『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.

▶WHAT

• 트랜지스터(Transistor) -> 이동, 변하다(Transfer) + 저항(Resistor)
  - 사용목적: 신호 증폭, 전류 스위칭
  - 종류: BJT(NPN, PNP), FET(N채널, P채널)

트랜지스터의 용도는 스피커 소리를 높일 때 사용할 수 있으며, LED를 ON/OFF할 수 있는 제어에 사용할 수 있다.

여러 종류가 있지만 역할에 따라 BJT, FET 트랜지스터를 많이 사용한다.

• 부품 핀 이름
  - 이미터(Emitter: E)
  - 베이스(Base: B)
  - 콜렉터(Collector: C)

종류① - NPN형

종류② - PNP형

NPN과 PNP는 표기 화살표의 방향이 다르다.

N과 P의 모양을 확인하여 외울 수 있다.

트랜지스터의 동작원리는아래 링크를 통해 전하의 움직임으로 잘 설명되어있는 영상을 확인할 수 있다.

Transistors, How do they work ?

* 추가 내용)

참고로 PNP, NPN 중 어떤 사양의 트랜지스터를 사용할지, 어떤 사양의 센서를 사용할지 고민이 많을 수 있다.

보통 아래와 같이 지역에 따라 관례처럼 흔히 사용하는데, CE 인증품을 만든다고 하면 PNP로 구성하면 된다.

이는 설계자의 컨셉에 따라 달라질 수 있으니 유념하기 바란다.

★ 유럽, 미국 - PNP

★ 한국, 일본 - NPN

▶HOW

트랜지스터는 스위칭 역할에 많이 사용된다. 그 중 간단하게 LED, 릴레이와 같은 소자의 전원을 ON/OFF 제어하기 위한 용도로 많이 사용된다.

물론 ON/OFF 제어를 컨트롤러(ex. MCU, PLC 등)를 사용하여 직접 제어할 수 있지만, 해당 핀의 부하를 줄이기 위해 TR을 연결하여 제어하도록 권장한다.

① LED ON/OFF하기
TR을 사용하지 않고 직접 LED를 ON/OFF할 수 있지만, MCU의 경우 LED의 역전류로 인해 손상을 입힐 수 있으니 TR을 함께 사용할 것을 추천한다.

흔히 부하, Load라고 입력된 부분에 LED와 저항을 넣으면 된다.

주로 Collector에 부하를 연결한다.

Bias를 줄이기 위해 Control 출력단자에 저항을 추가한다.

LED와 함께 있는 저항은 TR과 부하사이에 위치하도록 한다.

난이도 하)

-. 트랜지스터의 가운데 핀에 신호를 연결하여 LED를 켜고 끌 수 있다.

난이도 중)

-. Base의 전압을 5V, 0V 제어하여 LED를 제어할 수 있다.
-. NPN형은 E보다 B의 전압이 클 때 C에서 E로 전류가 흐른다.
-. PNP형은 E보다 B의 전압이 작을 때 E에서 C로 전류가 흐른다.

난이도 상)

-. NPN TR의 경우, Emitter보다 Base의 전압이 0.6V이상일 때 High가 된다.

-. PNP TR의 경우, Emitter보다 Base의 전압이 0.6V이하일 때 High가 된다.

② 디지털 센서 출력받기(Digital Sensor Output Data)

아날로그 센서가 아닌 디지털 센서를 사용 시, 위의 회로를 참고할 필요가 있다.

본인이 제작한 회로가 아닌 PLC 등 외부장치를 사용한 경우에는 위와 같이 기준이 되는 COM이라는 포트를 사용하게 된다.

NPN형이든 PNP형이든 어떠한 외부장치를 연결할 수 있도록 개발된 것이다.

따라서, NPN 출력형은 기준점을 VCC('1')로 잡아 Low('0')신호로 제어를 하고,

PNP 출력형은 기준점을 GND('0')로 잡아 High('1')신호로 제어를 한다.

예를들어,

국내 한영넉스의 포토센서 제품으로 NPN/PNP형 센서의 차이를 볼 수 있다.

아래 이미지와 같이 NPN 또는 PNP 출력을 선택하여 제품을 선정할 수 있다.

포토센서를 연결하고자하는 제품의 사양을 숙지하고, High/Low 중에 어떤 신호로 제어할지 선택하면 된다.

추가로,

스위치 역할을 하는 TR의 위치에 따라 High-side, Low-side라고 부를 수 있다.

'① LED ON/OFF하기'에서 설명한 것과 같이 High, Low 신호의 따라 출력을 내보낼 수 있다.

또한, '한 개의 전압레벨을 사용하는가? / 2개 이상의 전압레벨을 사용하는가?'등의 사용 역할에 따라 선택하면 된다.