결정에 지침이 될 것입니다.
보호 단계들이 서로 협력하여 작동하도록 하십시오. 서지 에너지를 분산시키기 위해 보호 단계들 사이에 임피던스를 추가하십시오.
서지 보호기의 전선은 짧고 곧게 유지하십시오. 전선이 길면 추가 전압이 더 높아집니다.
회로 기판을 배치하기 전에 접지 경로를 계획하십시오. 접지 경로가 짧고 인덕턴스가 낮으면 보호 회로가 제대로 작동합니다.
연면거리, 간격 및 설계 결함 방지 (DFM) 규칙을 준수하십시오 . 이러한 규칙은 과도 전류가 틈새를 넘어 도통하는 것을 방지합니다.
이사회 차원의 급증 위협
IEC 61000-4-5 테스트 레벨
IEC 61000-4-5는 설계 시 고려해야 할 서지 파형을 규정합니다. 가장 일반적인 서지 발생기는 복합파 발생기입니다. 이 발생기는 1.2/50 µs의 개방 회로 전압과 8/20 µs의 단락 회로 전류를 발생시키므로, 엔지니어들은 이를 "1.2/50-8/20 µs" 서지라고 부릅니다. 유효 출력 임피던스는 2 Ω이며, 이는 최대 개방 회로 전압과 최대 단락 회로 전류의 비율입니다. 옥외 통신 장비는 10/700 µs의 전압파와 5/320 µs의 전류파를 발생시키는 더 높은 에너지의 서지 발생기에 노출됩니다.
파형 세트 | 전압파형 | 현재 파형 | 일반적인 응용 프로그램 |
|---|---|---|---|
조합 파 | 1.2µs / 50µs | 8µs / 20µs | 대부분의 응용 프로그램 |
고에너지 발전기 | 10µs / 700µs | 5µs / 320µs | 실외 통신 네트워크 |
프런트 타임과 지속 시간은 단순한 상승 시간이 아니라 가상 파라미터입니다. 개방 회로 전압의 경우 프런트 타임은 30%~90% 상승 시간의 1.67배입니다. 부품을 선택하기 전에 제품 표준을 테스트 레벨에 맞춰야 합니다. 발생기 임피던스는 특정 전압이 회로 기판으로 흘려보내는 전류량을 나타냅니다.
전압 서지가 반도체 접합부에 스트레스를 주는 방식
낙뢰나 스위칭 서지는 두 가지 방식으로 보드에 도달합니다. 공통 모드 과도 전압은 인터페이스 케이블을 통해 전류를 밀어내고 접지로 되돌아가게 합니다. 차동 모드 과도 전압은 신호 쌍 자체에 나타납니다. 둘 다 전기 서지 및 스파이크로 트레이스에 전달되며, 둘 다 가장 약한 접합부에 먼저 영향을 미칩니다.
반도체 접합부는 전류가 아주 작은 부피에 집중되기 때문에 가장 먼저 고장납니다. 역방향 항복 영역을 넘어서는 과도 전압은 작은 실리콘 영역에 에너지를 집중시킵니다. 그 결과 국부적인 발열이 발생하고 접합부가 단락됩니다. 이것이 바로 커넥터의 서지 보호기가 견고한 IC보다 더 중요한 이유입니다. 클램프는 에너지가 다이에 도달하기 전에 차단해야 합니다.
먼저 서지 환경과 테스트 레벨을 정의하십시오. 서지 보호 단계부터 레이아웃까지 모든 후속 선택은 이 수치에 따라 달라집니다.
단계별 서지 억제 아키텍처
단일 장치로는 낙뢰 서지를 흡수하면서 동시에 IC를 단단히 고정할 수 없습니다. 단계별 보호 시스템이 필요합니다. 각 단계는 자신이 잘 처리할 수 있는 에너지 영역을 담당하고, 단계들이 스트레스를 분담합니다.
MOV, GDT 및 TVS 다이오드의 조정
3단계 모델은 서비스 입구에 가스 방전관(GDT)을, 중간에 금속 산화물 배리스터(MOV)를, 보호 회로 근처에 과도 전압 억제 다이오드(TVS)를 배치합니다. 서비스 입구 서지 보호 단계는 전체 전류를 우회시키고, 중간 단계는 통과하는 전류를 흡수합니다. 마지막 단계는 IC 핀의 잔류 전압을 클램핑합니다.
매개 변수 | GDT | MOV | TVS 다이오드 |
|---|---|---|---|
응답 속도 | 100ns – 1µs | 1~25ns | 서브나노초 |
서지 전류 처리 | 5~100kA | 500 A – 40 kA | 10 – 500A |
에너지 흡수 | 높음 (아크를 통한 kJ) | 10 J – 2 kJ | 0.1~50조 |
클램핑 동작 | 바 | 적당한 클램핑 비율 | 타이트 클램핑 비율 |
조정은 각 단계 사이의 임피던스 분리에 달려 있습니다. 서지 에너지가 체인 전체에 분산되도록 인덕턴스 또는 저항을 추가해야 합니다. 그렇지 않으면 가장 빠른 장치가 먼저 작동하여 전체 에너지를 흡수하게 됩니다. TVS는 피코초 단위로 오버슈트를 제한합니다. 직렬 임피던스 양단의 전압 상승은 나노초 단위로 MOV를 작동시킵니다. 극심한 전류는 수백 나노초 내에 GDT 아크를 발생시켜 수십 킬로암페어의 전류를 접지로 방출합니다.
클램핑과 크로우바 동작의 차이
금속 산화물 배리스터와 과도 전압 억제 클램프는 전압을 정해진 수준으로 유지하고 에너지를 자체적으로 소산시킵니다. GDT와 SIDACtor 크로우바는 전압이 끊어진 후 저전압 전도 상태로 고정됩니다.
크로우바는 유지 전압이 낮아 전력 손실이 적으면서 더 높은 고장 전류를 견딜 수 있으므로 클램프보다 더 오랫동안 더 높은 전류를 유지할 수 있습니다.
그러한 강도에는 조건이 따릅니다. 크로우바는 회로에서 후속 전류를 차단하지 않으면 계속 고정된 상태를 유지합니다. 유지 전류 레벨 이하로 전류를 제한하는 퓨즈, PTC 또는 소스 임피던스를 추가해야 합니다. 극한 온도 조건에서도 차단이 제대로 되는지 확인하십시오. 클램핑 장치는 차단이 필요 없지만, 작동할 때마다 부하가 걸립니다. MOV는 반복적인 충격 후 성능이 저하됩니다. TVS 다이오드는 MOV보다 수명이 길지만 훨씬 적은 에너지를 처리할 수 있습니다.
백업 퓨즈는 서지 보호기의 단락으로부터 장치를 보호합니다. 퓨즈 용량은 정상 작동 전류보다 크고 장치의 고장 전류 용량보다 작아야 합니다. 각 부품의 고장 모드를 확인하십시오. MOV 또는 TVS가 단락되면 일반적으로 서지가 정격 용량을 초과했음을 의미합니다. 누설 전류가 증가하면 반복적인 서지로 인한 성능 저하를 나타냅니다. 반복적인 고장은 너무 작은 용량의 장치를 선택했음을 의미합니다. 데이터 라인의 통신 오류는 종종 용량이 큰 부품에서 발생합니다. 커넥터에서 멀리 떨어진 부적절한 위치에 설치하면 서지 억제 및 필터링 기능이 약화됩니다.
서지 보호 장치 선택하기
크기 및 클램핑 전압
먼저 스탠드오프 전압부터 살펴보십시오. 역방향 스탠드오프 전압은 정상 작동 중 최고 전압보다 높아야 합니다. 여기에는 전원 공급 허용 오차, 리플, 오버슈트 및 온도 변화가 모두 포함됩니다. 5V 레일은 정상 작동 중에 5.25V 또는 5.5V에 도달할 수 있으므로 5V 스탠드오프 전압을 설정하더라도 정상 사용 중에 누설 전류가 발생하거나 회로가 켜질 수 있습니다. 절연 파괴 전압과 스탠드오프 전압을 혼동하지 마십시오. 낮은 누설 전류는 절연 파괴점이 아닌 스탠드오프 정격에서 보장됩니다.
매개 변수 | 의미 | 선택 규칙 |
|---|---|---|
역방향 스탠드오프 전압 | 명시된 낮은 누설 전류를 갖는 최고 연속 전압 | 최대 유효 선로 전압보다 커야 합니다. |
클램핑 전압 | 특정 펄스 동안 소자 양단의 전압 | 보호 회로의 안전 과도 한계치 이하로 유지해야 합니다. |
피크 펄스 전류 | 주어진 파형에 대한 최대 펄스 전류 | 예상 과도 전류를 초과해야 합니다. |
최대 펄스 전력 | 최대 단시간 펄스 전력 | 정격 출력보다 초과해야 합니다. |
다음으로 서지 전류를 예측하고 클램프를 점검하십시오. 24V 산업용 입력의 경우 33V 스탠드오프가 적합합니다. 1000V 전원, 54V 클램프, 42Ω 전원 저항을 사용하면 8/20µs 펄스 전류는 약 22.5A입니다. 보호 회로가 60V를 견딜 수 있다면 54V 클램프는 PCB 오버슈트 전에 6V의 여유만 남깁니다. 클램핑 전압을 절대 무시해서는 안 됩니다. 다이오드는 펄스를 견딜 수 있지만 보호 대상 IC를 손상시킬 만큼 충분한 과도 전압을 통과시킬 수 있습니다.
정격 전압 레일에서만 스탠드오프 전압을 선택하지 마십시오. 데이터시트의 파형이 예상되는 위협과 일치하는지 확인하고, 피크 펄스 전력에 온도 디레이팅을 적용하십시오.
위치 및 리드 길이
서지 보호 장치 는 배선이 다른 곳으로 연결되기 전에 커넥터에 설치하십시오 . 연결선이 길면 임피던스가 증가하고 유도 전압 강하가 발생합니다. 고주파 과도 전류가 흐르면 이러한 임피던스로 인해 하류 장비에 도달하는 잔류 클램핑 전압이 상승합니다. 보호 수준이 떨어지고 민감한 부하는 임펄스 내성 정격 이상의 전압에 노출됩니다.
전선은 짧고 곧게, 그리고 직접 연결되도록 하십시오. 피뢰기와 전원 또는 접지 사이의 최대 전선 길이는 0.5미터(흔히 50센티미터 규칙이라고 함)입니다. 피뢰기와 장비 사이의 케이블 길이는 10미터를 넘지 않아야 합니다. 10미터를 초과하는 경우, 장비에 더 가까운 곳에 동일한 기능을 하는 서지 보호기를 하나 더 설치하십시오.
서지 보호기를 장비 단자 및 접지에 연결하는 리드선의 길이는 최소화하고, 굽힘을 최소화하여 가능한 한 직선으로 설치해야 합니다.
DFM(설계 제조성) 제약 조건이 여기서의 선택에 영향을 미칩니다. 미세 피치 과도 전압 억제기 패키지는 패드 크기와 스탠드오프 간격에 제한이 있습니다. 모든 분할선의 서지 유입 측에 부품을 배치하고 리턴 경로는 동일 레이어에 유지해야 합니다. 인증을 받고 적절한 정격의 서지 보호 장치라 하더라도 조립 업체에서 패드 형상을 제대로 유지하지 못하면 제 기능을 하지 못합니다.
서지 보호를 위한 접지 설계
보호 접지와 신호 접지
보호 접지와 신호 접지는 서로 다른 역할을 합니다. 보호 접지는 고장 전류를 전달하고 섀시를 접지 전위로 유지합니다. 따라서 사람이 인클로저를 만지더라도 안전합니다. 신호 접지는 회로의 기준 접지입니다. 신호 접지는 섀시 전압에 비해 어떤 전압이든 가질 수 있습니다. 두 접지가 만나는 지점을 정하기 전까지는 서로 다른 네트처럼 취급하십시오.
아래 | 지도 |
|---|---|
신호 접지 vs 섀시 접지 | 회로 접지는 섀시 접지에 연결할 필요가 없습니다. USB 전원 장치의 경우 GND 선은 회로 접지에 연결하고 실드는 섀시에 연결합니다. |
단일점 접합 | 회로 전원 접지를 섀시에 한 지점만 연결하십시오. |
고주파 접합 | 회로의 접지(GND)와 차폐선 사이에 수백 pF 정도의 소형 커패시터를 추가하여 고주파 노이즈를 차단하십시오. |
쉴드 조작 | 차폐선과 신호 리턴은 별도의 지점으로 유지하십시오. 차폐선은 전자기장을 차단하며, 특별히 설계하지 않는 한 전류를 흘려서는 안 됩니다. |
노이즈와 루프 | 회로 기준 신호를 차폐막과 분리하면 노이즈 경로와 신호 귀환 경로가 분리됩니다. 이를 통해 접지 루프, 발진 및 전원 잡음을 방지할 수 있습니다. |
섀시를 신호 접지에 한 지점에서 연결한 다음, 고주파 귀환을 위해 작은 커패시터를 추가합니다. 이렇게 하면 안전 접지가 견고하게 유지되고 고주파 노이즈가 통과할 수 있는 경로가 짧아집니다.
단일 지점 접지, 다중 지점 접지 및 하이브리드 접지
단일 접지 방식은 모든 귀환선을 하나의 공통 노드에 연결합니다. 이는 접지 루프를 제한하고 낙뢰 발생 시 모든 부품을 공통 전위로 유지합니다. 하지만 약 10MHz 이상의 주파수 대역에서는 긴 도체가 안테나 역할을 하기 때문에 단일 접지 방식의 효율성이 떨어집니다. 다중 접지 방식은 접지 전류에 여러 경로를 제공하고 전위를 균등화합니다. 그러나 접지 루프가 발생하거나 건물 철골 구조를 통해 누설 전류가 흐를 가능성이 있습니다. 하이브리드 접지 방식은 단일 접지 백본과 다중 접지 서브시스템을 혼합한 방식입니다.
1MHz에서 30MHz 사이의 주파수 대역에서 동작하는 회로에는 하이브리드 방식이 사용됩니다. 접지선의 길이가 동작 신호 파장의 1/20보다 짧으면 단일 접지 방식을 사용하고, 그렇지 않으면 다중 접지 방식을 사용합니다.
접지면 분할 및 접합 설계 시 귀환 전류를 고려해야 합니다. 신호 아래에서 접지면이 분할되면 귀환 전류가 우회하게 되고, 이 루프가 방사됩니다. 신호가 반드시 통과해야 하는 지점에는 커패시터나 좁은 브리지를 사용하여 분할된 부분을 접합하십시오. 서지 보호 장치와 보호 대상 장비의 접지 구성을 함께 설계하십시오. 서지 보호 장치는 접지까지 짧고 인덕턴스가 낮은 경로가 필요하며, 장비는 자체 접지 기준이 필요합니다. 서지 보호 장치의 접지 도체를 공통 접지점에 연결하고, 이 도체를 신호 귀환선과 분리하십시오. 해당 지역 규정에 따라 서비스 입구에서 상, 중성선 및 장비 접지 도체를 접합하십시오. 그런 다음 서지 억제기도 같은 지점에서 접지하십시오. 긴 공용 접지선은 모든 단계의 과도 전압을 높여 구축된 협조 기능을 무력화합니다. 효과적인 낙뢰 보호는 서지 억제기 단독이 아니라 이러한 공용 접지 기준에 달려 있습니다. 서지 억제기의 귀환선을 먼저 연결한 다음, 그 주변에 신호 접지선을 배치하십시오.
PCB 레이아웃 및 절연 기술
연면거리, 간극 및 슬롯팅
연면거리는 두 도체 사이의 표면을 따라 흐르는 경로입니다. 절연거리는 공기를 통한 직선 거리입니다. 거리가 너무 짧으면 과도 전압이 두 도체 사이를 가로질러 흐를 수 있습니다. 고전압 패드 사이에 슬롯을 만들면 표면 경로가 길어집니다. 패드 사이에 1mm 너비의 슬롯을 만들면 표면 경로 길이가 거의 두 배가 됩니다. 이렇게 하면 트래킹이나 아크 발생 가능성이 크게 줄어듭니다. 2mm 너비의 슬롯을 만들면 기판 크기를 늘리지 않고도 연면거리가 수 밀리미터 늘어납니다.
기판 크기가 커서 긴 연면거리를 확보하기 어려울 때는 슬롯과 물리적 장벽을 사용하십시오. 소형 800V 컨버터는 1mm 슬롯과 우수한 절연 재료를 사용하여 필요한 간격을 확보할 수 있습니다. 1200V 산업용 모터 컨트롤러(오염 등급 2, IPC-2221, 그룹 II 재료)는 소형 기판에서 전류가 흐르도록 슬롯과 컨포멀 코팅을 결합합니다. 전기장을 밀집시키므로 트레이스의 급격한 굴곡과 모서리를 피하십시오. 매우 높은 전압의 트레이스는 내부 레이어에 위치하지 않도록 하십시오. 날카로운 모서리가 있는 금속 패턴은 절연체 양단의 전기장을 증가시켜 섬락을 일으킬 수 있습니다.
공통 모드 초크, Y형 커패시터 및 절연 장벽
공통 모드 초크는 두 개 이상의 전력선에서 공통으로 발생하는 노이즈를 차단합니다. 반대 방향으로 감긴 권선은 차동 전류를 상쇄하고 공통 모드 노이즈에 대해 높은 임피던스를 나타냅니다. 주 전원 입력단 근처에 설치하고 X 및 Y 커패시터, 서지 보호 장치와 함께 배치해야 합니다. Y 커패시터는 공통 모드 노이즈를 접지로 단락시키고, X 커패시터는 라인과 중성선 사이의 차동 모드 노이즈를 필터링합니다. 과도 전압 억제 다이오드 및 기타 서지 보호 장치와 함께 이러한 부품들은 서지 억제 및 고주파 필터를 구성하여 IC에 잔류하는 과도 전압을 차단합니다.
페라이트 초크는 포화될 수 있습니다. 고에너지 공통 모드 서지는 코어를 포화시켜 그대로 통과할 수 있습니다. 초크 외에 별도의 서지 보호 장치를 설계하고, 초크를 서지 억제기처럼 사용하지 마십시오. Y 커패시터는 IEC 60384-14에 따른 등급으로 크기를 정하고, 목표 피크 전압을 견딜 수 있는지 확인하십시오.
DFM(설계 제조성)은 이 모든 것을 좌우합니다. 제조 규정상 구리는 외곽선에서 약 0.3~0.4mm 떨어져 있지만, 연면 거리는 가장자리를 따라 섀시까지 이어집니다. 절연 슬롯은 도금할 수 없으며, 배선에는 약 1.0~1.5mm의 공간이 필요하므로 전기 경로가 슬롯 끝부분을 피해가야 합니다. 절연 영역의 플럭스와 솔더 볼은 설치된 오염물질로 작용합니다. 해당 벨트는 부품, 비아, 실크스크린 및 테스트 포인트에 대한 접근 금지 구역으로 간주해야 합니다. 코팅을 가정하여 CAD에서 연면 거리를 줄이지 마십시오. 코팅을 명시하고 검사한 후에만 그렇게 해야 합니다.
제한 영역 | 제조상의 절충 |
|---|---|
보드 가장자리 크리페이지 | 구리 인발 부분은 가장자리를 따라 섀시까지 이어지는 경로를 남깁니다. |
격리 슬롯 | 도금이 불가능합니다. 라우팅 폭으로 인해 경로가 슬롯 끝을 우회하게 됩니다. |
장벽을 따라가는 비아스 | 좁은 마스크 댐은 표면에서 패드끼리 봉합됩니다. |
조립 잔여물 | 플럭스와 납땜 볼은 절연 영역에서 오염 물질로 작용합니다. |
등각 코팅 | 명시된 경우 및 검사 시에만 오염도를 낮춥니다. |
커넥터에 순간적으로 고전압이 유입됩니다. 이 고전압은 칩의 가장 약한 부분을 찾아 칩을 손상시킵니다. 단계별 보호 장치는 이러한 에너지의 흐름을 늦춥니다. 접지 및 회로 배치를 통해 클램프가 제대로 작동하는지 여부가 결정됩니다. 서지 보호는 전체 시스템이지, 특정 부품 하나에만 의존하는 것이 아닙니다.
핵심 사항을 다시 한번 정리하겠습니다. 첫째, 서지 환경과 테스트 레벨을 정의하십시오. MOV, GDT, TVS 단계 사이에 임피던스를 추가하여 서로 연동되도록 하십시오. 서지 보호기의 리드는 짧고 직선으로 유지하십시오. 레이아웃을 설계하기 전에 접지 경로를 계획하십시오. 연면거리, 절연거리, 설계 결함 방지(DFM) 제한 규정을 준수하십시오. 각 서지 억제기는 전류가 섀시 접지로 흐르도록 배치하십시오.
다음 건물을 짓기 전에 현재의 서지 보호 장치, 접지 및 배치 계획을 이러한 아이디어와 비교하여 점검하십시오.
FAQ
서지 보호기가 정상적으로 보이는데 송수신기가 작동하지 않는 이유는 무엇일까요?
보호 회로가 너무 천천히 고정되었거나 커넥터에서 너무 멀리 떨어져 있었을 수 있습니다. 긴 리드는 유도 전압 강하를 증가시켜 IC에 남는 전압이 허용 한계를 초과하게 만듭니다. 부품 자체를 문제 삼기 전에 리드 길이와 접지 경로를 확인하십시오.
TVS 다이오드 하나만으로 기판을 보호할 수 있나요?
아니요. TVS는 빠르게 차단되지만 처리할 수 있는 에너지가 적습니다. 낙뢰 서지는 TVS의 정격 용량을 초과합니다. 따라서 GDT 또는 MOV 단계를 앞에 추가하고, 각 단계 사이에 임피던스를 확보하여 에너지가 체인 전체에 분산되도록 해야 합니다.
서지 보호기 케이블은 얼마나 짧아야 하나요?
주 전원 또는 접지선과의 연결 길이는 0.5미터 이내로 유지하고, 직선으로 유지하며 굴곡을 최소화하십시오. 피뢰기와 장비 사이의 케이블 길이는 10미터 이내로 유지하십시오. 10미터를 초과하는 경우, 부하에 더 가까운 위치에 두 번째 연동형 피뢰기를 추가 설치하십시오.
섀시 접지와 신호 접지를 어디에 연결해야 할까요?
두 접점을 한 지점에서 접합한 다음, 고주파 귀환을 위해 수백 pF 정도의 소형 커패시터를 추가합니다. 이렇게 하면 안전 접합이 견고하게 유지되고 접지 루프를 생성하지 않고도 노이즈가 짧은 경로를 통해 이동할 수 있습니다.
