『ROBOT 이론/실무 정리』

TVS 다이오드

TVS를 왜 넣어야하는가!

EMS 내성시험을 진행하면서 전원회로의 DC/DC 컨버터가 손상되는 이슈가 있었다.

외부 시스템으로부터 24V가 입력되어,

Fuse, TVS 다이오드와 캐패시터를 거친후 DC/DC로 연결되는 회로였다.

과도 전압(EMS내성 시험 중 ESD, Burst 시험에 사용되는 높은 전압)이 발생되면,

TVS 다이오드를 통해 GND로 흐르게 되며, 이 때 "Surge 전압(과도 전압)을 션팅(클램핑)한다."고 표현한다.

IC가 손상된 이슈에 대해 TVS 다이오드를 연결하여 서지 전압으로부터 보호하고자 한다.

TVS 다이오드와 선정 방법에 대해 확인하자.

Surge 전압을 Shunting(션트한다) -> 과도한 전류가 시스템 안으로 들어오지 않게 하다.

TVS 다이오드: 과도 전압 억제기, 서지 보호를 위한 소자, 순간의 과전압만 보호

TVS 다이오드는 서지 전압과 ESD(정전기와 같은 순간 과도 전압)으로 부터 보호하기 위한 부품이다.

설명하기에 앞서 단어를 정의하자면,

아래와 같이 컨트롤러, PLC, SMPS 등으로 부터 입력받는 곳을 Power Input,

서지를 보호해야하는 IC로 전원을 인가해주는 곳을 IC Input이라고 정의하겠다.

선정할 때 이것만 기억해라!

TVS를 선정할 때, 가장 중요한 변수는 VR, VBR, VC와 방향성이다.

1. Vr (=Vrwm, Vwm, Vstandoff)
   : Reverse Working Maximum Voltage, Stand-off Voltage / 동작 전압
   -. 다이오드에는 전류가 흐르지 않고 연결된 장치가 동작됨 (5uA가 TVS 다이오드에 흐름, 거의 흐르지 않음)
   -. Vr은 IC 동작 전압보다 커야함 (IC 동작 전압보다 Vr이 작은 경우, 동작하지 않을 수 있음)
    
2. Vbr
   : Break down Voltage / 항복전압
   -. 클램핑을 시작하는 구간
   -. 다이오드에 전류가 흐르기 시작하는 시점 (1mA가 TVS 다이오드에 흐름)
   -. 생산 및 온도에 따라 값이 변하여 범위로 지정됨 (Min. ~ Max.)
   -. Vbr이 낮을 수록, 서지와 ESD로부터 보다 잘 보호할 수 있음
3. Vc (=Vclamp, Vrsm)
   : Clamping(Surge) Voltage / 클램핑(서지) 전압
   -. Vc는 IC 최대 입력 전압보다 낮아야함 (IC 최대 입력 전압보다 높은 전압 인가될 경우 IC가 손상되기 때문에, IC에 최대 입력 전압보다 낮은 전압이 입력되도록 Vc 전압 이상부터 Shunting 해주어야 한다.)
   
   
4. 방향성(Polarity)
   : 바이폴라(양방향)과 유니폴라(단방향)으로 구분-. 보통 AC는 유니폴라를, DC는 바이폴라를 사용
   -. IC위치에 DC/DC 컨버터를 사용하는 경우 유니폴라의 TVS 다이오드를 사용하는데, 입력 전압의 범위가 (-)전압부터 시작하는 경우가 있어 Vf를 추가로 확인해야 함

* 참고)

제조사는 Littelfuse, Bourns, Vishay를 주로 사용

직접 부품 선정을 해보자!

부품선정 예시를 들자면,

Power Input 전압이 23V ~ 25V이고, IC Input의 동작 전압이 24V, 최대 입력 전압이 42V라고 하자.

이 때, 사용할 TVS 다이오드(1KSMB30A)의 Spec.은, Vr = 25.6V, Vbr = 28.5V ~ 31.5V, Vc = 41.4V 이다.

간단히 나열하면 아래와 같다.

부품을 선정할 때,

Vr은 Power Input보다 크게, Vc는 IC 최대 입력 전압보다 작은 것을 선정한다.

또한, Vr와 Vc은 작을 수록 회로를 보다 잘 보호할 수 있다.

그 중, VBR은 다이오드에 전류가 흐르기 시작하는 시점을 의미한다.

(TVS 다이오드에 VBR 이상의 전압이 흐르면 GND로 전류를 흘려준다. IC Input으로 전류가 흐르지 않는다.)

따라서 IC Input의 최대 입력 전압이 VBR보다 크게 설계를 해야 상시에 전원이 인가될 수 있다. (최대Vic < Vbr)

반대로 IC Input의 최대 입력 전압이 VBR보다 작다면 IC에 과전압이 흘러 손상될 수 있다는 것이다.

42V보다 큰 전압이 입력될 경우에 DC/DC 컨버터가 손상되기 때문에, VBR은 42V보다 적어야 한다.

보통 SMPS의 최대 전압(Power Input의 최대)가 VR의 최소 값보다 작도록 설계되는게 맞지만,(VBR에서 1mA가 흐르며 이 값이 클 수 있기 때문,,)

VC도 함께 고려하기 때문에 Power Input은 VR 혹은 VBR보다 작도록 설계하면 된다.

해당 내용은 아래에서 자세히 다뤄진다.

TVS 다이오드를 Datasheet를 참고하며 선정해보자 !

우선 아래 표는 LM61460의 Datasheet이다. 입력전압은 -0.3V~42V로 확인된다.

위의 표에서 입력이 최대 42V이므로 그 이상의 전압이 인가될 시 해당 IC는 손상이 된다.

따라서 그전에 TVS를 이용하여 서지전압을 접지로 흐를 수 있도록 하는 것이 TVS의 기능이다.

하지만 아래 표와 같이 1KSMB30AHR5G의 클램핑 전압이 41.4V이지만 LM61460의 최대 입력 전압이 42V이므로 TVS 다이오드(41.4V)가 최대 입력 전압(42V)보다 낮지만 이와 비슷한 값을 가지고 있다.

따라서 TVS 다이오드를 42V보다 훨씬 적은 전압을 클램핑할 수 있도록 재선정이 필요하다.

(클램핑하지만 위험범위에 있기 때문에 41.4V보다 좀 더 적은 전압을 가진 TVS 다이오드가 안정적)

바이폴라의 경우 위아래의 전압을 클램핑하지만, 유니폴라는 위의 전압만 클램핑을 한다.

DC/DC의 경우 입력 전압의 범위가 -0.3V~42V이기 때문에 한쪽만 클램핑해주는 유니폴라 TVS 다이오드를 사용해야 한다.

LittelFuse의 1KSMB27A의 클램핑 전압(Vc)은 37.5V이므로, 37.5V보다 높은 전압은 클램핑하여 DC/DC IC를 보호한다.

참고로 항복 전압(VBR)을 선정 시에 입력전원(Power Input 전압의 허용치 +5 or 10%)보다 높게 설정한다.

Littelfuse의 1KSMB27A 부품이 Shortage인 관계로 다른 제품을 확인해야한다.

우선 SMB사이즈로 Artwork이 설계되어 있으므로, DO-214AA로 된 제품을 확인한다.

(참고) DO-214AA: SMB / DO-214AB: SMC / DO-214AC: SMA

또한 항복 전압은 Power Input의 최대(25.2V)보다 높은 전압으로 설정한다.

제조사는 Littelfuse, Bourns, Vishay를 주로 사용하므로,

재고가 있는 부품 중, Bourns의 P6SMB27A-Q 부품으로 선정하였다.

참고: https://kr.mouser.com/datasheet/2/54/bourns_07102019_P6SMB-Q-1621328.pdf

P6SMB27A-Q는 유니폴라이며, VBR 최소는 25.7V, VRWM은 23.1V, VC(VRSM)은 37.5이다.

(25.7V부터 28.4V이상은 클램핑되며,

SMPS의 최대 전압은 25.2V이며 이는 VBR보다 낮은 수치를 나타낸다.

또한 DC/DC의 최대 입력 전압인 42V를 클램핑할 수 있는 VC(37.5V)로 나타나며,

P6SMB27A-Q 부품은 사용 가능한 TVS 다이오드라고 할 수 있다.

Part list와 BOM의 차이가 헷갈릴 수 있다.

파일명에 BOM이라고 작성했지만 Part list를 작성한 경우가 간혹있어 간략히 설명한다.

1. BOM
해당 문서를 보면 상위, 하위 부품들을 알 수 있고,
한 개의 완제품이 어떻게 조립되어 만들어지는지 간략히 알 수 있다.

2. Part list
파트리스트는 단순히 부품 목록표이다. 해당 문서를 보고 상위, 하위 도번이나 체계는 알 수 없다.
제품의 단가를 책정하기 위해 해당 문서에 부품의 단가를 작성하기도 한다.

정리하자면,
문서를 보고 해당 제품을 만들 수 있다면 BOM,

부품만 쭈욱 나열되어 있으면 Part list

• 레귤레이터
  -. 직류 전압을 직류 전압으로 변환해 주는 부품.(DC/DC 컨버터)
  -. 높은 전압을 낮은 전압으로 변환해 주는 부품.(레귤레이터)

비용, 보드의 크기, 효율, 발열 등 다양한 요소에 따라 IC를 선정할 수 있다.

자신이 생각하는 우선 순위를 정하고 IC를 정하도록 하자.

• 레귤레이터 종류
  
  1. 리니어 레귤레이터 (ex. LM7805)
  - 장점: 비용↓, 부품 수↓, 노이즈↓
  - 단점: 효율↓, 발열↑, 강압 컨버터만 사용
  
  2. 스위칭 레귤레이터 (ex. LM2596)
  - 장점: 효율↑, 발열↓, 다양한 역할
  - 단점: 비용↑, 부품 수↑, 노이즈↑

IC 부품의 크기는 모두 작지만 리니어 레귤레이터의 경우 높은 발열과 낮은 효율로 사용을 하지 않는다. 또한, 입력과 출력의 전압차가 높으면 그만큼 손실이 높기 때문에 효율이 나빠진다. 하지만 낮은 전력의 보드를 개발한다면 리니어 레귤레이터를 사용해도 되지만 추천하지 않는다.

따라서 개발보드에 DC/DC 컨버터를 추가할 때는 주로 스위칭 레귤레이터를 사용한다.

직류 전압의 경우, 대문자 V로 작성하고 직류를 표시하기위해 VDC라고 표기하기도 한다.

전압의 레벨은 일반적으로 산업용으로 사용하는 경우 24V, 기본적인 회로의 전압은 5V, MCU의 전원은 3.3V를 사용한다.

• LDO?

LDO란 Low Dropout의 약자로, Input, Output 전위차가 낮을 때 사용되는 리니어 레귤레이터이다.

보통 전위차가 1V이하일 때 높을 효율을 위해 사용된다.(0.5V이상 차이일 때 사용)

예를 들어 5V의 전압으로 3.3V를 만들때도 LDO가 사용된다. 일반 레귤레이터의 경우 2V 이상 전위차가 있어야 사용가능하다. 예시 IC 부품으로 LM1117-3.3이 있다.

• 레귤레이터 IC 선정 방법

스위칭 레귤레이터를 사용 시, TI 사의 IC를 많이 사용한다. 그 이유는 TI 홈페이지에서 원하는 입력, 출력 스펙을 작성하면 시뮬레이션과 부품, 회로도를 만들어주기 때문이다.

예시를 들어 IC를 선정해보도록 하겠다.

입력 24V, 출력 5V이며 전류는 2A로 설정하였다.

참고) 출력 전압 5V, 전류 2A의 전압을 사용하고 싶다면 전력 P는 10W로 계산된다. 따라서 입력전력은 10W보다 높은 전력을 가지고 있어야된다. 따라서 입력 24V라면 10/24A = 0.42W의 전력을 사용해야한다는 것을 기억해야할 것이다. 항상 얼마만큼의 전력을 사용했고, 남아있는지를 생각하자.

1. TI - Power Designer에 접속한다.
https://webench.ti.com/power-designer/switching-regulator

2. Input에 입력 전압의 최소, 최대 값을 입력한다. (입력 전압은 최소 ±10%의 범위를 가져야한다.)
Output에 출력 전압과 최대 전류를 입력한다.

3. 회로도를 확인하고 여러 요소를 고려하여 한가지를 선택한다.
효율은 90%이상을 선호하며, BOM Cost(부품 비용), Footprint(회로 면적) 등을 고려하여 선정한다.

4. 선택을 하면 아래와 같은 팝업창이 나타난다.

해당 화면에서 우측하단의 'CUSTOMIZE DESIGN'을 통해 부품들의 성능과 대체품을 개별로 확인할 수 있다.
또한, 상단 탭을 이용하여 BOM과 여러가지 그래프를 확인할 수 있다.

5. 이미지를 참고하여 회로도를 그리면 되지만 주의사항이 있다.
-. 전압분배를 사용해 전압 강하를 하는 Rfbt, Rfbb 저항은 F등급(1%)을 사용하기를 추천한다.
-. 입력과 출력에 커패시터를 추가한다. 입력 전압이 안정적이지 않고 리플있을 수 있으며, 순간적으로 전압이 출력될 때 충전해둔 전하를 사용할 수 있기 때문이다.

6. 입력, 출력 전압에서 사용하는 캐패시터의 경우, 사용 전압의 두 배이상이 되는 정격전압을 사용하는 것이 좋다.

예를 들어,
5V의 사용 전압에서는 10V, 16V의 정격전압,
24V의 사용 전압에서는 50V의 정격전압의 커패시터를 사용하도록 한다.