바리스터(Varistor) 전기적 특성과 활용

ESD, Surge 보호용으로 TVS Diode와 바리스터(Varistor) 많이들 사용하는데요,

이 바리스터의 전기적 특성과 활용에 대해 알아보겠습니다.

 

TVS Diode 관련 궁금하신 분은 아래 포스팅 참조하세요~

TVS 다이오드 전기적 특성 및 활용 (tistory.com)

TVS 다이오드 전기적 특성 및 활용

 

1. 바리스터란?

- Variable + Resistor의 합성어로 말 그대로 전압에 따라 저항값이 바뀌는 소자

  이러한 특성 때문에 예전 몇몇 업체들은 VDR(Voltage Dependant Resistor)로 부르기도 했습니다.

(배리어블 + 레지스터 합성이면 배리스터로 발음되어야 하는데 이미 바리스터로 자리 잡아 업계에선 대부분 바리스터라고 부릅니다.)

- 정격 전압에서는 절연 수준의 높은 저항을 유지하다가 순간 과전압 (Transient overvoltage) 발생하면

  수 mΩ 이하의 도체로 저항 값이 급격하게 감소함

- 바리스터는 극성에 대해 대칭적인 이극성 소자로 구조는 커패시터와 비슷하여 Capacitance를 가지고

  기능은 TVS 다이오드와 비슷하여 등가회로는 아래와 같이 표현됩니다.

2. 바리스터의 ESD, Surge 보호 메카니즘

- 앞서 말한것과 같이 정격전압에서는 절연 수준(Open)의 높은 저항값을, 과전압에서는 도체 수준(Short)의 낮은 저항값을 가진다.

- 보호하고자 하는 IC 앞에 Shunt로 바리스터를 그라운드와 연결한다. 이때 ESD나 Shurge같은 과전압이 인가되면

  바리스터 저항이 급격히 감소하고 과전류를 그라운드로 바이패스 시키면서 IC를 보호한다

- 바리스터가 만족하는 IEC 61000-4-2 standard를 보면 아래 그래프와 같이 ESD(빨간색) 인가되면,

  고전압은 바리스터에 의해 bypass되고 따라서 오실리스코프에서 측정되는 Load 전압(파란색)은

  ESD 파형에 비교하면 현저히 낮아진다

3. 바리스터 구조

앞서 여러번 말했듯 바리스터는 낮은 전압에서는 높은 저항을, 높은 전압에서는 낮은 저항을 가진다.

TVS Diode처럼 PN Junction이 아닌데 어떻게 이렇게 동작할까? 그러기 위해선 바리스터를 이루고 있는 물질에 대해서 알아야 한다.

바리스터는 금속 산화물로 이루어져 있는데, 대부분 높은 전기 전도도를 가진 산화아연(ZnO) 물질이다.

(옛날에는 SiC로 구성된 바리스터가 사용되었는데 대기 전력이 높은 단점이 있었다.

이러한 단점이 개선된 ZnO 타입의 바리스터가 나오면서 자연스럽에 SiC 바리스터는 시장에서 자리를 잃었다)

산화아연(ZnO)이 90%, 나머지 코발스, 비스무트, 망간과 같은 다른 저항이 높은 물질이 세라믹층을 이루며 10% 차지 하고있다.

 

아래처럼 ZnO 입자들이 대부분 공간을 차지하고 있고 이 ZnO 입자들간 사이에서 3.5V 전도 전압을 갖는 쇼트키 접합을 형성한다.

이렇게 쇼트키 접합을 이루고 있는 ZnO의 입자들이 마치 3.5V의 제너 다이오드처럼 동작하는 것이다.

이렇게 제너 다이오드처럼 동작하는 ZnO 입자들이 또 서로 직병렬로 얽혀서

바리스타 전체로 봤을땐 양방향 TVS 다이오드처럼 동작한다.

4. 바리스터 종류

바리스터는 MOV(Metal Oxide Varistor)와 MLV(Mutilayer Varistor) 두가지가 있다. 

MOV가 자치하고 있던 시장이 MLV가 나오고나서 MLV로 급격하게 대체되었다.

 

1) MOV 바리스터

- 단층 구조이며 아래처럼 대부분 리드 타입이다

- 일반적으로 높은 커패시턴스와 낮은 피크 전류 성능을 가짐

2) MLV 바리스터

- MOV와 동일하게 ZnO 입자로 구성됨

- 차이점은 MOV가 단층이라면 MLV는 마치 MLCC 커패시터처럼 층을 교대로 연결하여 쌓는것이다.

- 이 구조가 낮은 전압에서 높은 저항을 가지게 하고 MOV보다 반응속도가 빠르다.

- 적층형이다보니 MLCC 커패시터 만드는 것 처럼 층수를 바꿔서 커패시턴스를 다양하게 제작할 수 있다.

5. 바리스터 Spec Item

1) 최대 정격 전압 (V_DC, V_AC)

- 바리스터에 연속적으로 인가할 수 있는 최대전압으로 V_DC는 직류 전압, V_AC는 교류전압이다.

  (V_AC는 RMS값 입니다.)

 

2) Varistor Voltage 또는 Breakdown Votage (V_B 또는 V_1mA)

- DC 1mA 전류가 흐를때 바리스터에 걸리는 전압

- 외부 전압에 대하 바리스터가 도체로 동작하는 시작점

ex. 아래 그림과 같은 바리스터는 250V부터 1mA 전류가 흐르므로 250V가 Varistor Voltage다.

3) 제한 전압 또는 클램핑 전압 (V_C or V_CL)

- 아래 그림과 같은 8/20us 전류 파형을 인가했을때 바리스터에 의해 제한되는 전압

- 따라서 ESD나 Surge가 발생해도 IC에 들어가는 전압은 Clamping Voltage 이하이다.

- Clamping Voltage가 낮을수록 통과되는 전압이 낮아 IC를 잘 보호한다는 뜻임으로 Clamping Voltage는 낮을 수록 좋다. 

4) Maximum Transient Peak Current (I_P)

- 위에 8/20us 파형의 임펄스 전류를 인가했을때 바리스터 특성을 저하시키지 않고 견딜 수 있는 최대 전류

- 이 전류 이상 인가되면 바리스터는 전기적으로 파괴됨

 

5) Capacitance (C)

- 1kHz(or 1MHz) 주파수에서 0.5Vrms(or 1.0Vrms) 전압 인가후 측정되는 정전용량

- 이 Capacitance 때문에 과전압 보호 기능에 추가로 LC 필터로도 활용된다.

 

6) Maximum Transient Energy (E_T)

- 아래와 같은 10/1000us의 임펄스를 한번 가했을때 바리스터 특성을 저하시키지 않고 흡수할 수 있는 최대 에너지

- 이 값을 넘는 에너지의 임펄스가 인가되면 바리스터는 전기적으로 파괴됨

6. 바리스터 선정 시 주의 사항

- 바리스터는 커패시턴스를 가지고 있다보니 고속 데이터를 사용하는곳에 연결하면 데이터가 Bypass되버린다.

  (그래서 고속 데이터 사용하는 곳은 바리스터 대신 TVS Diode를 단다)

  그리고 안테나단에도 커패시턴스 고려없이 바리스터를 달게되면 임피던스가 틀어진다.

 

6. 바리스터 활용

- 위 바리스터 선정 주의 사항을 고려하여 ESD, Surge로 부터 보호하고자 하는 IC나 회로 앞단에 Shunt 연결하면 된다.

- 바리스터 사용의 목적인 ESD, Surge 보호를 기본적으로 하면서 바리스터가 가지고 있는 커패시턴스를 활용해서

  노이즈 차단용(Bypass, Decap)이나 LC Filter로도 사용된다