ST마이크로일렉트로닉스
열악하고 콤팩트한 환경에서 보호 기능의 향상 방법
휴대전화, PC, 기타 산업용 장비 등과 같이 한층 더 복잡한 제품을 개발하기 위해서는 외부 장애요소들에 보다 민감한 기술이 필요하다. 동시에 최종 사용자들은 신뢰할 수 없는 상품들을 구매하려 하지 않는다: 수명 증대는 현장 회수를 줄이기 위한 활동이다. 이러한 애플리케이션들을 위해 사용되는 대부분의 컴포넌트들은 특히 보호 기능과 관련하여 동일한 전기적 특성을 제공하면서도 한층 더 소형화되어야만 한다. 이 글의 목적은 산업, 통신, 소비가전 등과 같은 다양한 분야에서의 요건들을 설명하고, 기술 현황을 분석하며, 최종적으로 이러한 요건들을 충족시킬 수 있는 방법에 대해 설명하는 것이다.
자료제공: ST마이크로일렉트로닉스 한국지사
www.st.com
전기적 장애요소
초보자들이 생각하는 첫 번째 질문은 "보호의 이유"이다.
보다 경험이 많은 설계자들은 두 번째로 "무엇으로부터 보호할 것인가?"라고 질문한다. 우선 과도전압의 발생 원인부터 살펴보도록 하자. 그림 1은 다양한 서지가 발생할 수 있는 위치를 보여주고 있다.
다양한 종류의 장애요소들이 있지만, 주요 요소는 다음과 같다:
그림 1. 서지가 발생할 수 있는 애플리케이션
준수해야 하는 주요 표준들
낙뢰 영향
통신선은 일반적으로 유도에 의해 낙뢰에 노출된다. 다음과 같은 3가지 사례가 있을 수 있다:
- 장비에 대한 직접적인 낙뢰 충격. 이는 피뢰침이 있기 때문에 일반적으로 발생하지 않는다. 하지만, 서지 전류가 수십만 암페어에 도달하는 경우, 장비가 파손될 것임이 분명하다.
- 낙뢰는 공기 중에 방사를 유도하고 서지의 일부가 라인에 결합된다.
- 낙뢰는 접지의 전위 이동을 유도하여 장비 고장을 일으킨다.
이러한 낙뢰는 기지국 (central office) 장비, 게이트웨이, 전화 등을 손상시킬 수 있다. 국가에 따라 이러한 서지들은 다음과 같은 표준으로 분류되어 있다:
- 미국: BellCore GR-1089
- 그외 지역: ITU-T K 시리즈
- 중국은 YDT 시리즈를 사용하고 있지만, 이것은 ITU-T K 표준에 기반하고 있다.
- 일부 국가의 경우, 특히 전압 수준에 따라 다른 ITU-T K 시리즈를 사용하고 있다.
통신을 위한 낙뢰 표준들은 특수하며, 통장 장비에 적용된 디바이스들에만 적용된다. 이러한 종류의 서지들로부터 보호하는 데 적합한 디바이스들은 클로우바(crowbar) 디바이스들이다.
ESD (Electro-Static Discharge)
ESD는 생산 라인의 기계 등과 같은 다양한 것들에 의해 발생될 수 있지만, 가장 일반적인 것은 인체에 의해 생성되는 ESD이다. 이는 매우 높은 전압을 통해 충전되는 작은 커패시턴스와 같다. 이는 커넥터가 액세스할 수 있는 소비가전 및 무선 제품에서 매우 중요해지고 있다. 뿐만 아니라 이 장비는 공기가 건조할 때 카펫과 같이 열악한 환경에서 사용될 수 있다. 다음과 같은 다양한 표준들이 있다:
- MIL STD 883E-Method 3015-7 (인체 모델)
- JESD22-A115-A (기계 모델)
- ESD STM5.1- 2007 (충전 기기 모델)
- IEC61000-4-2. (전자기 호환성)
- 인체모델 (HBM)은 사람이 양 또는 음의 전위로 충전되거나 IC를 또 다른 전위로 만질 경우의 ESD 발생을 시뮬레이션한다.
- 기계 모델 (MM)은 장비 도는 기구의 일부가 서로 다른 전위로 디바이스와 접촉할 경우에 발생하는 ESD를 시뮬레이션한다.
- 충전기기 모델 (CDM)은 다른 전위로 충전된 장비에서 특정 전위로 방전 가능한 디바이스로 인한 ESD 발생을 시뮬레이션한다.
- IEC61000-4-2는 ESD가 발생할 수 있는 장비가 있는 전체 환경을 시뮬레이션한다. 이 표준은 보다 현실적인 스트레스이기 때문에 무선 환경의 레퍼런스로 고려된다.
가능 스트레스가 높고 일반적인 표준은 IEC61000-4-2이다.
산업 효과:
전력선 역시 산업 현장의 장비에 의해 오염될 수 있다. 이는 릴레이의 턴-온 및 턴-오프에 의해 발생할 수도 있으며, 소프트 스타트를 전혀 사용하지 않고 모터가 시작되는 경우에 발생할 수 있지만, 전력 회로에서 간헐적인 접촉과 연결된 유도 또는 정전용량성 부하를 스위칭시키는 경우에도 발생할 수 있다. 이러한 종류의 서지는 TV, 전자기기 등과 같은 전력선 상의 장비를 손상시킬 수 있다. 이러한 종류의 서지는 대부분의 장비에 적용되며, 수 kV까지 도달할 수 있다.
가장 일반적인 표준은 IEC61000-4-5이다.
우리는 2가지 주요 표준인 IEC61000-4-2 및 IEC 61000-4-5에 대해 집중적으로 살펴볼 것이다.
준수해야 할 주요 표준
2a- IEC61000-4-2
이는 가장 스트레스가 높은 ESD 표준이다. 그림 2는 ESD 발생기의 등가 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 이것은 커패시턴스를 표준에 정의된 특정 수준으로 충전시킨 다음 이것을 330Ω 저항을 통해 장비 내부로 방전시킨다(그림 2).
그림 2. ESD 서지 발생기
표준에 정의된 레벨들을 표1에 요약하였다. 레벨4가 가장 일반적이다.
표 1. ESD 레벨
2b - IEC61000-4-5
이 표준은 표준을 관리해야 하는 대부분의 설계자들에게 잘 알려져 있다.
표 2. 등급 레벨과 환경
장비가 설치될 장소에 따라 표 2에 제시한 것과 같은 다양한 등급이 존재한다.
전력 조건으로 25V가 문제가 되지 않는다면, 500V의 서지로부터 전자 장비들은 보호되어야 한다. 동일한 환경에서 서지 발생기(그림 3의 Rext)에 직렬 임피던스를 추가 또는 제거함으로써 전력선과 데이터 라인이 구분되어야 한다.
개방 모드에서 발생기는 1.2μs/50μs 전압 파형을 제공하며, 단락 회로에서 전류 파형은 8μs/20μs가 될 것이다. 이러한 종류의 발생기를 조합파 발생기(combination wave generator)라고 한다.
- 케이블/컨덕터/라인의 종류 (a.c. 전력공급기, d.c. 전력공급기, 상호접속 등);
- 케이블/라인의 길이;
- 실내/실외 조건;
- 애플리케이션의 테스트 전압 (라인-대-라인 또는 라인-대-접지).
2Ω 임피던스는 저전압 전력공급기 네트워크의 소스 임피던스를 나타낸 것이다. 발생기는 2Ω의 유효 출력 임피던스만을 사용한다. 12Ω(10Ω 2Ω) 임피던스는 저전압 전력공급기 네트워크와 접지의 소스 임피던스를 나타낸다. 직결로 연결된 10Ω의 추가 레지스터를 사용하는 발생기를 사용한다. 유효 42Ω(40Ω 2Ω) 임피던스는 모든 다른 라인들과 접지 사이의 임피던스를 나타낸다. 직렬로 연결된 40Ω의 추가 레지스터를 사용하는 발생기를 사용한다.
보호 디바이스는 서지 전류에 의해 크기가 결정되기 때문에 전압 수준과 Rext에 따라 최대 전류 값을 확인해야 한다(표 3 참조).
표 3. 등급, 전압, 관련 서비 전류
그림 4에 테스트 블록 다이어그램을 나타내었다.
그림 4. 라인-대-라인 테스트 및 라인-대-접지 테스트를 위한 테스트 블록 다이어그램
그림 4는 장비가 전력선에 연결될 경우에 대한 테스트 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 테스트가 데이터 라인에 적용되면, 라인-대-라인 및 라인-대-접지 테스트의 분리 네트워크는 다소 다르다. 뿐만 아니라 테스트는 Rext= 40Ω의 조건으로 수행되어야 한다. (그림 5 참조)
보호 디바이스가 장비의 입력에 직접 위치한다면 보호 디바이스는 8μs/20μs 서지를 견딜 수 있어야만 한다. 일부 경우에 보호 디바이스는 입력에 위치해서는 안되지만, 때때로 보드의 "중앙"에 위치할 수 있으며, 보호 디바이스는 서지를 다소 다르게 볼 수 있다.
대부분의 경우에 서지는 보호 디바이스 데이터시트에 지정된 일반적인 10μs/1000μs보다는 8μs/20μs 파형에 보다 가깝다.
보호 기능이 없을 경우의 영향
IC에 직접 적용된 서지의 결과는 파손이다. ESD 서지는 일반적으로 IC를 손상시키지만, 손상은 그림 6에 나타낸 바와 같이 다이의 상부에 나타난다.
IEC61000-4-5는 ESD 서지보다 한층 더 에너지가 높으며, 그 영향을 쉽게 확인할 수 있다. 고장 디바이스는 그림 7에 나타난 바와 같이 파괴되거나(다이와 패키지 모두의 파손), 때때로 PCB 회로가 파괴될 수도 있다.
보호 소자 또는 TVS(Transient Voltage Suppressor)를 선택하는 방법
애플리케이션에 상관 없이 주요 파라미터는 항상 다음과 같이 동일하다:
- 보드 상의 신호에 따른 단방향 또는 양방향 형태
- 애플리케이션의 전압과 등가를 이루는 스탠드-오프 전압 및 누설전류
- 장애 수준에 따른 전력 용량 (서지 전류 및 클램핑 전압)
- 패키지는 일반적으로 시장에서 제공되는 것에 따라 선택되지만 크기가 작을수록 더 좋다.
이들 파라미터에 대한 보다 자세한 내용들을 살펴보자.
단방향 또는 양방향 유형
라인의 데이터가 -V와 V 사이에 있다면, TVS는 양방향이어야 한다.
라인 상의 데이터가 0V와 V의 사이 또는 0V와 -V 사이에 있다면, TVS는 단방향이야 하며, 이 경우에 극성은 패키지의 음극 바(cathode bar)를 통해 확인한다.
단방향 신호가 사용되지만 IC가 충분하게 보호되지 않거나 음의 서지가 발생하는 경우에는 양방향 TVS를 사용할 수도 있다. 단방향 다이오드를 사용할 경우의 이점은 음의 서지로부터 IC 기판을 보호할 수 있기 때문이다.
MOV(Metal Oxide Varistance) 등과 같은 다른 기술은 양방향뿐이지만 실리콘 컴포넌트는 단방향 또는 양방향 형태를 선택할 수 있도록 해준다.
기술
2가지 다른 기술, 유리 보호막(glass passivated) 또는 평면(planar) 기술이 시장에서 사용되고 있다. 유리 보호막은 보다 기초적인 공정을 사용하는 오래된 기술이며, 신뢰성이 평면 기술만큼 우수하지 않다. 낮은 누설전류와 안정성이 평면 기술의 주요 이점이다. 이것이 열악한 환경에서 보다 높은 유연성과 강화된 접합 온도(TJ)을 위해 낮은 누설전류(IR)를 지정할 수 있다.
스탠드-오프 및 항복전압
이론적으로 애플리케이션의 최대 전압은 TVS의 스탠드-오프 전압(VRM)을 정의한다.
예를 들어, 9V의 공칭 전압을 가진 신호는 설계자들이 허용 오차를 포함한 9V를 고려할 것이며, 허용오차를 10%라고 할 경우에 VRM > 9.9V 를 특성으로 하는 다이오드를 선택하게 될 것이다.
실제 설계자들은 VBR이 최소 항복전압(즉, TVS가 클램핑을 시작하는 전압)임을 알면서 VRM < 9.9V < VBR min 의 TVS를 일반적으로 선택한다.
이 VBR은 일반적으로 제조업체의 데이터시트의 25°C 조건에서 1mA로 주어지지만, VBR 은 온도에 민감하여 온도와 함께 증가한다(애벌런치 효과). 이 계수를 온도 계수(αT)라고 한다. 설계자들은 이 VBR 변화를 고려해야만 한다.
전력 용량 및 클램핑 전압
시리즈 정의는 어렵다: 600W는 1000μs의 감쇠 시간과 함께 10μs의 상승 시간의 이중 지수 서지와 일치한다(그림 8 참조).
현장에서 서지는 10/1000μs보다는 매우 낮으며, IEC61000-4-5의 경우에 8μs/20μs로 정의되어 있다. 몇몇 제조업체들만이 데이터시트에서 8μs/20μs 전류 성능을 제공하고 있다.
뿐만 아니라, 애플리케이션의 서지는 TVS의 데이터시트에 지정된 것과 절대 일치하지 않으며, 서지 발생 시의 전압이 회로 손상을 방지할 수 있을 만큼 충분히 낮은지를 확인하는 것이 거의 불가능하다.
패키지
실리콘 다이 크기는 해당 기술의 서지 용량과 함께 증가하기 때문에 패키지 선택은 서지 요건과 직접적으로 관련되어 있다. 보드 공간이 제한적인 애플리케이션을 위해 충분히 작은 패키지에서도 강력한 성능을 제공하는 디바이스를 확보해야 한다.
대부분의 제조업체들이 동일한 시리즈를 제안하고 있다:
- SMF에서 200W
- SMA에서 400W
- SMB에서 600W
- SMC에서 1500W
이들은 시장에서 제공되고 있는 주요 시리즈들이다.
콤팩트하거나 휴대형 장비의 경우, 설계자들은 작은 크기와 높은 서지 용량 모두에서 최상의 디바이스를 확보하고자 한다.
이러한 요건을 충족시킬 수 있는 방법
ST마이크로일렉트로닉스는 이러한 모든 요건들을 보다 우수하게 충족시키기 위하여 2개의 신형 제품군인 SMM4F와 SMA6J를 출시하였다.
단방향 또는 양방향 형태
SMA6J 시리즈는 단방향 (SMA6JxxxA-TR) 또는 양방향 (SMA6JxxxCA-TR)으로 제공될 수 있다. SMM4F 시리즈는 단방향 (SMM4FxxA-TR)이다.
기술 및 누설 전류
하이-엔드 평면 기술을 사용함으로써 누설전류를 0.2μA으로 낮출 수 있는 데, 다른 공급업체와 ST 표준 시리즈가 25°C 조건에서 1μA를 제공한다. 뿐만 아니라 대부분의 애플리케이션들은 고온 조건에서 동작하기 때문에 두 시리즈 모두 85°C 온도 조건에서 1μA의 누설전류를 특징으로 한다. 이 온도는 폐쇄 상자의 주변온도보다 높으며, 통신 시스템의 범위와도 일치한다.
두 시리즈 모두 편리한 안전 마진(고집적도 DC-DC 컨버터, 통신 시스템 등)을 통해 열악한 환경을 충족시키기 위해서 175°C의 최대 접합 온도를 제공하도록 지정되었다.
스탠드-오프 전압과 항복전압
부품 번호는 미국 표준에 따라 부여되었다: xxx는 스탠드-오프 전압(VRM)을 나타낸다. 대부분의 애플리케이션들이 낮은 전압 정격을 가지기 때문에 SMM4F 시리즈는 5V에서 33V 사이의 VRM을 정격으로 하며, SMA6J은 5V에서 188V 사이의 VRM을 정격으로 한다. 항복전압(VBR)은 VRM 보다 15% 높다.
항복전압은 온도에 민감하기 때문에 두 시리즈의 데이터시트는 온도가 다음의 공식을 따르도록 VBR을 재평가하기 위해서 온도계수 (αT)를 제공한다.
VBR @ TJ = VBR @ 25°C × (1 αT × (TJ - 25))
클램핑 전압
이는 VCL이 너무 높을 경우에 회로에 손상의 위험이 존재하기 때문에 고려해야 할 가장 중요한 파라미터 중 하나이다. 일부 디바이스의 경우 최대 VCL 이 12%까지 줄어들었기 때문에 SMA6J 시리즈는 보다 우수한 기능을 제공한다.
두 시리즈 모두 IEC61000-4-5에 따라 8/20μs을 위해 VCL이 지정되었다. 동적 저항(RD) 역시 지정되었으며, 서지가 다음의 공식을 따르는 경우에 설계자들이 최대 클램핑 전압을 계산할 수 있도록 해준다:
VCL max = RD × Ipp VBR max
온도에 상관 없이 VBRmax 을 고려함으로써 접합 온도와 서지 전류에 대한 최대 클램핑 전압을 계산할 수 있다.
전력 용량 및 패키지
SMM4F 및 SMA6J 전력용량/패키지 비율은 한층 더 작은 패키지들에서 보다 효율적인 보호 기능을 제공할 수 있도록 향상되어 왔다.
이들 디바이스들은 SMA6J을 위한 SMA(JEDEC DO214-AC)에서 600W 정격을 제공하고 SMM4F를 위한 STmite flat(JEDEC DO222-AA)에서 400W 정력을 제공하는 최초의 시리즈이다.
출처: IEC61000-4-2 및 -5 표준들 (www.iec.ch)
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음