포커스 포커스 TVS 를 이용한 ESD 보호 및 잡음필터의 기술 동향 최상식* 조덕호** 심규환*** TVS 소자에 차폐 케이블, 크로우바(Crowbar), 필터, 클램핑 소자 등이 EMI 문제를 해결하는데 오랫동 안 사용되어 왔다. 이러한 과거의 EMI 용 TVS 소자들은 구조가 간단하고 가격도 저렴하면서 높은 EMI 내 성을 보였다. 그런 가운데 실리콘 집적회로 기술의 진보에 의하여 최근에 개발된 애벌랜시 다이오드 TVS 소자가 과거의 EMI 소자에 비하여 크기, 이동성, 잡음필터에 대한 기능뿐만 아니고 가격에 있어서 장점을 많이 제공하게 되었다. 이러한 장점으로 TVS 소자를 수동소자와 함께 실리콘 기판에 집적한 EMI 필터의 채용이 휴대전화, 고속 데이터 선, USB, IEEE1394, HDMI 에 점차 증가하고 있다. 또한 근래에 휴대용 전 자제품에서 전송하는 데이터의 용량이 커지고, 클럭 주파수가 높아지면서 정전용량이 수 pf 정도로 아주 낮은 TVS 다이오드와 필터 회로에 대한 기술 개발이 중요해졌다. 마찬가지로 LED 센서와 LED 통신을 위 한 응용에도 고속 동작은 물론 잡음의 필터링을 위한 신소자 및 회로에 대한 기술 개발이 요구된다. 목 I. 서 론 II. 배 경 III. TVS 보호 옵션 차 I. 서 론 TVS(Transient Voltage Suppression) 소자는 다양한 종류가 있으며, 모든 전자제품에 이용되고 있다. 근래에 유비쿼터스 멀티미디어 세상에서 TVS 및 필터에 대한 수요는 더욱 증가하고 있다. 휴대전 화기, 디지털카메라, MP3 플레이어, PDA 와 같은 휴 IV. 다수 보호 장치 해결책 V. LED 보호용 TVS 소자 응용 대형 제품은 수시로 정전기나 전자기파와 같은 외부 의 환경에 노출되어 사용된다. 신호선에서 데이터 전송속도는 점점 빨라지고, 작은 공간으로 인하여 고주파 클럭 회로와 가까이 설치되어야 하는 요구도 수용해야 한다. 따라서 ESD/EOS 및 EMI/RFI 에 대 한 방지대책은 더욱 중요해졌고, TVS 소자를 이용 한 ESD 및 잡음방지에 대한 집적화 기술 개발이 빠 * (주)시지트로닉스/연구원 ** (주)시지트로닉스/연구소장 **** 전북대학교 반도체과학기술학과 반도체물성연구소/교수 르게 발전하고 있다. TVS 소자에는 차폐 케이블, 크로우바(Crowbar), 1
주간기술동향 통권 1416 호 2009. 9. 30. 필터, 클램핑 소자 등이 있으며, 오랫동안 EMI 문제를 해결하는데 사용되어 왔다. 이러한 전통 적인 EMI 용 TVS 소자들은 회로의 복잡성이나 가격의 문제를 심각하게 추가하지 않으면서도 높은 EMI 내성을 제공할 수 있었다. 그런데 현재는 새로운 기술인 애벌랜시 다이오드 TVS 소 자를 집적한 EMI 필터의 사양에 대한 채용이 증가하고 있다. 최근에 이루어진 IC 기술의 진보 에 의하여 애벌랜시 다이오드 TVS 소자가 전통적인 EMI 소자에 비하여 기술과 가격의 측면에 서 이득을 제공한다는 점을 주목해야 한다. TVS 다이오드를 수동소자와 집적한 IC 칩은 ESD/ EOS 및 EMI/RFI 의 솔루션에 있어서 성능, 신뢰성, 가격, 설치공간에 대한 장점을 제공한다. 본 고는 TVS 필터에 대해 입문용 자료로서 가장 적합한 참고문헌[1]을 전반적으로 번역하 여 인용하였으며, 다른 문헌의 자료가 부분적으로 추가되어 작성되었다. ESD 보호 및 잡음방지 집적회로의 응용은 HDMI, IEEE1394 I/F, 터치패널, 통신기기, 모듈 회로 등에 널리 활용되는 추세이나 대부분 외국의 제품을 수입하여 조립하는 수준이므로 고속통신용 또는 LED 구동회로 용의 고성능 제품에 대한 세계적 기술발전 동향에 따른 국산화 기술 개발이 요구된다. II. 배경 천이형 서지 전압은 전기전자 제품의 신뢰성을 떨어뜨리는 주요 요인이다. 비정상적 동작을 회로동작 및 전자제품에 발생시키는 서지 전압의 원인으로 근접회로에서의 갑작스런 부하의 변 화, 전원의 불안정한 요동, 커플된 전선을 통한 간섭, 스위치 동작, 번개, ESD 등이 있다. 전원 공급기와 데이터 전송선은 과도한 천이형 서지전압이 자주 투입되는 지점으로 작용한다. 많은 전자기기에서 전원 공급기는 여러 전자 모듈과 접속되어 있기도 하고, 여러 전원 공급 라인이 함께 묶여 있다. 따라서 전원 공급 라인에 기생하는 정전용량과 인덕턴스 성분에 의해 발생된 서지 전압이 데이터 라인으로 커플링되게 된다. TVS 소자는 천이하는 전압을 클램핑하고, 전류를 외부로 누출시켜 라인과 라인, 라인과 접 지의 사이를 보호하는 역할을 한다. 이때 TVS 소자는 신호에 간섭하여 왜곡을 일으켜서는 안되 고, 삽입손실이나 누설전류를 높이지 않아야 한다. 사용처에 따라 전압과 전류, 정전용량에 대한 사양이 다르고, 서지의 종류도 여러 가지이므로 보호용 TVS 소자도 적합한 사양으로 제작되어 야 한다. 특히 HBM(Human Body Model), MM(Machine Model), IED-6100-4-2 의 ESD 뿐 만 아니고 EFT(Electrical Fast Transient: IEC61000-4-4)와 낙뢰 서지(IEC61000-4-5)에 대 한 보호에 대한 고려는 기본적으로 중요하다. 2
포커스 III. TVS 보호 옵션 TVS 소자는 (그림 1)과 같이 케이블, 크로우바, 클램핑 소자, 필터소자로 구분될 수 있다. 각 TVS 소자의 장점과 단점은 <표 1>과 같다. 대부분 시스템들은 서로 다른 TVS 소자들의 장 점을 조합하는 회로로 구성하여 이용해야 한다. Shielded Cable and Twisted Wires TVS Crowbar Z S D 1 V S R 1 SCR Z TVS RC Filter TVS Clamping Device V IN R 1 C 1 V OUT V S Z S Z TVS V TVS ZTVS ZS Z TVS V S (그림 1) TVS 소자의 종류[1] <표 1> TVS 소자별 장점과 단점 소자 장점 단점 차폐 케이블과 꼬인 와이어 크로우바(Crowbar) 필터 TVS 클램핑 소자 - RF 에 대한 immunity - 방사 감소 - 높은 전력 성능 - 접지로 서지 전류 누설 - 지속적인 잡음 필터링 - 서지 전압의 감쇠 - 서지 전압을 클램핑함 - 빠른 turn-on (<1.0ns) - 가격 - 정전용량 증가 - 에너지를 흡수하지 못함 - off 하기 어려움 - 서지를 클램핑하지 못함 - 데이터 신호의 왜곡 - 한정된 전력 성능 - 전력이 정전용량에 비례함 1. Shielded Cables and Twisted Wire Pairs (그림 2)는 꼬아서 만든 전선을 넣은 차폐 케이블을 이용하는 통신시스템의 예를 보여준다. 차폐는 여러 전자모듈을 연결하는 전선이 높은 잡음환경에 노출되어 이용되는 경우에 EMI 문제 를 방지하는데 유효하다. 차폐 케이블은 방사된 RF 간섭으로 인한 잡음전압이 신호용 전선에 유도되지 않도록 하며, 케이블 방사에 따른 RF 잡음 자체를 줄인다. 차폐 케이블의 단점은 정전 용량과 가격이 모두 높다는 점이다. 3
주간기술동향 통권 1416 호 2009. 9. 30. Transceiver Data Lines Transceiver PCB Shielded Cable PCB (그림 2) 차폐 케이블과 꼬임 와이어의 구조[1] Transceiver I DIFF Differential Mode Noise Data High Data Low Transceiver I DIFF I COM Common Mode Noise Data High Data Low I COM C P I COM C P I COM GND (그림 3) 차동모드와 공통모드 잡음의 비교[1] 일반적으로 저주파 잡음에는 접지가 한쪽에만 하고, 고주파 잡음에는 양쪽에 모두 한다. 그 리고 부가적으로 차폐는 신호측보다는 샤시의 접지에 연결하고 PCB 에 유도되는 잡음을 최소화 한다. 부가적인 잡음방지에 (그림 3)과 같이 꼬아 만든 케이블이 유용하다. 꼬임 케이블은 차동 모드(differential mode)는 물론 공통 모드(common mode)의 잡음을 감쇠시키는데 아주 유용하 다. 꼬임 케이블은 루프면적을 감소시켜 전류흐름으로 인해 유도되는 자기력을 상쇄시킨다. 공 통 모드 잡음은 잡음전류가 동일한 방향으로 흐르고 각 데이터 선에 기생 정전용량(Cp)를 통해 접지로 소모되는 것이다. 전선을 꼬아 넣으면 각 선에 주입된 잡음의 균형을 맞추게 되어 송수 신기에 공통 모드 반사율(Common Mode Rejection Ratio: CMRR)을 향상시키게 된다. 2. Crowbar TVS Devices (그림 4)의 스파크 갭(spark gap), 가스방전 튜브(Gas Discharge Tube: GDT), 싸이리스터 (thyristor), 싸이리스터 서지 방지 소자(Thyristor Surge Protective Device: TSPD)는 TVS 소자 로서 대단히 높은 서지 전류를 감쇠시키는 능력이 있다. 이런 소자는 온 상태가 되면, 접지측으로 매우 저항이 낮은 스위치로 연결된 것과 같이 아주 높은 서지 전류를 흘려줄 수 있다. 천이하는 에 4
포커스 Spark Gap GDT Thyristor(SRC) TSPD (그림 4) TVS 크로우바 소자의 종류 [1] 너지는 소스나 라인에서 흡수되어야 하며, 회로는 TVS 가 On 인 동안에는 작동하지 않는다. 크로우바 TVS 소자의 장점과 단점은 <표 2>에 요약되어 있다. 스파크갭의 하나는 신호선 다른 하나는 접지인 두 개의 카본블랙 전극으로 만들어진다. 두 개의 전극은 대체로 3~4 mil 의 간격으로 분리되어 있다. 서지 전압은 아크를 발생시켜서 천이전압이 접지로 누전되도록 한다. GDT 소자들은 스파크 갭과 유사한데, 불활성 가스를 채운 유리나 세라믹으로 제작되어 과도전 압 동작의 경우 이온화에 의해 전류를 흘려준다. 전압이 항복전압이나 스파크 전압 이상으로 인 가되면 가스가 이온화되면서 소자에는 불꽃이 튄다. 이때 GDT 소자는 임피던스가 낮아지고, 전 압이 유지 전압 이하로 떨어질 때까지 온 상태를 지속하게 된다. 단, 응답속도가 느려 고속통신 시스템에 독자적으로 사용하기에는 문제가 있으므로 응답속도가 빠른 다른 부품과 혼용하여 사 용할 수 있다. 사용할 때 유의할 점은 속류가 동반되는 것을 유의하여야 한다. <표 2> 크로우바 TVS 소자의 장점과 단점 소자 장점 단점 응용 Spark Gap Gas Discharge Tube(GDT) Thyristor Thyristor Surge Protective Device(TSPD) - 저가 - 높은 서지 전류 - 높은 서지 전류 - 높은 off 임피던스 - 안정한 신뢰성 - 장수명 - 안정한 신뢰성 - 이단자 소자 - 가변적인 Vbr - 짧은 수명 - 고가 - 느린 turn-on 시간 - 높은 Vbr - turn-off 난해 - 중간 정도의 turn-on 시간 - GDT 와 스파크 갭에 비해 낮은 서지 전류 - 약간 큰 정전용량 - 전력선 계측 - 통신 - 통신 - 번개 방어 - 통신 - 번개 방어 - 통신 - 번개 방어 - 전력선 크로우바 방어 보통 싸이리스터는 4 개의 p-와 n-층으로 구성된다. 서지 보호용 싸이리스터는 SCR 과 제너 다이오드를 조합되는데 제너 소자는 게이트의 턴온 전압을 제어하는데 이용된다. TSPD 소자는 서지 보호용으로 인기가 좋은 싸이리스터이다. TSPD 는 양방향으로 두 개의 단자로 되어 있으 며 매우 높은 서지전류를 감당할 수 있다. 5
주간기술동향 통권 1416 호 2009. 9. 30. Surge Voltage Voltage across PESD Peak Current V I Current Through PESD Initiation of ESD Event Trigger Voltage PESD Device Triggers Clamp Voltage t Current (A) I ESD 30ms V DC V C V t Voltage (V) (그림 5) ESD 방어에 대한 TLP 측정과 소자의 snap-back I-V 특성 싸이리스터는 스냅백이라는 전류-전압 특성을 지니며, 스냅백이 일어나는 항복 또는 트리거 전압은 높고, 소자가 턴-온이 된 후에 유지하는 클램핑 접압은 상대적으로 낮게 된다. (그림 5) 에 설명된 것과 같이, 싸이리스터는 유지전류 이하로 서지 전류가 감소할 동안에 온 상태를 유 지한다. 서지가 인가되었을 때, 트리거 전압까지 전압이 증가되었다가 그 이상에서는 스냅백 현 상에 의해 전압이 큰 폭으로 감소하여 다시금 클램핑 접압으로 고정되는 원리를 보여준다. 이러 한 특성은 보통 TLP(Transmission Line Pulse) 측정으로 분석된다. 3. Filter TVS Circuits EMI 필터용 TVS 소자는 여러 형태가 가능한데 그 중에서 가장 인기 있는 형태는 LPF(Low Pass Filter)이다. LPF 는 신호의 전달율을 줄여서 서지 펄스의 크기를 감쇠시킨다. 단순한 필터 는 전압을 클램핑하지 않기 때문에 애벌랜시 TVS 소자와 같은 클램핑 소자를 추가하여 보호하 려는 회로를 최대 전압을 이하로 확실하게 제어한다. 필터의 장점은 정상적으로 동작하는 순간 에도 잡음의 신호를 감소시키는 점이다. 반면에 크로우바나 클램핑 소자는 과도한 천이 동작이 일어나는 동안만 작동한다. <표 3>에 여러 가지 잘 알려진 TVS 필터 소자의 특징이 요약되었다. (그림 6)은 여러 통상적인 EMI 필터에 대한 예를 보여준다. 필터 소자로 Feed-through 캐 패시터, 필터 컨넥터, 페라이트 구슬, RC(Resistor Capacitor) 필터, LC(Inductor Capacitor) 필 터, (그림 7)의 공통 모드 초크를 들 수 있다. EMI 필터는 여러 형태로 회로에 적용할 수 있는데, 파이형과 티형과 같이 필터 네트워크에 입력되거나 출력되는 신호를 모두 감쇠시키는 장점이 있 6
포커스 Feed through Capacitor Feed Bead Equivalent Circuit L S V IN RC π Filter R S C 1 R 1 C 2 V OU T R P Common Mode Choke RC Tee Filter LC Tee Filter V R 1 C 1 R 2 V IN L 1 L OU T C 2 1 (그림 6) 각종 필터 소자의 종류 Common Mode Choke I COM Differential Mode Current I DIFF I COM I DIFF (그림 7) 공통 모드 초크[1] 다. R 1 과 C 1 은 필터 네트워크로 입력되는 고주파 신호를 감쇠시키고, R 1 과 C 2 는 출력하는 신호 의 고주파 잡음을 줄여준다. 파이형 RC 필터는 -40dB/decade 의 큰 감쇠 성능으로 800MHz 이상에서 유용하며, 티형 RC 필터가 -20dB/decade 의 감쇠를 제공하는데 비해 유리하다. 또한 양방향이 대칭이어서 (symmetry) 입출력 RFI 에 공히 작용한다. 단, 축전기와 연결전선에 기생하는 인덕턴스에 의해 800MHz 이상의 주파수에서 공진을 발생시킴으로써 감쇠 성능이 저하할 수 있다. (그림 8)은 직 렬로 기생하는 인덕턴스에 의해 Notch 같은 현상이 발생함을 보여준다. 따라서 1~3GHz 대에서 (그림 8) ESD/EMI 필터의 동작 특성: 주파수별 삽입손실[CMD] 7
주간기술동향 통권 1416 호 2009. 9. 30. 더 낳은 필터의 감쇠 성능을 위해서는 기생 인덕턴스가 0.5nH 이하가 되어야 한다. Feed-through capacitor 와 필터 컨넥터는 대체로 모듈 케이스에 연결되어 고주파 잡음이 샤시 접지로 누전되도록 한다. 이런 소자들은 입력되는 신호가 PCB 에 도달하기 전에 잡음을 제거한다. 필터 컨넥터는 여러 회로의 형태로 가능한데 가장 인기 있는 형태는 티 필터로 하나 의 feed-through 캐패시터와 두 개의 페라이트 구슬로 구성된다. 페라이트 구슬은 직렬 필터로 고주파를 감쇠하는데 있어서 DC 에 대한 저항성 전력의 소모가 작다. 저주파에서 페라이트 구슬 은 50~200ohm 을 유지하고, 고주파에서는 인덕터로 인하여 주파수에 따라 임피던스가 증가한다. 공통 모드 초크는 고속의 차동 데이터 선에 대한 필터로 유용하다. (그림 7)의 공통 모드 초 크는 두 신호선에 공통적으로 잡음을 감쇠시킨다. 초크 필터는 트랜시버의 CMRR 을 증가시키 고, 고속 데이터 선에 왜곡을 발생시키지 않으면서 필터링하게 된다. TVS 소자를 초크에 추가함 으로써 클램핑 기능으로 인해 데이터 신호선에 발생하는 ESD 와 같은 차동 서지를 보호할 수 있다. TVS 필터의 장단점은 <표 3>에 요약되어 있다. <표 3> TVS 필터의 장단점 소자 장점 단점 응용 입출력단 커패시터 필터 컨넥터 페라이트 구슬 RC/LC 필터 공통 모드 초크 - PCB 전단의 필터 - 낮은 접지 임피던스 - PCB 전단에 설치 - 낮은 접지 임피던스 - 저가 - Ringing 제거 - 저가 - 직렬저항 제공 - 공통 모드 감쇠 - 낮은 왜곡 - 크고 고가임 - 금속 샤시 필요 - 크고 고가임 - 금속 샤시 필요 - 저 전류 용량 - 발진 가능 - 서지를 클램핑하지 않음 - 발진 가능 - 고가 - 상대적으로 큼 - 엔진 제어 - 금속성 내부에 설치 - 엔진 제어 - 개인 컴퓨터 - 고속 데이터 선 - USB - 데이터 선 - 전력선 - USB - FireWire(IEEE1394) 4. Voltage Clamping TVS Devices 금속산화물 바리스터(MOV), 고분자, 제너다이오드, 애벌랜시 TVS 다이오드는 모두 인기 있 는 전압 클램핑용 TVS 소자이다. 클램핑 소자는 일정한 전압을 유지하기 위하여 임피던스를 순 간적으로 변화시킨다. 항복전압 아래의 낮은 전압에서 이 소자들은 캐패시터와 병렬로 하는 높 은 저항으로 단순하게 모델링 된다. 그러나 만일 전압이 항복전압이 상으로 증가하면 소자의 저 항은 감소하여 클램핑 전압을 유지하게 된다. (그림 9)는 클램핑 TVS 소자의 예를 보이며, <표 4>에 TVS 전압 클램핑 소자의 장단점이 요약되어 있다. 8
포커스 Pyolymer and MOV Zener Diode TVS Avalanche Diode Data High Transceiver Data Low Z MOV (그림 9) 전압 클램핑을 위한 TVS 소자의 종류[1] 모든 TVS 클램핑 소자는 비슷한 전기적 특성을 갖는데 이용하는 소재로는 상당히 여러 종 류가 있다. (그림 10)에 MOV 와 TVS 다이오드의 단면구조를 보여준다. MOV 는 현재까지 대단 히 많이 사용되며 가변저항의 기능을 가지며 부품의 기본적인 작동은 클램핑 전압에 도달하게 되면 동작전의 높은 임피던스가 μ sec 속도로 낮은 임피던스로 변하여 순간적으로 서지를 약화 시킨다. 전류용량도 대단히 크며 클램핑 가변 전압의 범위가 넓고, 부품의 가격 또한 저가로 많 이 사용한다. 대체로 응답시간이 수 μ sec 정도로 우수하여 기본적인 전원, 통신회로에 사용된다. MOV 는 주로 Zinc oxide 계열로 구성되며, 입자가 계면으로 분리되어 매트릭스 형태로 제작되 어 반도체 p-n 접합과 같은 특성을 보인다. 직렬과 병렬로 연결된 입자계면은 여러 개의 접합처 럼 작동하고 서지가 발생하면 소재의 벌크를 통해 전류가 분산된다. MOV TVS Avalanche Diode (그림 10) 금속산화물 바리스터와 TVS 다이오드 소자의 구조[1] 고분자 가변저항도 ESD 방지용으로 인기가 높은 소자이다. 다결정 소재로서 축전 용량이 매 우 낮은 TVS 소자를 만들 수 있어서 아주 고속의 신호선에 유용하다. 고분자 가변저항의 전기 적 특성은 싸이리스터와 유사하여 전기적 특성에서 스냅백을 보인다. 트리거 전압이 1kV 로 높 을 수 있으나 클램핑 접압이 보통 20~50V 정도이다. 단, 고분자 가변저항의 수명은 유한하여 보통 1,000~5,000 회 정도 서지를 보호할 수 있다. 9
주간기술동향 통권 1416 호 2009. 9. 30. <표 4> TVS 전압 클램핑 소자의 장단점 소자 장점 단점 응용 금속산화물 바리스터 - 저가 - 전력용량이 부피에 비례 - 85 에서 저력용량 감소 - 무조건 양방향 - 에이징 특성 - 높은 Vc & L(leakage) - AC 전력선 - 자동차 - ESD 방어 고분자 바리스터 - 아주 낮은 정전용량 - 패키지 소형화 - 높은 트리거 전압 - 수명 한계 - 사용 온도 85 o C 이하 - ESD 방어 - FireWire - USB 제너다이오드 - 저가 - 일정한 전압 특성 - 낮은 전력용량 - 25 에서 저력용량 감소 - 전압 기준 제어 - 배터리 팩 애벌랜시 TVS 소자 - 서지에 최적화 - 응답속도 < 1.0ns - 낮은 클램핑 전압 - 제한적인 전력용량 - 전력이 실리콘 면적에 비례 - 전력이 정전용량에 비례 - ESD 방어 - 휴대전화 - 이동기기 5. Zener versus TVS Avalanche Diode 애벌랜시 TVS 다이오드의 동작상의 특징은 제너 다이오드와 비슷하지만 구조나 설계 규정 상의 차이로 TVS 다이오드가 과도 전류 방지, 특히 저전압 노드에서 더욱 적합하다. 다만 ESD 완화와 써지 차단 논문 중 상당수가 TVS 다이오드를 제너라고 부르고 있는 데다 이 두 가지가 같은 구조 기호를 사용할 때가 있어 혼란이 발생하기도 하며, 또한 TVS 제너라고 하기도 한다. (그림 11)의 대부분 제너는 안정한 전압을 유지하는 회로를 구성하는데 사용하기 위하여 설 계되고, 반면에 (그림 12)의 TVS 다이오드는 천이하는 서지 펄스를 클램핑하기 위해 설계된다. TVS 다이오드는 표준의 제너다이오드에 비해 접합 면적이 크게 설계되어 피크 에너지를 흡수 하는 능력을 높여서 제공한다. 항복전압(V B ) 이하에서 TVS 다이오드는 임피던스가 큰 캐패시터 로 작용하지만, 인가전압이 항복전압보다 높게 증가하면 가변저항으로 작용하여 클램핑 전압 (V C )를 일정하게 순간적으로 제어한다. I R: reverse leakage current V Z: Zener voltage R Z: differential resistance P TO T: steady state pow er dissipation (그림 11) 제너다이오드의 전형적인 I-V 특성 10
포커스 V BR: breakdown voltage at IT I T: test current V ST(=VRWM): stand-off voltage usually 80% of VBR V RWM: reverse working maximum voltage(max. off-state voltage) I R: maximum reverse leakage current V C: maximum clamping voltage P PPM: peak pulse power I PPM: max. IPP at max. Vc Z ZK: Zener impedance at IZK I ZK: Reverse current I PP : maximum peak pulse current maximum permissible surge current to be protected by the device(i.e., 100 A) V ( R R ) I I z d P TOT (그림 12) TVS Zener 소자의 전형적인 I-V 특성: 일방구조와 양방구조 (시지트로닉스) Vz R R 2V z z d Z s R R 1 Rs V 2 2Rx z 2 Rs s x 점점 더 중요해 지고 있는 낮은 클램핑 전압과 나노 세컨드 미만의 스위칭 시간이라는 요구 때문에 TVS 다이오드가 더욱 필요로 되게 되었다. 이러한 특징 덕분에 표준의 제너다이오드보 다 TVS 다이오드는 넓은 접합 면적을 갖게 되며, 과도 전류의 에너지 흡수력도 높게 한다. 하 지만 접합 면적이 넓어지면 디바이스의 오프-모드에서 정전용량이 늘어나게 된다. 디바이스의 전력 등급과 정전용량은 비례하게 되므로, 고속의 시그널 포트 설계에 적합한 디바이스의 경우 이점이 적절히 조절되도록 고려해야 한다. TVS 다이오드를 기술하는 주요 파라미터로는 항복전압(V BR ), 온도계수(dV BR /dt), 최대 동 작 전압(V WM ), 최대 클램핑 전압(V CM ), 최대 피크 펄스 전류(I PPM ), 최대 피크 펄스 전압(P PPM ) 등 6 가지가 있다. 고속의 시그널 라인 보호용 애플리케이션은 접합 정전용량(C J )에도 민감한데, 11
주간기술동향 통권 1416 호 2009. 9. 30. 제조업체들은 보통 이 접합 정전용량을 측정 목적에 있어서 가장 최악의 동작 조건인 제로-전 압 상태에서 값으로 규정한다. TVS 를 선정하는데 있어서 우선하여 노드의 최대 정상 동작 전압 V N 과 노드에 장착되는 반 도체를 위한 절대적 최대 핀 전압인 V NM, 그리고 헤자드의 최대 결함 전류인 I IM 을 고려해야 한 다. 즉, 일단 TVS 다이오드는 V WM >V N,V CM <V NM, I IM < IPPM 등 세 가지 관계를 모두 만족시키는 것으로 선택해야 한다. 다이오드의 전압이 최악의 유도 시작점인 V BR(MAX) 과 최대 전류인 I PPM 이 일치하는 클램핑 전압 V CM 간의 선형 함수라고 생각하자. 그리고 V BR(MAX) 에서의 전류가 I PPM 과 관련해서는 무시 해도 좋을 수준이라고 가정하자. 중간 단계의 전류에서 클램핑 전압을 대략 측정하면 V C V I P BR( MAX ) ( VCM VBR( MAX ) I PP 가 된다. TVS 다이오드의 데이터 시트에 V BR(MAX) 가 기재되어 있지 않다면, 대략적인 근사치는 V BR( MAX ) 1. 25VBR( MIN ) ) 가 된다. (그림 13)의 간단한 회로에서 HBM 모델(Z S =1.5kohm)의 V S =8kV 등급을 V BR(MAX) =7V 인 TVS 에 인가하는 경우에 대해 계산해 보면, Z TVS =1ohm 과 10ohm 의 경우에 대해 각각 V CL ~ 12V 와 60V 정도로 간단히 예상된다. 클램핑 전압이 V CL ~60V 로 높은 전압이 인가된다면 연 결되는 소자에 대한 ESD 보호 성능은 떨어질 수 밖에 없다. 더욱이 IEC61000-4-2 모델 (Z S =330ohm)의 V S =30kV 등급을 V BR(MAX) =7V 인 TVS 에 인가하는 경우에 대해 계산해 보면, Z TVS =1ohm 과 10ohm 에 대해 각각 V CL ~98V 와 917V 정도로 예상된다. 따라서 TVS 의 다이 나믹 임피던스의 값을 최소로 조절시키는 것은 클램핑 전압을 낮게 제어하는데 있어서 무엇보다 중요하다. (그림 13) TVS 다이오드를 이용한 ESD/Surge 방어에 따른 TVS 전압 12
포커스 다음으로는 클램핑 디바이스가 견뎌야 하는 피크 전력 손실 P PP 를 측정해야 한다. 설계하고 자 하는 표준에 피크 스트라이크 전류가 규정되어 있지 않다면, 직접 계산하면 된다. 스트라이크 소스와 클램핑 디바이스, 그리고 클램핑 전압보다 훨씬 높은 스트라이크 전압 사이에 낮은 부유 임피던스가 있는 최악의 경우라면, 피크 스트라이크 전류는 본질적으로 소스 임피던스인 Z S 로 나누어지는 소스의 개방 회로 전압 V OC 이다. 피크 전력 손실을 간단하게 P PP VV Z S C 로 계산할 수도 있다. 스트라이크 소스와 프로텍션 디바이스 간의 Z I 임피던스(위의 Z TVS 와 동일)가 있다면, 클램 핑 손실은 P PP VV Z S C Z 1 로 줄어든다. 하지만 부가적인 임피던스의 원인이 되는 이 요인들이 스트라이크가 이루어지는 동안 발생하는 자체 손실 P I P Z Z OC 1 1 Z Z S 1 을 견딜 수 있는지 확인해야 한다. 2 6. Avalanche Diode EMI Filters 애벌랜시 TVS 다이오드(TVS Zener)를 이용하는 EMI 필터는 서지 방지와 필터링의 기능을 하나의 소자에서 제공하는 장점이 있다. (그림 14)와 같이 집적화된 TVS EMI 필터는 표면적이 작아서 인덕터와 저항, 캐패시터, TVS 다이오드의 개별소자로 구성되는 통상적인 LPF 를 대체 Low pass Filter Avalanche TVS Diode Filters Functional Schematic Representation Equivalent Discrete Circuit (그림 14) 애벌랜시 TVS 다이오드를 이용한 π 필터 집적회로 [1] 13
주간기술동향 통권 1416 호 2009. 9. 30. 할 수 있다. TVS EMI 필터는 다이오드의 충전용량을 이용한다. 애벌랜시 다이오드 EMI 필터는 개별 소 자의 수를 감소시켜 PCB 상의 소요 면적을 줄여준다. LC 또는 RC 필터를 사용하는 선택은 L 또 는 R 에 의해 소모되는 전력의 양에 의한다. 즉, LINE 에서 R 과 같이 저항성을 가질 때 부하의 측의 전압 강하가 있어서 곤란한 경우는 인덕터를 사용하고, 저전압 높은 주파수에서도 유용하다. 높은 주파수 대역에서의 전체적인 L 의 임피던스는 Z=ω L 로 ω =2π f 로 구성됨으로 주파 수가 높으면 Z 는 커지며, 대단히 큰 저항체를 구성한 것과 같은 효과를 발휘한다. (그림 14)에 저항을 이용한 애벌랜시 파이 필터의 모식도를 보여준다. 최근에 TVS Zener 에 수동 소자를 집 적하여 Z-R-Z Pi 형 필터를 집적회로 칩으로 제작하는 기술적 동향을 보이고 있다. <표 5>에는 애벌랜시 제너다이오드를 이용한 필터의 장단점과 응용이 요약되어 있다. <표 5> 애벌랜시 제너다이오드를 이용한 필터의 장단점과 응용 소자 장점 단점 응용 애벌랜시 제너다이오드 (TVS Zener) EMI 필터 소형 IC 패키지 이상적인 필터 동작 부품수를 줄임 정전용량 작음 저항에 의한 삽입손실 인덕턴스의 전력용량 한계 휴대전화 컴퓨터 ESD USB (그림 15)는 Z-R-Z Pi 형 필터의 삽입손실에 대한 주파수 특성을 보인다. GSM 밴드(800, 900, 1,900MHz)의 휴대전화의 안테나에서 방사되는 RF 신호와 고속 CMOS 센서와 TFT 모듈, 고속 데이터 신호선들은 EMI/RFI 와 ESD 문제를 야기시킨다. 마찬가지로 블루투스(Bluetooth,) WLAN 802.11b(2.4GHz)의 경우도 케이블을 통하여 과다한 EMI 를 방사하거나 원하지 않는 (그림 15) Z-R-Z Pi 형 필터의 삽입손실의 예(SEMTECH) 14
포커스 RF 를 받아들인다. 따라서 US FCC 와 같은 기관에서는 EMI 필터와 잡음 성능의 만족시키는 소 자가 필요하고, 전자파 방사의 수준을 만족시켜야 한다. 따라서 EMI 필터를 입출력 단자의 근처 에 설치하여 방사를 최소화 하고, RF 밴드의 잡음과 원하지 않는 하모닉스를 억제하도록 한다. 상술된 바와 같이 비디오 신호의 무결성이나 베이스 밴드 제어회로에 손상을 줄 수 있는 ESD/EMI 를 확실하게 방지해야 하는 점은 중요하다. 디스플레이의 케이블에 사용하는 주요 임 피던스는 100ohm+/-10%이므로 필터의 설계에 주로 100ohm 임피던스를 적용한다. 그런데, 최근에 카메라나 LCD 의 클럭 주파수는 8~12MHz 에서 30MHz 이상으로 높아지는 추세이다. 따라서 과거에 비하여 낮은 정전용량을 갖는 TVS 소자가 필요로 된다. 예로써 Pi 형 필터에서 C 1 =C 2 =27 pf 의 경우 fc=59mhz 이지만, C 1 =C 2 =8.5 pf 로 감소시키 면 fc=190mhz 로 높일 수 있다. 대부분 데이터 신호용은 항시 양의 신호만 있으므로 단방향 TVS 제너다이오드를 사용하지만, 오디오용 회로에는 접지에 대해 양음(+5~-5V) 전압이 신호 에 공존하므로 양방향의 TVS Zener 다이오드를 사용해야 한다. 여기에서는 Z-R-Z Pi 형 필터의 서지 보호 능력을 간단한 계산으로 알아보기로 한다. (그림 16)과 같이 IEEE61000-4-2 LEVEL4 의 8kV ESD 를 입력단에 인가한다고 보아서 V S =8kV, R S =330ohm, V BR =7V, R 1 =100ohm, C 1 =C 2 =100 pf 을 수식에 적용할 수 있다. R D (위에서 R D = Z TVS =Z 1 )=1ohm 과 10ohm 에 대해 각각 V IN =31.2V, V OUT =7.3V, 그리고 V IN =249.4V, V OUT = 9.5V 로 간단히 계산된다. (그림 16) 이단 ESD/EMI 필터의 등가회로 따라서 위에서 계산된 바와 같이 하나의 TVS 소자를 사용하는 경우에 비하면 클램핑 전압 을 대폭 줄여줄 수 있다. 따라서 이단으로 구성된 TVS 클램핑 회로는 잡음의 필터링 뿐만 아니 라 ESD 보호에도 효과가 큰 장점을 제공한다. V IN V br RD RS R D V S V br R R D S V S 15
주간기술동향 통권 1416 호 2009. 9. 30. V OUT V br RD R1 R n V IN V br R R D 1 V IN 7. Data Line Protection TVS 다이오드들은 (그림 17)과 같이 어레이로 구성하여 고속의 데이터를 전송하는 CAN (Controller Area Network)를 보호하는데 이용될 수 있다. 그림 (a)의 경우 동일한 네 개의 TVS Zener 를 가지고 양방향 어레이를 구성하였다. 클램핑 전압은 순방향으로 걸린 다이오드의 턴-온 전압에 역방향으로 걸린 다이오드의 항복전압을 더한 값으로 결정된다. 양방향 TVS 는 길이가 큰 케이블을 사용하는 응용에 유효하고, 또한 발신과 수신을 위한 모듈이 다른 경우에 발생하는 옵세트 전압의 문제를 해결하는 차동증폭기에 적절하다. 보통의 p-n 다이오드와 TVS Zener 다이오드를 함께 조합한 형태의 어레이도 역시 데이터 라인을 보호하는데 흔하게 이용된다. 신호선에서 서지가 V DD 이상이나 접지 전압 이하로 되는 경우 크램핑 전압에 걸리게 된다. 그림 (b)에서 D 1, D 2, D 3, D 4 의 다이오드는 정전용량을 낮게 설 계하여 빠른 turn-on 이 되도록 하고, Z 1 은 서지 동안에 전력을 대부분 소진시키도록 동작한다. (그림 17) CAN 데이터 라인 보호를 위한 구조 [1] IV. 다수 보호 장치 해결책 TVS 다이오드들은 하이브리드 소자를 구성할 수 있다. 이 하이브리드 소자에서 TVS 다이 오드들은 GDT 의 느린 턴-온과 높은 항복전압의 문제를 해결해 준다. TVS 다이오드는 회로가 충격을 받기에 앞서서 빠르게 턴-온하면서 초기의 천이 에너지를 흡수하고, 이어서 GDT 로 하 여금 턴-온에 필요한 시간을 허용하여 대부분의 천이 에너지는 GDT 를 통하여 해소되도록 동 작한다. (그림 18)은 EMI 보호를 위하여 TVS 소자를 다양하게 적용한 사례를 보여준다. 우선하여 16
포커스 I/O Connector Data High Transceiver PCB Shielded Cable Data Low (그림18) 다각적인 TVS 솔루션 [1] 꼬여진 와이어를 넣은 차폐 케이블은 데이터 라인상에 잡음 전압을 최소화 한다. 이어서 필터 커넥터는 신호가 PCB 로 들어가기 전에 잡음을 감소시킨다. 그리고 TVS 다이오드, LC 필터, 공통 모드 초크가 PCB 에 차례대로 사용된다. TVS 다이오드는 서지 전압이 안전한 수준으로 클램핑 되도록 과전압 방지를 한다. 초크는 트랜시버의 CMRR 을 높이고, 차동 신호를 왜곡시키 지 않으면서 잡음을 필터링한다. 최종적으로 캐패시터를 초크의 전단과 후단에 위치시켜 모듈의 RF 자기화에 대한 억제력을 증가시키고, PCB 로부터 방사되는 잡음을 감소시킨다. V. LED 보호용 TVS 소자 응용 보통 LED 소자는 정전용량이 크고, 루미네슨스의 시간상수가 길기 때문에 통상적으로 광통 신에 부적합하여 사용되지 않았고, 대신 고성능 레이저 다이오드가 활용되었다. 그러나 최근 LED 가 디스플레이는 물론 각종 조명에 이용되면서 점차 일상생활에 응용할 수 있는 LED 센서 와 통신에 대한 기술 개발이 활발해지고 있다. 다양한 빛 상태에 노출되는 환경에서 데이터 전 송의 속도를 수 kbit/s 에서 Mbit/s 까지 높이는 기술 개발은 매우 매력적이라 할 수 있다. LED 통신을 위해서 조명에 대한 응용과 마찬가지로 고휘도가 우선하여 필요하고, 또한 동작속 Submount Structure for Vertical LEDs Wire Bond Submount Structure Requiring Single Wire-Bond for Horizontal LEDs Wire Bond Gold-Back Contact Silicon Dioxide Aluminum (그림 19) ESD/EOS 방어를 위하여 실리콘 서브마운트에 LED 를 부착한 구조[CMD] 17
주간기술동향 통권 1416 호 2009. 9. 30. 도를 높일 수 있는 소자 구조에 대한 연구가 요구된다. (그림 19)와 같이 CMD(California Micro Devices)는 초고휘도 발광 다이오드(UHB LED)인 LuxGuard 를 발표하였다. 실리콘 서브마운 트를 사용해 리드 프레임과 LED 사이의 열팽창에 의한 응력을 완화하여 15kV HBM 에 대한 ESD 보호 성능을 제공하는 제품이었다. LED 를 ESD 로부터 보호하는데 TVS Zener 다이오드 는 매우 유용하다. 고출력 LED 는 ESD 에 더욱 취약하여 추가적인 ESD 보호가 필요하다. ESD 등급은 다이의 크기에 의해 결정되는데 보통 8~15kV HBM 으로 이용된다. CMD 는 TVS 를 이용하여 단방향과 양방향이 가능하고, 여러 등급의 항복전압으로 조절할 수 있고, 다이의 크기와 금속접합의 종류를 다양하게 조절할 수 있다. 그리고 LED 디스플레이의 응용에 있어서 양방향 TVS 는 누설전류를 줄여서 매트릭스 형태의 구조에서 이미지의 잔상현상을 감소시키는데 중요한 역할을 한다. 상술된 바와 같이 단위 TVS Zener 소자를 이용하여 LED 를 ESD 로부터 보호하는 모듈을 제작할 수 있다. 또한 최근 센서 노드와 같은 기술의 발전에 따라 TVS 소자를 센서용은 물론 통신용 LED 의 구동회로에 적합하게 제작하는 기술 개발이 필요로 된다. <참 고 문 헌> [1] J. Lepkowski, An Introduction to Transient Voltage Suppression Devices, AND8229/D, ON Semiconductor Application Note, July 2005, pp.1-8. [2] S.S. Choi, D.H. Cho, K.H. Shim, Development of Transient Voltage Suppressor Device with Abrupt Junctions Embedded by Epitaxial Growth Technology, Electronic Materials Letters, Vol. 5, No.2, 2009, pp.59-62. [3] 심규환, LED 의 정전기 보호용 제너다이오드 기술, 월간 전자부품, July, 통권 57 호, 2009, pp.38-48. [4] R. Hurley, Design Considerations for ESD/EMI Filters: I, AND8200/D, ON Semiconductor Application Note, June 2005, pp.1-18. [5] U. Sharma, H. Gee, P. Holland, R. Liu, Intrgration of Precision Passive Components on Silicon for Performance Improvements and Miniaturization, IEEE 2nd Electronics System Integration Technology Conference, Greenwich, UK, 2008, pp.485-490. [6] S.H. Dai, C.J. Lin, Y.C. King, Leakage Suppression of Low-Voltage Transient Voltage Suppressor, IEEE Trans. On Electron Devicesm Vol.55, No.1, 2008, pp. 206-210. [7] http://www.sigetronics.com, www.calmicro.com, www.nxp.com, www.onsemi.com [8] S.H. Voldman, ESD Failure Mechanisms and Models, Wiley, 2009. [9] 구용서, 고집적 Driver LSI 를 위한 ESD 대책, The Korean Information Society, Vol.10, No.2, 2009, pp.2-13. * 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 NIPA 의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다. 18