TVS Diode
Transient Voltage Suppressors 의 약자로 과전압 보호나 ESD에 대해 IC 보호를 위해 사용하는 소자 보호를 목적으로 하는 디바이스입니다
TVS 다이오드는 제너 다이오드와 마찬가지로 역방향 전압-전류 특성을 활용합니다.
TVS 다이오드를 집적회로와 병렬로 배치함으로써, 회로의 정상 동작 시에는 TVS가 꺼진 상태를 유지하며 미소의 리크 전류만 소모합니다.
그러나 과전압 펄스가 인가될 경우, TVS는 켜진 상태가 되어 과전압 펄스 전류를 소비함으로써 과전압을 클램프하여 후단의 집적회로를 보호하는 기능을 수행합니다.
클램핑(clamping)
TVS 다이오드가 과전압을 일정 전압 이하로 제한하는 것을 의미합니다
TVS 다이오드의 극성 (단방향과 양방향)
- 단방향 TVS 다이오드는 편극 회로(LH 회로 등)에서 보호소자로 사용되며, 양극 회로 보호에는 적합하지 않습니다.
- 양방향 TVS 다이오드는 양극성 회로(+/-)의 보호가 가능하므로, 양극 회로나 CAN 등의 데이터 라인 보호에 적합합니다.
- 또한 양방향 TVS 다이오드는 편극 회로의 보호에도 사용 가능합니다.
- 따라서 TVS 다이오드의 단방향/양방향 극성은 회로의 특성에 맞추어 선택하는 것이 중요합니다.
TVS 다이오드 전기적 특성
단방향 다이오드 기준 전압, 전류 그래프는 아래와 같습니다.
VBR (Breakdown Voltage, 항복전압)
- TVS가 높은 저항 상태에서 낮은 저항 상태로 전환되기 시작할 때의 전압
- VBR 이후부터 TVS 다이오드의 전류가 급격히 증가함
- VBR@IBR로 표기할 경우, IBR(일반적으로 1mA) 전류가 흐를 때의 전압을 의미
VRWM (Working Peak Reverse Voltage, 최대 동작 역방향 전압)
- Stand-off Voltage 또는 Working Maximum Voltage라고도 함
- 누설전류가 작게 유지되는 최대 전압 수준
- 일반적으로 VBR보다 10% 가량 낮게 설정됨
- 보호하려는 회로의 최대 동작 전압보다 높아야 함. 그렇지 않으면 의도치 않게 회로 구동 전압까지 클램핑할 수 있음
IR (Reverse Leakage Current, 역방향 누설전류)
- VRWM 전압에서 TVS 다이오드를 통해 흐르는 극소량의 누설전류
IPP (Peak Pulse Current, 최대 펄스 전류)
- TVS가 반복적으로 견딜 수 있는 최대 펄스 전류
- 10/1000μs 또는 8/20μs 파형의 펄스를 의미
- IPP를 초과하는 펄스 전류가 인가되면 TVS가 손상될 수 있음
VCL (Clamping Voltage, 클램핑 전압)
- IPP 펄스 전류가 인가될 때, TVS 후단에서 측정되는 최대 전압
- TVS로 ESD/과전압 보호회로를 구성했을 때, IPP 수준의 과전압이 발생해도 VCL 이상의 전압이 후단 IC에 인가되지 않음
PPP (Peak Pulse Power)
- VCL과 IPP의 곱으로 나타내는 최대 펄스 전력
- VCL이 낮고 IPP가 높을수록 좋지만, PPP 값 자체가 높다고 능력이 좋은 것은 아님
RDYN (Dynamic Resistance, 동적 저항)
- VBR 이상의 전압에서 V-I 곡선의 기울기 역수
- RDYN이 낮을수록 동일 IPP에 대한 VCL이 낮아져 클램핑 성능이 좋아짐
- RDYN이 낮을수록 기울기가 커 클램핑 능력이 우수함
CT (Capacitance, 커패시턴스)
- p-n 접합부의 공핍영역에 의해 발생하는 커패시턴스
- 고주파 특성과 관련됨
- reakdown이 일어나기 전까진 p-n접합부에서 공핍 영역이 형성되어 다이오드가 커패시턴스를 가짐 이때의 커패시턴스가 CT
TVS vs Zener 다이오드
용도 차이
- TVS 다이오드: 과전압/ESD로부터 IC 등을 보호하기 위한 클램핑 소자
- 제너 다이오드: 정전압 공급을 위한 레귤레이터 소자
동작 영역 차이
- TVS: 통상 OFF 상태로 VRWM(최대동작전압) 이하에서 동작, 과전압 시 VBR에서 브레이크다운되어 클램핑
- 제너: 통상 ON 상태로 VZ(제너전압) 이상에서 동작, 안정된 정전압 공급
전류 영역 차이
- TVS: 수A~수십A의 고전류 영역 특성이 중요 (과전압 보호 능력)
- 제너: 5mA~40mA 저전류 영역 특성이 중요 (안정적 정전압 공급)
구조적으로는 pn 접합 다이오드의 일종이지만, 용도에 따라 TVS는 과전압 클램핑, 제너는 정전압 공급에 최적화된 파라미터를 가집니다.
1. 단방향/양방향 TVS 선택 및 극성
· 단방향 TVS는 단일 극성 신호(디지털 로직 등)를 보호할 때 사용
· 양방향 TVS는 AC 신호나 양극성 신호를 보호할 때 사용
· 단방향 TVS는 역바이어스 방향으로 연결해야 함 → 순방향 연결 시 TVS가 신호를 그라운드로 바이패스시켜 버림
· 양방향 TVS는 극성에 상관없이 과전압 보호 가능
2. VRWM과 IC 피크 동작전압 매칭
· VRWM은 TVS가 낮은 저항 상태로 전환되지 않는 최대 전압
· VRWM이 IC 최대 동작 전압보다 낮으면 의도치 않게 클램핑 발생
· 일반적으로 VRWM은 VBR(breakdown 전압)의 90% 수준으로 설정
3. 누설전류(IR) 체크
· VRWM 이하에서 TVS를 통해 소량의 누설전류(IR) 흐름
· 배터리 구동 회로나 저전력 회로에서는 IR에 의한 전력 소모가 크게 작용
· 이런 회로에서는 IR이 낮은 TVS를 선정해야 함
4. 고속신호 라인에서 CT 확인
· TVS에는 p-n 접합 커패시턴스(CT)가 존재
· CT가 높으면 고속 신호의 고주파 성분이 저지되어 신호 무결성 저하
· 고속 인터페이스(USB3.1 등)에서는 낮은 CT 특성의 TVS 필요
5. TVS 배치 위치
· TVS는 ESD/서지 유입 경로에 가까운 곳에 배치하는 것이 효과적
· 유입 경로에서 멀어질수록 기생 성분에 의해 피크 전압이 상승
· 컨넥터 근처나 PCB 가장자리에 TVS를 배치하는 것이 일반적
6. 병렬 연결을 통한 성능 향상
· 높은 IPP(peak pulse current)가 필요한 경우 복수의 TVS를 병렬 연결
· 단일 TVS로는 IPP 부족 시 파괴될 수 있으므로 주의 필요
· 병렬 연결 시에는 RDYN, CT 등의 파라미터 변화도 고려해야 함
결론
TVS(Transient Voltage Suppressor) 다이오드는 IC 및 회로를 과전압, ESD(정전기 방전), 서지(Surge) 등으로부터 보호하기 위한 핵심 소자입니다.
우수한 TVS 다이오드를 선정하기 위해서는 다음 파라미터 특성이 중요합니다.
- 낮은 동적 저항(RDYN) 및 클램핑 전압(VCL) 특성 → 과전압 보호 능력 향상
- 높은 피크 펄스 전류(IPP) 내성 → 큰 과전압 펄스도 견딜 수 있음
- 낮은 커패시턴스(CT) → 고속 신호의 무결성 유지
- 낮은 누설 전류(IR) → 저전력 회로에서의 전력 손실 최소화
또한 TVS 다이오드 설계 시에는 다음 사항에 주의해야 합니다.
- 보호 대상 신호의 극성에 맞춰 단방향/양방향 TVS 선택 및 극성 확인
- 회로 최대 동작 전압보다 높은 VRWM(Working Peak Reverse Voltage) 설정
- 고속 신호라인에서는 낮은 CT 특성의 TVS 사용
- ESD/Surge 유입 경로 근처에 TVS 배치하여 효과 극대화
- RDNY ↓ / VCL ↓ / IPP ↑ / CT ↓ / IR ↓ 일수록 좋은 TVS 다이오드
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