#31. TVS 다이오드 쉽게 이해하기

TVS 다이오드란? Transient Voltage Suppression diode의 약어로 한국말로 과도 전압 억제 다이오드라고 합니다. 다이오드의 한 종류로 서지나 정전기 방전(ESD)과 같이 순간적으로 과도한 전압이 인가될 경우 이를 억제해주는 다이오드라고 이해할 수 있습니다. 제너 다이오드와 같이 일정 전압 이상이 인가될 경우 클램핑 역할을 하지만 차이점이라면 응답속도가 빨라서 서지와 같은 순간적인 피크 전압이 인가됐을 때 더욱 특화된 보호회로 역할을 수행할 수 있다는 점입니다.

 

TVS 다이오드의 심볼은 아래 그림 1과 같이 표현 합니다. 단방향(uni-direction) TVS 다이오드의 경우 그림 1. (a)와 같이, 양방향(bi-direction) TVS 다이오드의 경우 그림 1. (b)와 같이 그립니다.

 

[그림 1. (a) 단방향 TVS, (b) 양방향 TVS]

 

단방향 TVS 다이오드는 그림 2. (a)와 같은 동작 전압 범위를 나타내고, 양방향 TVS 다이오드는 그림 2. (b)와 같은 그래프를 가집니다. 단방향이라고 하면 양 또는 음의 ESD만 억제할 거라고 생각할 수 있는데 그렇지 않습니다. 양, 음의 ESD를 모두 차단할 수 있습니다. 따라서, 보호해야할 IC에서 사용하는 전원이 단전원이라면 단방향 TVS를 사용하면 되고, 양전원이라면 양방향 TVS를 사용하면 됩니다. 

 

[그림 2. (a) 단방향 TVS 다이오드 I-V 그래프, (b) 양방향 TVS 다이오드 I-V 그래프]

 

TVS 다이오드는 실제로 어떻게 사용할 수 있을까요? 사용 방법은 굉장히 단순합니다. 그림 3과 같이 커넥터와 보호 해야할 IC 사이에 병렬로 연결해주면 됩니다. 일반적인 상황에서는 그림 3. (a)의 커넥터 4번 Pin에서 IC로 파란색 화살표 방향으로 전류가 흐르지만 그림 3. (b)와 같이 커넥터 4번 Pin에 인체의 접촉 등으로 인해 ESD 파형이 인가될 경우 노란색 방향의 화살표처럼 TVS 다이오드를 통해 전류가 흐를 수 있는 경로가 생깁니다. TVS 다이오드의 클램핑 전압으로 인해 IC에 인가되는 최대 전압이 제한되기 때문에 ESD에 의한 IC의 손상을 막을 수 있습니다.

 

[그림 3. (a) TVS 다이오드 OFF 시 전류흐름, (b) TVS 다이오드 ON 시 전류흐름]

 

실제 시뮬레이션을 해보면 ESD가 인가될 경우 IC 입력 단에는 아래 그림 4의 파란색 ESD 파형이 그대로 인가됩니다. 하지만, TVS 다이오드를 연결할 경우 검은색 파형과 같이 일정 전압만큼 억제되는 것을 확인할 수 있습니다. 아래 그림 4에서 사용한 TVS 다이오드는 클램핑 전압이 약 200V, 항복 전압이 약 85V 수준으로 클램핑 전압에 의해 200V 이하로 전압이 제한되고, 항복 전압 이하로 내려가면 TVS 다이오드가 OFF 되는 것을 알 수 있습니다.

 

[그림 4. TVS 다이오드에 의해 억제된 전압 파형]

 

이제 TVS 다이오드의 영역별 동작에 대해 좀 더 상세하게 살펴 보도록 합시다. 그림 2. (a) 단방향 TVS 다이오드를 기준으로 각 영역에 대해 설명해봅니다.

 

 - V_F(Forward Voltage): TVS diode에 순방향 전압이 걸릴 경우 일반 diode처럼 전압 드롭이 발생하는 문턱 전압을 의미

 - V_R(Stand off Voltage): TVS diode가 동작하지 않는 영역 중 최대 전압을 의미하며, V_R 전압부터 동작 전압인 V_BR에

   도달하기 전까지 전압이 증가함에 따라 누설전류가 증가함

 - V_BR(Breakdown Voltage): TVS 다이오드가 도통되어 전류가 흐르기 시작하는 전압

 - V_CL(Clamping Voltage): 최대 허용 전류 IPP가 흐를 때의 전압으로 더 이상 상승하지 않으므로 부하단의 IC를 보호함

 

자, 그러면 실제 예시를 들어 이해도를 높여 봅시다. 보호해야할 IC의 최대 입력 전압 범위를 0V ~ 85V라 가정하고, 실제 사용하는 전압 범위를 0V ~ 50V라고 해봅시다. 우선, IC에서 음전원을 사용하지 않기 때문에 단방향 TVS 다이오드를 사용하면 됩니다. 그리고 V_BR은 IC의 동작전압을 제한하지 않아야 하므로 최소 50V이상이어야 합니다. V_CL은 IC를 보호해야하기 때문에 85V 보다 작아야 합니다. 즉, 단방향 TVS, V_BR은 50V 이상, V_CL은 85V이하인 조건을 만족하는 제품을 선택하면 됩니다. 이러한 조건을 만족하는 소자로 아래 그림 5와 같이 Littlefuse 사에서 제공하는 SMAJ51A 소자를 선택할 수 있습니다. 만약 누설전류 조건이 중요하다면 누설전류 I_R이 작은지도 고려해야 합니다. SMAJ51A의 경우 1uA의 누설전류를 가지는 것을 알 수 있습니다.

 

[그림 5. SMAJ51A 데이터시트]

 

TVS 다이오드는 커넥터에 최대한 가까운 곳에 연결하는 것이 좋습니다. 커넥터와 TVS 다이오드 사이에 연결되는 라인은 기생 인덕턴스 성분을 생성하기 때문에 그림 6. (a)와 같이 라인이 길어질수록 임피던스가 증가하게 됩니다. 낮은 임피던스를 형성해야 서지 또는 ESD 전류를 더 많이 빼줄 수 있고, IC로 넘어가는 전류를 줄일 수 있기 때문에 그림 6. (b)와 같이 커넥터 가까이 배치하는 것이 유리합니다.

 

[그림 6. (a) TVS 다이오드를 커넥터 멀리 배치한 경우, (b) 커넥터 가까이 배치한 경우]

 

여기까지 TVS 다이오드에 대한 설명을 마칩니다. TVS 다이오드는 서지 또는 ESD 보호용으로 굉장히 많이 사용되는 만큼 꼭 알아두시는게 회로 설계하는데 있어 큰 도움이 될겁니다!