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Surge
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안녕하세요. 제가 약간 질문을 할 때 이해한 부분이 맞는지? 질문하는경우가 있어 이해 부탁드립니다.
1.Working Voltage는 TVS 다이오드가 동작하지 않고 시스템이 정상 동작하는 것을 의미하는것인가요?
2.Clamping voltage는 약간 Delta signal 처럼 순간적인 어떤 상황에서 의미하는 것일까요?
surge는 제가 이해한 바로는 물이 넘쳐흐르는것으로 이해를 했는데 그러면 Clamping voltage이상의 전압이 인가되었을 때도 서지라고 생각하면 될까요?
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안녕하세요, 답변 남겨드립니다.
먼저 Working Voltage는 TVS 다이오드가 정상 동작 상태에서 회로의 전압을 그대로 허용하면서 동작하지 않는, 즉 전류를 흘리지 않는 최대 전압을 의미합니다. 데이터시트에서는 흔히 VRWM(Reverse Working Maximum Voltage) 또는 Stand-off Voltage라는 용어로 표시됩니다. 예를 들어 MCU의 GPIO 보호를 위해 3.3V 신호 라인에 TVS 다이오드를 넣는다면, Working Voltage는 최소 3.3V보다 커야 합니다. 만약 VRWM이 2.8V인 소자를 선택한다면, 정상 동작 시에도 다이오드가 일부 도통하여 신호가 왜곡되거나 전력 소모가 발생할 수 있습니다. 따라서 실무에서는 일반적으로 동작 전압의 10~20% 정도 여유를 두고 Working Voltage가 더 큰 소자를 선택합니다. 예를 들어 3.3V 신호라인 보호에는 VRWM이 5V 수준인 TVS가 흔히 쓰입니다.
다음으로 Clamping Voltage는 Surge나 ESD처럼 순간적으로 높은 전압이 인가되었을 때, TVS 다이오드가 동작하여 그 전압을 제한하고 회로에 전달되는 최대 전압을 의미합니다. 중요한 점은 이 값이 완전히 고정된 것이 아니라 다이오드를 통해 흘러가는 전류 크기에 따라 달라진다는 것입니다. 데이터시트에서는 보통 특정 시험 조건, 예를 들어 Ipp=1A, 10/1000 μs Surge 파형 등의 조건에서 Clamping Voltage를 명시합니다. 실제로 IEC61000-4-2에서 정의하는 ±8kV ESD가 입력 라인에 들어오면 수백 볼트의 전압이 발생할 수 있지만, TVS 다이오드가 동작하면서 회로에는 예컨대 12V까지만 전달되도록 억제합니다. 이 순간적인 12V가 바로 Clamping Voltage가 됩니다. 따라서 질문 주신 것처럼 “찰나의 순간에만 나타나는 전압”으로 이해하시면 맞습니다.
마지막으로 Surge는 일반적인 과전압 이벤트를 의미하며, 번개, 전원선의 스위칭, 인덕티브 부하 해제 등 다양한 원인으로 발생합니다. Surge는 흔히 수십에서 수백 볼트 이상의 전압과 수십에서 수백 암페어의 전류를 순간적으로 발생시키는데, 이 에너지가 보호되지 않은 회로에 직접 가해지면 MCU, PHY칩 같은 민감한 디바이스는 쉽게 파손됩니다. 따라서 보호 소자인 TVS 다이오드가 Clamping Voltage 수준에서 전압을 제한하면서 Surge 에너지를 바이패스 경로로 흘려주는 역할을 합니다. 다시 말해, Clamping Voltage 이상의 전압이 인가되는 순간 자체가 Surge 이벤트라고 볼 수 있고, TVS는 그때 활성화되어 회로를 보호합니다. 예를 들어 Ethernet PHY 입력 라인에 ±2kV의 Surge가 들어올 경우, 수백 볼트의 전압이 발생하지만 TVS 다이오드가 이를 15~20V 정도로 억제하고 나머지 에너지를 접지로 흘려보내도록 설계합니다.
현업에서의 실제 예시를 들어보면, MCU GPIO 보호에는 VRWM=5V, Vclamp=12~15V의 TVS 다이오드를 많이 사용합니다. 이 경우 정상적인 3.3V 신호는 무리 없이 통과되고, 순간적인 ±8kV ESD 이벤트가 들어와도 내부 칩에는 15V 이하만 전달되어 파괴를 피할 수 있습니다. Ethernet PHY 같은 고속 신호 라인에서는 신호 무결성을 위해 capacitance가 낮은 TVS 소자를 선택하며, Surge 억제를 위해 Ferrite Bead와 함께 사용됩니다. Ferrite Bead는 고주파 노이즈와 Surge 전류를 감쇠시키고, TVS 다이오드는 전압을 제한하는 역할을 하기 때문에 두 소자의 조합은 실무에서 매우 일반적인 보호 구조입니다.
정리하자면, Working Voltage는 정상 동작 시 다이오드가 투입되지 않는 안정 영역, Clamping Voltage는 과도 상황에서 전압이 제한되는 순간 값, 그리고 Surge는 이러한 Clamping Voltage 이상에서 발생하는 과도 이벤트를 의미합니다. 이 세 가지를 올바르게 이해하고 설계에 적용하는 것이 실제 PCB HW 설계에서 안정적인 보호 회로를 구현하는 핵심이라고 말씀드릴 수 있습니다.