TVS 다이오드 전기적 특성 및 활용

ESD, Surge 보호용 소자로 TVS 다이오드(Diode)와 바리스터(Varistor)를 많이 사용합니다.

이 중 TVS 다이오드에 대해 알아보겠습니다.

 

바리스터 관련 포스팅은 아래 링크 참조 부탁드립니다~.

바리스터(Varistor) 전기적 특성과 활용 (tistory.com)

바리스터(Varistor) 전기적 특성과 활용

 

1. TVS 다이오드란?

 - TVS는 Transient Voltage Suppressors의 약어로 구글 번역기 돌리면 "과도 전압 억제기"로 번역됩니다.

 순간적으로 의도치 않은 높은 전압 (ESD or Surge)에 대해 IC 보호를 위해 사용하는 소자입니다.

 (이러한 역할을 하는 소자로 바리스터도 있습니다.)

 - 항복 전압까진 절연 수준의 높은 저항을 유지하다가 항복 전압 이후부터는 수mΩ 수준으로 저항값이 급격하게 감소하는

  다이오드의 역바이어스 특성을 활용합니다.

 - 단방향, 양방향 2종류가 있으며, 필요에 맞게 설계하시면 됩니다.

   (밑에서 단방향, 양방향 TVS 다이오드에 대해 자세히 다루겠습니다.)

[그림1] 단방향 양방향 TVS 다이오드 심볼

 

2. TVS 다이오드 전기적 특성

 단방향 다이오드 기준 전압, 전류 그래프는 아래와 같습니다.

[그림2] 단방향 TVS Diode V-I 그래프 출처 : https://toshiba.semicon-storage.com/

1) V_BR (Breakdown Voltage)

 - 항복 전압이라고 하며, 급격하게 낮은 저항을 가지기 시작할 때의 전압입니다.

   따라서 V_BR 이후부터 전류가 급격히 증가합니다.

 - V_BR@I_BR로 표시하기도 하며 이는 I_BR 전류가 흐를 때 TVS에 걸리는 DC 전압이 V_BR(항복 전압)이라는 뜻입니다.

   일반적으로 I_BR은 1mA이며, 이는 대부분의 TVS 다이오드가 1mA 전류가 흐르는 전압부터

   수mΩ 수준으로 저항이 낮아지기 시작한다는 뜻입니다.

  (V_BR@I_BR로 표기 안 하고 VBR로만 표기된 경우 IBR의 조건이 1mA라고 생각하시면 됩니다.)

 

2) V_RWM (=V_R, V_WM) (Working Peak Reverse Voltage)

 -  Stand-off Voltage라고도 하고 Working Maximum Voltage라고도 합니다.

 - 절연 수준으로 전류가 적게 흐르는 것을 보장하는 전압입니다.

 - 일반적으로 Breakdown Voltage(V_BR)보다 10% 낮게 잡습니다.

 (V_BR의 Min spec이 5V면, V_RWM은 그 90%인 4.5V로 일반적으로 정합니다.)

 - V_RWM은 보호하고자 하는 회로의 피크 동작 전압 레벨과 동일하거나 그 이상이어야 합니다.

  그렇지 않다면 TVS 다이오드가 ESD나 Surge뿐만 아니라 의도치 않게 회로 구동 전압까지도

  클램프 전압 수준으로 깎아 버리겠죠?

 

3) I_R (=I_leak) (Maximum leakage current 또는 Reverse leakage current)

 - V_RWM 전압이 다이오드에 걸렸을 때 흐르는 누설 전류입니다.

 

4) I_PP (Peak Pulse Current)

 - 반복 인가 가능한 최대 Pulse 전류입니다. I_PP를 넘는 피크 전류를 가진 펄스가 TVS 다이오드에 넘어온다면

   TVS 단품이 고장 날 수 있다는 이야기입니다.

 - 이때 Pulse 파형은 일반적으로 10/1000μs의 파형이지만, 따로 명시한 경우 8/20μs 파형이 될 수도 있습니다.

 

5) V_CL (=V_C) (Maximum Clamping Voltage)

 - 지정된 파형 (10/1000μs 또는 8/20μs)에 대해 펄스 전류(I_PP)를 인가하는 동안

   보호코자 하는 IC에 측정된 최대 전압입니다.

 - 즉 TVS Diode로 ESD 보호 회로를 구성한다면 피크 전류가 I_PP인 ESD나 Surge가 들어와도

   클램핑 전압 이상의 전압이 IC에 안 걸린다는 거죠.

 

6) P_PP (Peak Pulse Power) 

 - V_CL과 I_PP의 곱입니다.

 - VV_CL은 낮을수록 좋고 I_PP는 높을수록 좋습니다. 따라서 P_PP가 높다고 해서 좋은 것은 아닙니다.  

 

 7) R_DYN (Dynamic Resistance) 

 - 동적 저항은 V_BR보다 더 큰 역전압일 때의 V-I 그래프 기울기 역수입니다. 

 - 동일한 _IPP를 가지더라도 R_DYN가 작을수록 클램핑 전압이 낮아집니다.

   이 말인즉슨 V_CL은 대부분 R_DYN에 의해 결정됩니다. 

 - 일반적으로 클램핑 전압을 낮추고 싶어 하기 때문에 R_DYN가 낮은 TVS 다이오드를 선호합니다. 

    (물론 클램핑 전압이 동적 전압보다 높아야 합니다.)

 - 기울기가 저항치의 역수이므로 기울기가 가파를수록 저항치가 작고

   이는 클램핑 능력이 우수하다는 것을 의미합니다.

[그림3] RDYN 값에 따른 TVS 다이오드 V-I 그래프 출처 : https://toshiba.semicon-storage.com/

 8) C_T 

 - Breakdown이 일어나기 전까진 p-n접합부에서 공핍 영역이 형성되어 다이오드가 커패시턴스를 가지게 됩니다. 

   이때의 커패시턴스가 C_T입니다.

 

3. TVS 다이오드의 ESD, Surge 보호 메커니즘

 앞에 말씀드린 TVS 다이오드의 전기적 특성에 대한 이해를 바탕으로

이제 TVS 다이오드가 어떻게 ESD와 Surge로부터 소자(또는 회로)를 보호하는지 알아보겠습니다.

 - 보호코자하는 소자 앞에 TVS 다이오드를 Shunt로 연결(병렬로 그라운드 연결)합니다.

 - 정전기가 유입되면 TVS 다이오드는 VBR보다 큰 전압이 걸리면서

   매우 낮은 저항을 가지게 되고 정전기를 그라운드로 bypass 시킵니다.

 - 이때 소자에 전달되는 전압은 클램핑 전압 레벨로 제한되게 됩니다.

[그림4] TVS 다이오드를 통한 ESD로부터 IC 보호 출처 : TVS/ESD | (주)글로벌테크놀로지 (glbltech.com)

 

4. 단방향, 양방향 TVS 다이오드

- 단방향과 양방향의 V-I 그래프는 아래와 같습니다.

[그림5] 단방향 TVS, 양방향 TVS 다이오드 V-I 그래프 출처 : https://components101.com/articles/how-to-use-tvs-diodes-for-transient-voltage-suppression

 - 단방향과 양방향 선택 기준은 보호 IC(또는 회로)의 구동 전압 범위에 따라 달라집니다.

 - 보호 대상의 IC 전압이 양과 음의 값 둘 다 가질 때 → 양방향 TVS 다이오드

 - 보호 대상의 IC 전압이 양의 값 또는 음의 값만 가질 때 → 단방향 TVS 다이오드

[그림6] 동작 전압의 범위에 따른 단방향, 양방향 TVS 사용 출처 : https://toshiba.semicon-storage.com/

 - 단방향과 양방향 TVS 다이오드 모두 양과 음의 ESD 펄스를 흡수할 수 있습니다.

 - 단방향 다이오드에 음전압 ESD가 온다면 Breakdown되면서 ground로 bypass 시키고,

   양전압 ESD가 온다면 순방향 바이어스는 그대로 통과시키는 다이오드의 특성처럼 ESD를 ground로 bypass 시킵니다.

 - 양방향 다이오드의 경우엔 역전압, 순전압 ESD가 오면 모두 Breakdown 되면서 ground로 bypass 시킵니다.

[그림7] 단방향, 양방향 TVS를 통한 양과 음의 ESD 보호 출처 : https://toshiba.semicon-storage.com/

 - 결론적으로 단방향, 양방향 선택 기준은 ESD가 양전압인지 음전압인지가 아닌 IC 구동 전압의 범위입니다.

 

5. TVS vs Zener 다이오드

 TVS의 전기적 특성이 Zener 다이오드와 동일하다 보니 TVS와 Zener 다이오드 간 차이가 뭔지 궁금하신 분들 계실 겁니다.

TVS와 Zener 다이오드 모두 pn junction 구조에 역바이어스를 걸었을 때의 전기적 특성을 이용한다는 것은 동일합니다.

(그래서 TVS 다이오드는 제너 다이오드의 일종으로 볼 수도 있습니다.)

이제 TVS와 Zener 다이오드의 사용 용도 차이에 대해 알아보겠습니다.

 - 먼저 이 둘 다이오드는 목적성이 다릅니다. TVS 다이오드는 Surge 전압을 흡수하여

   다른 소자를 보호하는 용으로 사용하지만, 제너 다이오드는 레귤레터처럼 정전압 공급용으로 사용됩니다.

 - 따라서 TVS 다이오드는 노멀 동작 영역이 V_RWM전압까지이며, 이벤트로 갑자기 ESD가 유입되면

   클램핑 전압으로 낮춰주면서 보호해줍니다.

 - 제너 다이오드는 반대로 노멀 동작 영역이 V_BR 전압 이후이며,

   불안정한 전압을 일정한 전압으로 클램핑 해주는 것입니다.

[그림8] TVS 다이오드 vs Zener 다이오드 정상 동작 범위와 역할 출처 : https://toshiba.semicon-storage.com/

 

6. TVS 다이오드 설계 시 주의 사항

1) 단방향, 양방향 선택 및 단방향 사용 시 극성 주의

 - 앞서 단방향, 양방향 다이오드 차이점에 말씀드린 것처럼 보호 대상의 신호 라인의 전압 극성을 고려하여

   단방향, 양방향 TVS 다이오드를 연결해야 합니다.

 - 디지털 신호 같이 양의 방향 (ex. low logic 0V, high logic 5V)인 경우엔 단방향 다이오드를 사용해도 됩니다.

   이때 단방향 TVS 다이오드는 역바이어스가 걸리는 방향으로 연결해야 합니다.

   (순방향 바이어스로 연결된다면 IC에 도달하는 신호나 전원이 모두 그라운드로 bypass 해버리겠죠?)

 - 양과 음을 가지는 신호의 경우 (ex. 0V를 기준으로 스윙하는 AC Signal) 양방향 TVS 다이오드를 사용해야 합니다.

   만약 단방향 TVS 다이오드를 연결한다면 다이오드에 순바이어스가 걸리는 순간

   신호는 IC로 전달이 안되고 그라운드로 bypass 돼버립니다.

 

2) IC 피크 동작 전압과 V_RWM

 - V_RWM은 보호하고자 하는 회로의 피크 동작 전압 레벨과 동일하거나 그 이상이 여야 합니다.

 - 그렇지 않다면 TVS 다이오드가 ESD(또는 Surge) 뿐만 아니라 의도치 않게 회로 구동 전압까지

   클램핑 전압 수준으로 깎아버리게 되겠죠?

 

3) 소모 전류가 민감한 회로의 TVS 다이오드 사용 시 I_R 체크 필요

 - 노멀 동작 조건에서 TVS 다이오드를 통해 흐르는 I_R(누설 전류)는 그 크기가 크진 않아

  많은 회로에 문제를 일으키진 않지만 2mA까지 높을 수 도 있습니다.

 - 항상 켜져 있는 배터리 전원 시스템이라던지 저전류 드라이버에서는 이 누설 전류가 꽤나 큰 영향을 미칠 수 있으므로

   소모 전류에 민감한 회로에는 누설 전류를 고려한 TVS 다이오드를 골라야겠습니다.

 

4) 고속 신호 라인에 TVS 다이오드 사용 시 C_T값 확인 필요

 - 노멀 동작 영역에서 TVS 다이오드는 p-n 접합부에서 공핍 영역이 형성되어 커패시턴스(C_T)를 가집니다.

   즉, 노멀 동작할 땐 TVS 다이오드가 shunt cap 등가 회로인 거죠.

 - Shunt cap은 LPF를 형성하기 때문에 고속 신호 라인 (ex. USB3.1)에선 신호 품질에 영향을 줄 수 있습니다.

   따라서 보호 대상 신호 라인의 주파수 영역에서 TVS 다이오드가 영향을 끼치지 않을 정도로

   커패시턴스가 충분히 낮은지 확인해야 합니다.

[그림9] TVS 다이오드의 커패시턴스와 주파수 증가에 따른 Insertion Loss 출처 : https://toshiba.semicon-storage.com/

 

5) TVS 다이오드는 ESD가 들어오는 커넥터에 가까이 배치

 - TVS 다이오드가 IC 가깝게 배치된 회로와 컨넥터 근처에 배치된 회로 비교 시

   커넥터에 가까이 두었을때가 피크 전압이 작습니다.

 - 따라서 TVS 다이오는 컨넥터에 가깝게 배치하는 것이 좋습니다.

[그림10] TVS 다이오드 배치에 따른 피크 전압 차이 출처 : https://toshiba.semicon-storage.com/

 

9. 결론

- TVS 다이오드는 ESD와 Surge로부터 IC(또는 회로)를 보호하기 위한 소자입니다.

- R_DNY ↓ / V_CL ↓ / I_PP ↑ / C_T ↓ / I_R ↓ 일수록 좋은 TVS 다이오드입니다.

- TVS 다이오드 설계 시 주의 사항 숙지 필요합니다.