VS 다이오드를 사용하여
서지 저항성을 최대화 할 수 있는 PCB 레이아웃

과도 전압 억제(TVS, Transient Voltage Suppressor) 다이오드는 민감한 전자 장치를 ESD와 EMI 서지 펄스(ESD and EMI Surge Pulses)로부터 보호하는데 효과적인 저렴한 옵션이다. 여기서는 TVS 다이오드를 사용하여 서지 저항성(Surge Immunity)을 최대화하는 PCB 레이아웃에 대한 가이드라인을 제공한다. 그 외에 TVS 다이오드와 함께 사용할 수 있는 다른 회로 구성들 간의 조정에 대한 예들을 알아본다.

                              글│짐 레프코프스키(Jim Lepkowski), 온세미컨덕터

과도 전압 억제(TVS, Transient Voltage Suppressor) 다이오드는 민감한 전자 장치를 ESD와 EMI 서지 펄스(ESD and EMI Surge Pulses)로부터 보호하는데 효과적인 저렴한 옵션이다. 여기서는 TVS 다이오드를 사용하여 서지 저항성(Surge Immunity)을 최대화하는 PCB 레이아웃에 대한 가이드라인을 제공한다. 그 외에 TVS 다이오드와 함께 사용할 수 있는 다른 회로 구성들 간의 조정에 대한 예들을 알아본다.

PCB 레이아웃 가이드라인

위치
TVS 장치는 I/O 커넥터에서 PCB에 들어오거나 나가는 모든 데이터와 파워 라인에 사용해야 한다. TVS 장치를 노이즈 소스에 가능하면 가깝게 설치하면, 펄스가 인접 PCB 트레이스에 결합되기 전에 서지 전압은 억제된다. 트레이스 길이(Short Trace Length)가 짧으면 임피던스가 낮은데, 이때 서지 에너지를 IC의 내부 ESD 보호 회로 대신 TVS 장비로 분산시킬 수 있다. 민감한 트레이스를 PCB의 가장 자리 근처보다 중앙에 위치시키는 것이 작업 중에 발생할 수 있는 ESD로부터 보호하는 간단한 방법이다. 그림 1는 권장하는 PCB 레이아웃의 예이다.

그라운드 선택
가능한 경우, 보호 회로는 그림 2에서와 같이 기준점(Reference)이나 섀시 그라운드(Chassis Ground) 중의 하나에 서지 전압을 분기시켜야 한다. 서지 전압을 IC의 시그널 그라운드에 직접 분기시키면 그라운드 바운스(Ground Bounce)를 일으킬 수 있다. 단일한 그라운드 PCB에서 TVS 다이오드의 과도 전압 억제 성능은 비교적 짧고 넓은 그라운드 트레이스(Ground Traces)를 사용하여 임피던스를 최소화함으로써 개선할 수 있다.

기생 인덕턴스
(Parasitic Inductances)
PCB 레이아웃과 IC 패키지 기생 인덕턴스는 TVS의 억제 전압(Clamping Voltage)을 매우 과도하게 초과할 수 있다. PCB의 인덕턴스는 길이가 짧은 트레이스와 별도의 그라운드와 파워 플레인을 가진 다중 레이어를 사용하여 줄일 수 있다. 패키지에 의한 인덕턴스는 소형의 서페이스 마운트 패키지(Small Surface Mount Packages)를 선택하여 최소화 한다.

루프 영역(Loop Area)
방사선과 RF 투자율(RF Suscep-tibility)은 고속 데이터와 그라운드 라인으로 형성된 루프 영역을 최소화하여 줄인다. 루프 문제를 최소화하는 효과적인 방법은 특히 트레이스가 상대적으로 길 때 그라운드 플레인을 PCB 설계에 결합하는 것이다. IC를 TVS 장비로부터 최대한 멀리 떨어뜨리면 IC는 고립되지만, 그림 3에서와 같이 루프 영역은 증가한다.

장비 선택 가이드라인

애벌란시 TVS(Avalanche TVS) 대
다이오드 어레이
애벌란시 TVS 다이오드가 정격 서지(Surge Rating)는 높지만 축전 용량이 비교적 크므로, 이 장치는 부하 스위치와 DC 파워 버스 보호와 같은 용도에서 선호하는 옵션이다. 반면에, 다이오드 어레이는 서지 등급은 중간급이지만 축전 용량이 낮으므로, 고속 데이터 라인을 보호하는데 알맞다. 애벌란시 TVS와 다이오드 어레이는 자주 바꿔서 사용할 수 있지만, 일부 회로에는 주의 깊게 분석하여 그에 알맞은 것을 선택해야 한다.
그림 4는 데이터 라인을 통해 다이오드 어레이에 흐르는 전류의 경로가 존재할 때 발생하는 백 드라이브 문제(Back Drive Problem)에 대해 설명한다. 데이터 라인은 VDD2가 VDD1 보다 클 경우 Module 1에 의도하지 않은 파워를 제공할 수 있다. 이러한 상태는 로직 IC에서 파워업 문제(Power-Up Problems)를 일으킬 수 있고, 장치에 전원이 들어오지 않았을 때 Module1에서 지시등의 조명과 같은 이상 상태(Anomalies)를 일으킬 수 있다.

단방향 애벌란시 TVS 다이오드 대
양방향 애벌란시 TVS 다이오드

단방향 애벌란시 TVS 다이오드와 양방향 애벌란시 TVS 다이오드 간의 항복 전압(VBR) 차이는 특정한 용도에서 확실한 장점을 제공할 수 있다. 단방향 장치는 역방향 바이오스 항복 전압 VBR과 다이오드의 순방향 전압에 해당하는 순방향 바이오스 항복 전압을 가진다.
반면에, 양방향 장치의 항복 전압은 ±VBR과 동일하다. 음의 서지 전압에 대한 단방향 장비의 낮은 항복 전압은 DC 파워 라인과 단일한 전원을 가진 IC의 장점이다. 반면에, 양방향 장치의 대칭적인 항복 전압은 보통 그림 5에서와 같은 차동 입력 또는 출력 증폭기에서 더 나은 노이즈 성능을 제공한다.

외부 IC 보호 회로 대 내부 IC 보호
회로

이상적인 외부 TVS 장치는 서지 펄스의 전체 에너지를 흡수하지만, 서지 전류 에너지의 일부는 IC의 내부 보호 회로를 통과할 수 있다. 전류를 내부 보호 회로에 제한하는 옵션 한 가지는 그림 6에서와 같이 직렬 저항을 사용하는 것이다. 내부 보호 회로는 어셈블리에서 발생하는 ESD 문제를 방지하는데 뛰어나다. 그러나, 보호 장치의 크기가 상대적으로 작으면 통상적으로 제품을 사용할 때 발생하는 서지에 견디는 능력을 제한한다. 다이오드의 서지 능력은 그 크기에 비례하고, IC가 대형의 보호 장치와 결합하는 것은 일반적으로 실용적이지 않는다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 10월호>