TVS 란? Varistor 란? Datasheet spec 확인, TVS vs Varistor 비교

TVS

 

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■ TVS(Transient Voltage Suppression Diode)란?

-zener diode 의 한 종류로 abnormal 한 전압을 흡수, 억제함

-보호하기 위한 power rail 이나 신호 line 과 GND 사이에 병렬로 연결해서 사용

-필요한 전원 및 신호는 pass 시키고 그 이상의 level 은 모두 ground 로 흘려보내 IC 를 보호해줌

-Surge, ESD 와 같은 순간적인 과전압에 대해 보호해주는 소자(지속적인 과전압은 보호할 수 없음)

-응답시간이 빠르고(<1ns) 직렬 저항이 작음

-clampling voltage 와 operating voltage 가 작음

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TVS diode 는 통상 시에는 off 상태이며 surge 등의 과전압이 인가될 때 breakdown 되는 전압이 중요함

과전압 보호가 주요 용도이기 때문에 수A ~ 수십A 대역의 고전류 영역에서도 사용됨

*통상 시에는 open 상태처럼 존재하지만 내부에 존재하는 저항과 누설 전류로 인해 소비전력이 발생하게 됨

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■ TVS Datasheet spec

예)

 

-Vbr : TVS diode의 breakdown voltage(항복전압)으로 다이오드로 전류(1mA)가 흐르기 시작하는 전압

클램핑을 시작하는 전압으로 공정 및 온도에 따라 변할 수 있음, 값이 작을수록 시스템 보호에 더 효과적임

-Vrwm(Reverse Working Maximum voltage) : 이 전압 이하에서는 상당한 전류를 흘리지 않는 것을 보장함(온도변화에도 보장)

Vbr 은 항상 Vrwm 보다 크며 시스템이 정상 동작 시 전압은 Vrwm 미만이어야 함

(시스템 동작전압보다 Vrwm이 낮으면 정상동작 안되고 short됨)

Vrwm 전압을 고려해서 TVS diode 를 선정하면 Vbr 에 의한 큰 누설 전류가 흐르지 않음

​-Ipp : 다이오드가 고장나기 전에 흘릴 수 있는 최대 surge 전류

다이오드의 peak pulse current 가 surge peak 전류보다 커야 TVS 소자 fail 이 발생하지 않음

(TVS 다이오드는 과전압이 아닌 과전류로 인해 fail 이 발생함)

​-Vc : diode 에 I_PP전류가 흐를 때 다이오드에 걸리는 전압으로 값이 작을수록 좋음

Vc=Vbr+Isurge∗Rdyn

-Rdyn: 모든 diode 에 존재하는 내부 동적 저항으로 값이 작을수록 clamping 전압이 낮아지기 때문에 작을수록 좋음

Rdyn=(Vclamp-Vbr) / Ipp 로 구할 수 있음

Vc=Vbr+Isurge∗Rdyn

 

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Varistor

 

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■ Varistor(Variable Resistor) 란?

-전압의 변화에 따라 저항 값이 변화되는 소자를 말함

-breakdown voltage 까지는 500MΩ 이상의 high impedance 상태를 유지하여 open 상태이지만

순간 과전압이 인가되어 threshold 전압을 넘으면 급격히 impedance 가 수 mΩ까지 저하되어 varistor 에 전류가 흐르게 됨

-보호하고자 하는 IC 앞에 shunt 로 GND 와 연결해 놓으면 통상 시에는 open 상태로 동작하다가

ESD 나 Surge 같은 과전압이 인가되면 varistor 저항이 급격히 감소하고 과전류가 varistor 를 통하여 GND 로 bypass 시키면서 IC 를 보호할 수 있음

-Varistor 는 내부에 capacitance 가 있기 때문에 고속 data 신호선에는 사용하지 않는 것이 좋음

 

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■ Varistor Datasheet spec

예)

 

-VRMS, VDC(VW)

Varistor 의 파괴없이 연속적으로 인가할 수 있는 최대 전압으로 정격 전압이라고 함

-VN min ~ VN max(VB)

1mA DC 를 인가할 때 소자 양단에 걸리는 전압으로 외부 전압에 대해 소자가 절연체에서 도체로 작동하기 위한 시작 점(open 상태에서 short 로 변하게 되는 시작점)

​-VC(Clamping Voltage)

특정 파형(8/20us) 의 전류를 인가하는 경우 소자에 의해 제한되는 전압

Surge 전류에 대해 소자의 저항이 얼마나 빠르게 변환되어 전압이 낮아지는가를 의미 // 19V 까지 낮아진다는 뜻

제한 전압이 낮을수록 IC에 들어가는 전압이 낮아져 IC 보호가 더 잘됨 spec은 최대값으로 표시됨

​-ITM

최대 surge 전류로 특정 파형(8/20us) 의 순간 과전류 또는 surge 전류에 대해 소자가 파괴되지 않고 정상적인 작동을 할 수 있을 정도의 허용 전류 값, 소자가 견딜 수 있는 최대 surge 전류를 의미

소자는 이 전류 값을 초과할 때 전기적으로 파괴되며 더 이상 보호 기능의 역할을 하지 못함

​-WTM

최대 에너지 내량

특정 파형(10/1000us)의 순간 과전류 또는 surge 전류에 대해 소자가 파괴되지 않고 정상적인 작동을 할 수 있을 정도의 최대 허용 에너지 내량

전류 파형의 면적에 해당하는 에너지를 의미하며 이를 초과하는 값에 대해 varistor 는 전기적으로 파괴되어 더이상 보호 역할을 하지 못함

​-CP

주파수 1MHz 에서 측정되는 정전용량으로 고주파 영역에서 사용할 경우 capacitor 에 의해 특정 주파수 data 가 filtering 될 수 있으므로 충분히 고려하고 적용해야 함

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*8/20us 파형의 의미

rise time 이 8us 이내이고 20us 이내에 50% 값으로 감소하는 파형을 말함

8/20us 파형(빨간색)

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*ESD

: 순간적으로 발생하는 과전압을 의미함

최대 peak 발생시간 : 0.7~1.0ns(surge 파형 대비 1,000배 빠름) ; 주로 switching 속도가 빠른 TVS diode 로 ESD 보호함

소멸시간 : 최대 60ns

ESD 로 부터 소자를 보호하기 위해서는 ESD 의 최대 peak 발생 시간 전에 이를 흡수하여 GND 로 배출해야 함

ESD 파형

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■ TVS vs Varistor 비교

	TVS	VARISTOR
구조	하나의 PN junction	수백만 개의 PN junction
Turn on time	1.2ns	0.4ns
반응속도	수 십~ 수 백 ps	0.5ns 이하
Size	큼(0603 이상)	작음(0402도 가능)
가격	비쌈	저렴
Clamping V	낮음	높음
Capacitance	낮음	높음(고주파 신호에서 불리)
Leakage current	높음	낮음

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