회로 보호 디자인, 제품 및 방법

회로 보호: 기기 및 구성품에 필수

회로를 설계할 때 전원에 노이즈가 없고, 커패시터에 저항이 없고, 로직 수준이 바로 올라갔다 내려오는 이상적인 환경을 생각하기 쉽습니다. 그러나 실제 환경은 전혀 이상적이지 않습니다. 전원은 노이즈가 매우 심할 수 있고(특히 DC/DC 변환기), 커패시터에는 등가 직렬 저항이 자주 발생하고, 로직 수준에는 온갖 종류의 타이밍 문제가 수반됩니다.

실제로 구성품과 기기에 미치는 이러한 영향을 고려하더라도 대부분의 설계자들이 흔히 깜박하는 영역 하나가 있는데 바로 회로 보호입니다. 브로드보드나 원형 PCB에 만든 회로는 실험실 조건에서 잘 작동할 수 있지만 실험실 밖이 항상 이러한 이상적인 조건인 것은 아니며 정전기에 민감한 구성품을 다룬 적이 있는 사람이라면 이후 벌어질 상황을 정확히 압니다. 전압이 서지에서 급증할 경우 조정기가 손상될 수 있으며 사용자에게서 비롯된 정전기 충격으로 마이크로컨트롤러가 갑자기 먹통이 될 수 있습니다. 설계자들은 자신의 회로에 어떤 일이 벌어질 수 있는지 전혀 알 수 없기 때문에 가능한 다양한 손상 원인으로부터 회로를 보호하는 것이 좋습니다.

일반적인 회로 손상 원인

잠재적 손상 원인은 많지만 정전기 방전, 인덕터 플라이백, 주전원 공급 서지 등이 주요 원인에 속합니다.

정전기 방전은 전하가 방출되는 것입니다. 이것은 CMOS 기반 기기를 먹통이 되게 만드는 가장 큰 원인 중 하나입니다. 정전기 방전은 다양한 원인에서 비롯될 수 있지만 보다 흔한 원인 중 하나는 사람입니다. 사람의 몸은 옷으로 덮여 있고 신발 창에는 고무가 붙어 있습니다. 그 결과 사람들이 움직일 때 옷과 고무가 피부나 다른 표면과 마찰을 일으켜 정전하가 축적됩니다. 정전기가 충전된 사람이 전자 회로를 만지면 전하가 회로로 옮겨져 회로에 수천 볼트가 가해질 수 있어 상당히 위험합니다. 회로로 전달되는 에너지의 양은 매우 작지만 높은 전압에 의해 MOS 기반 기술(예: 트랜지스터, 조정기, 마이크로컨트롤러 등)의 유전체가 쉽게 고장날 수 있습니다. 그 외에 배리어와 정션에 기반하는 기술(예: BJT와 FET)은 정전기 충격의 영향을 적게 받지만 그래도 손상될 수 있는 위험이 있습니다.

인덕터 플라이백은 전기 유도성 소자(예: 코일이나 초크)를 통과하는 전류가 갑자기 변할 때 일어나는 현상입니다. 이때는 자기장에 저장된 에너지를 방출해야 합니다. 자기장이 붕괴될 때 전압이 유도됩니다(단, 인덕터와 전압원 극성이 반대일 때). 이렇게 유도된 전압을 “역기 전력”이라고 하며, 실리콘 기반 같은 민감한 회로에서는 매우 위험합니다. 아무리 작은 인덕터의 역기 전력도 수백 볼트에 이를 수 있습니다. 주로 초크, 모터, 변압기 때문에 역기 전력이 생깁니다.

전력망 공급장치라고도 하는 주전원 서지는 발전소 고장, 변전소 고장, 번개 등의 여러 원인에서 비롯됩니다. 주전원 서지는 대규모 전압 스파이크가 전력망으로 유입되는 위치에서 발생합니다. 이러한 전압 급증은 전력망에 연결된 거의 모든 기기에 영향을 줄 수 있습니다. 전력망에 영향을 주는 전압 스파이크의 전형적인 예가 전기 폭풍이 있을 때 정전되는 것입니다. 철탑이 번개에 맞을 때 전력망 전체에 서지가 생길 수 있습니다. 서지에 의해 변전소가 손상되어 전력 공급이 끊기거나 서지를 감지하고 의도적으로 전력을 차단해 소비자들의 송전 선로의 손상을 방지할 수도 있습니다. 서지는 전력을 다시 연결할 때 전력망으로 전력이 갑자기 다시 연결되는 지역에서도 발생할 수 있습니다.

회로 보호 방법

잠재적 손상 원인이 다양하다는 것을 알 수 있는데 그렇다면 이러한 손상으로부터 회로를 보호하려면 어떻게 하면 될까요?

제너 다이오드 / 직렬 제한 저항기

제너 다이오드는 전압을 제한할 수 있는 기능 때문에 가장 많이 사용되는 회로 보호 장치 중 하나입니다. 순방향 바이어스 모드에서 사용하면 다른 실리콘 다이오드처럼 전압을 0.6V로 제한하지만 역방향 바이어스 모드로 사용할 때는 실리콘 다이오드와 달리 전압을 특정 값으로 제한합니다.

예를 들어, 5V1 제너 다이오드는 역방향 바이어스 모드에서 전압을 5.1V로 제한하기 때문에 다이오드 전체의 전압이 5.1V 초과할 경우 전압이 더는 상승하지 못합니다. 이러한 다이오드는 주로 직렬 제한 저항기와 함께 사용되기 때문에 제너를 통과하는 전류가 한계를 초과하지 못합니다. 직렬 제한 저항기 역시 전류 스파이크로부터 회로를 보호할 수 있습니다. 그러나 직렬 제한 저항기는 회로의 속도 성능에 영향을 줄 수 있어 고임피던스 입력에 더 많이 적용할 수 있습니다.

초크: 인덕터

초크는 전류의 갑작스런 변화를 견딜 수 있는 한 쌍으로 이루어진 특수 인덕터입니다. 예를 들어, 전력망의 전압 스파이크가 민감한 회로의 전력 입력으로 들어갈 수 있습니다. 초크가 전력 입력과 직렬로 배치된 경우에는 전압 스파이크(전류 스파이크 I를 야기하며, 전압 V와 비례함)가 감소해 나머지 전류가 서지에 덜 노출됩니다.

디커플링 커패시터

전압과 전류 스파이크만 회로에 위험한 것은 아닙니다. 손상을 일으킬 수 있는 또 다른 원인은 브라운아웃입니다. 브라운아웃은 전력 공급에 갑자기 문제가 생겨 수백 밀리초 동안 지속되는 것을 말합니다. 이것이 팬이나 조명 같은 단순한 기기에는 문제가 되지 않지만 컴퓨터, 랩톱, 보안 시스템 같이 디지털 로직에 의존하는 기기에는 큰 피해를 줄 수 있습니다.

0.5초 이상 지속되는 대규모 브라운아웃은 해결하기가 매우 어렵지만(2차 백업 전력 공급이 필요할 수 있음) 기기 전원을 켤 때(예: 무선 모듈) 야기될 수 있는 짧은 브라운아웃은 디커플링 커패시터를 사용해 해결할 수 있습니다. 디커플링 커패시터는 정상 작동 상태에서는 충전 상태를 유지하다가 브라운아웃이 발생할 때 회로로 에너지를 다시 보내 공급 전압을 유지할 수 있는 대용량 커패시터입니다. 이러한 커패시터는 주로 마이크로컨트롤러용 선형 조정기 같은 전력 처리 회로 앞에 위치합니다. 따라서 마이크로컨트롤러로 가는 전압을 적정 수준으로 유지할 수 있습니다(대부분의 조정기는 광범위한 입력 전압을 수용할 수 있지만 대부분의 마이크로컨트롤러는 큰 전압 편차는 처리하지 못합니다). 이 외에도 DC/DC 변환기, 프로세서, 센서, 무선 모듈, 고속 디지털 회로 같은 다른 스위칭 장치에서 전력 공급장치로 주입된 노이즈로부터 회로를 보호하는 용도로 사용됩니다. 이러한 경우에서는 마이크로컨트롤러 전력 공급장치 전체에서 마이크로컨트롤러의 각 전력 핀마다 전용 디커플링 커패시터를 부여하는 것이 좋습니다.

퓨즈

대부분의 회로 보호 기법은 주로 외부 영향에 관한 것이지만 회로 자체로부터 회로를 보호해야 하는 경우도 있습니다. 그 전형적인 한 예가 퓨즈를 사용해 회로 단락을 막는 것입니다. 모든 회로에서 이런 문제가 생기는 것은 아니지만 일부 디자인에는 고장 상태에서 많은 양의 전류를 끌어올 가능성이 있는 회로가 통합되어 있을 수 있습니다.

예를 들어, 푸시-풀 증폭기는 외부 장치에 연결할 수 있는 기능이 있지만 최소량의 임피던스를 외부 장치에 의존할 수도 있습니다. 이 경우 푸시-풀은 단락되기 쉽습니다. 그리고 증폭기는 전류를 처리할 수 있지만 회로 내 다른 구성품은 그렇지 못합니다. 이 시나리오에서는 퓨즈를 전력 공급장치, 입력부, 출력부와 직렬로 사용하여 회로가 위험한 수준의 전류량을 끌어오지 못하게 할 수 있습니다. 많은 종류의 퓨즈가 있습니다. 와이어 퓨즈는 주전원 전력을 사용하는 장치에 유용하고, 재설정이 가능한 작은 퓨즈는 Arduinos 같은 디지털 회로에 더 적합합니다.

보호 다이오드

보호 다이오드는 코일과 모터 같은 구성품에서 인덕터 플라이백이 발생할 수 있는 디자인에서 매우 중요합니다. 모터와 코일은 손상 위험이 없지만 이러한 구성품에서 마이크로컨트롤러, 트랜지스터, 센서 같은 민감한 회로가 있는 회로로 역기 전력을 주입할 때 문제가 생깁니다. 역기 전력은 제거하기가 매우 쉽습니다. 역기 전력을 생성할 것으로 예상되는 장치와 평행으로 단일 다이오드를 배치하기만 하면 됩니다. 단, 이것은 다이오드가 유도 소자와 평행하게 배치되고 유도 소자의 전압 공급과 역방향 바이어스를 이루는 DC 설정에서만 효과가 있습니다. 유도 소자로의 전력 공급이 끊기면 역기 전력이 다이오드를 통과해 회로 내 다른 구성품에서 멀어집니다.

회로 보호 제품

각기 분리된 구성품을 회로 보호에 사용할 수 있지만 이 기능을 위한 전용 회로가 있는 특정 구성품도 시판되고 있습니다. 회로 보호에 사용할 수 있는 몇 가지 구성품 예를 살펴보겠습니다.

다이오드 매트릭스 패키지

다이오드 매트릭스 패키지는 여러 다이오드가 다양한 목적으로 사용할 수 있는 단일 패키지로 통합되어 있습니다. 자주 사용되는 용도 중 하나는 외부 정전기 방전으로부터 USB 커넥터의 핀(예: D+와 D-)을 보호하는 것입니다. 다이오드 매트릭스 패키지의 예에는 onsemi의 NZQA5V6AXV5(제너 다이오드 4개가 공통 연결부로 통합되어 있음)와 Texas Instruments의 TPD3E001(7개 다이오드가 통합되어 있고, USB를 보호하면서 정전용량이 낮은 채널을 제공함)가 있습니다.

과도 전압 억제 다이오드

이 다이오드형은 큰 전압 스윙이 대상이며, 개별 회로 커넥터를 보호하고 역기 전력 차단용으로 사용할 때 유용합니다. 억제 다이오드의 한 예는 Diodes Incorporated의 SMAJ33A-13-F일 것입니다. 이것은 400 W의 최고 전력을 소모할 수 있고, 응답 시간이 빠르며, 40 A의 최고 전류를 전도할 수 있습니다. 억제 다이오드의 또 다른 예는 Vishay의 5KP100A-E3/54일 것입니다. 이것은 5,000 W의 최고 펄스 전력 소산을 할 수 있어 회로를 장시간 보호해 주전원 퓨즈/차단기를 전력과 분리할 수 있습니다.

재설정 가능 퓨즈

재설정 가능 퓨즈는 회로 단락 조건에서 회로 손상을 방지할 수 있는 구성품입니다. 그러나 일반 퓨즈는 끊어지면 교체해야 하지만 재설정 가능 퓨즈는 아닙니다. 이 장치는 일반적으로 PTC 유형이라 양의 온도 계수를 나타냅니다. 재설정 가능 퓨즈는 통과하는 전류가 증가할 때 자체 온도 증가에 의존합니다. 온도가 증가하면 열폭주 효과에서 저항이 증가해 흐를 수 있는 전류가 감소합니다.

상용 PTC 퓨즈의 한 예가 Littelfuse, RF4573-000입니다. 이 자동차 등급의 SMD 퓨즈는 다양한 전압과 전류 등급으로 제공됩니다. 또 다른 PTC 퓨즈의 예가 Bel의 0ZRE0075FF1A입니다. 이것은 전력 공급장치 같이 보다 강력한 장치를 겨냥한 관통 홀 장치입니다.

결론

회로에 영향을 줄 수 있는 전기 손상 메커니즘이 여러 개 있지만 정확한 회로 보호 구성품과 솔루션으로 신뢰성을 개선할 수 있을 것입니다. 따라서 설계하고 있는 전자 소자와 장치의 전체 성능을 개선할 수 있습니다.