서지는 ESD가 아니다: 8kV를 통과한 포트가 긴 케이블에서 죽었다

무엇을 보호했나

장비의 외부 인터페이스입니다. 커넥터가 있고 바로 뒤에 저용량 ESD 어레이, 그다음이 인터페이스 IC. 이 배치는 옳고 선정한 부품도 옳습니다. 레이아웃에도 회로도에도 리뷰에서 지적될 만한 점은 없습니다.

이 보드는 IEC 61000-4-2, 즉 모두가 "ESD 시험"이라고 말할 때 가리키는 그 규격으로 인증을 받았고 통과했습니다.

보고서는 깨끗했고 반품은 아니었다

노출된 모든 핀에 규정 레벨까지 접촉 방전. 고장 없음, 열화 없음, 전 항목 판정 A. 서류상 이 포트는 보호되어 있습니다.

그런데 인터페이스 핀이 단락된 제품이 돌아오기 시작합니다. 반품을 날짜가 아니라 설치 현장으로 다시 정렬하는 순간 패턴이 분명해지고, 사람과는 아무 관계도 없었습니다. 문제가 생긴 곳은 케이블을 길게 뽑은 현장뿐이었습니다.

이 사실 하나로 정리됩니다. 통과한 시험과 고장을 일으킨 사건은 같은 사건이 아니었습니다. 이 글의 나머지는 왜 하나의 부품이 앞쪽에서는 훌륭하고 뒤쪽에서는 용량이 부족할 수 있는지에 대한 이야기입니다.

두 사건, 하나의 커넥터

사람의 방전과 케이블을 타고 오는 서지는 같은 핀에 도달하고 같은 부품이 받아냅니다. 그래서 한 주제로 묶여 논의되곤 합니다. 하지만 같은 주제가 아닙니다. 실리콘의 생사를 결정하는 변수가 다르고, 그 변수는 전류가 얼마나 오래 지속되는가입니다.

• ESD, IEC 61000-4-2. 대전된 사람이나 물체가 커넥터에 닿습니다. 8kV 접촉 방전에서 발생기는 150pF를 8kV로 충전한 것이고, 피크 30A를 흘리며 전체 사건은 약 200ns 안에 끝납니다. 제품 수명 동안 몇 번 정도 일어납니다.
• 서지, IEC 61000-4-5. 선로의 스위칭이나 같은 경로 어딘가의 낙뢰가 케이블에 에너지를 유도합니다. 8/20 마이크로초 파형이고 길이는 수십 마이크로초이며, 옆 공장이 모터를 기동할 때마다 올 수도 있습니다.

긴 케이블은 안테나이자 도체입니다. 두 번째 사건이 존재하는 이유 자체이고, 같은 제품이라도 케이블이 짧은 현장에서는 이 고장이 한 번도 나오지 않은 이유이기도 합니다.

하나는 파형, 다른 하나는 부하선

이 차이는 표현의 문제가 아닙니다. 각 사건이 부품에 무엇을 하는지를 말해 줍니다.

ESD는 전류를 시간에 대해 그립니다. 형태를 가진 과도 현상이기 때문입니다. 다이가 데워지기 전에 끝나므로 중요한 것은 소자가 얼마나 빨리 켜지는지, 그동안 전압이 어디까지 올라가는지입니다.

서지는 전압을 전류에 대해 그립니다. 정상 동작점에 도달할 만큼 길기 때문입니다. 소자는 그 선 위 어딘가에 수십 마이크로초 머무릅니다. 저항이 부하선을 가지는 것과 같은 의미로 부하선을 가지고, 거기 머무는 내내 다이는 계속 발열합니다.

둘 다 PZ0303P-F10에서 실제로 측정해 데이터시트에 실은 것이며 시뮬레이션이 아닙니다. 데이터시트에서는 Fig 4와 Fig 5입니다. 그림의 종류가 다른 것은 사건의 종류가 다르기 때문입니다.

각각이 실제로 옮기는 전하

ESD 쪽은 모델링조차 필요 없습니다. 8kV 접촉 방전은 8kV로 충전된 150pF에서 오고 전하는 용량 곱하기 전압이므로, 이 사건이 옮기는 것은 1.2 마이크로쿨롱입니다. 방전 전체가 이만큼입니다.

8/20 마이크로초 파형의 6A 서지가 옮기는 것은 약 111 마이크로쿨롱, 대략 90배입니다. 피크 전류는 5분의 1인데 전하는 90배. 순전히 사건의 폭이 넓기 때문입니다.

함정을 한 문장으로 말하면 이렇습니다. 인용되는 것은 피크 전류이고, 손상을 입히는 것은 지속 시간입니다. 피크 전류만 보고 고르면 서지에 대해 터무니없이 여유가 있어 보이고, 그리고 견디지 못합니다.

같은 실리콘, 매우 다른 두 정격

PZ0303P-F10의 절대 최대 정격 표를 열면 두 숫자가 같은 페이지에 두 줄로 있습니다.

• IEC 61000-4-2 기준 ±16kV 접촉 방전, ±21kV 공기 방전
• IEC 61000-4-5 기준 8/20 마이크로초에서 6.0A 피크 펄스 전류

둘 다 사실이고 서로 모순되지 않습니다. 같은 다이를 요구가 전혀 다른 두 사건으로 측정한 결과입니다. 첫 번째 숫자만 가져간 사람은 사실을 듣고도 잘못된 결론에 도달한 것입니다.

분명히 말하면 6A는 평범한 서지 정격입니다. 그래도 인쇄합니다. 어떤 사건에서는 뛰어나고 다른 사건에서는 평범한 부품은 자기 표지에서 그렇게 말해야 합니다. 그러지 않으면 이 노트가 설명하는 고장이 됩니다.

왜 결정하는 것이 열인가

두 사건을 소자에서 비교하면 클램핑 전압은 거의 움직이지 않습니다. 데이터시트에 둘 다 있습니다. 16A TLP 펄스에서 6.1V, 5A 서지에서 6.2V. 전류는 3배 차이인데 전압 차이는 0.1V입니다.

즉 소자는 전기적으로 두 경우에 거의 같은 일을 하고 있는데, 한쪽은 가볍게 견디고 다른 한쪽은 정격 한계에 붙어 있습니다. 이 둘을 가르는 것이 클램핑 전압일 수는 없습니다. 클램핑 전압이야말로 변하지 않은 것이기 때문입니다.

두 자릿수만큼 달라지는 것은 다이가 그 전류를 감당해야 하는 시간입니다. 전력은 전압 곱하기 전류, 에너지는 전력 곱하기 시간. 클램핑 전압은 비슷하고 전류는 5분의 1인데 전하는 90배인 조건에서, 서지가 같은 실리콘에 넣는 에너지는 훨씬 크고, 게다가 열이 빠져나갈 곳이 없을 만큼 천천히 진행됩니다.

ESD가 실제로 손상을 일으킬 때는 대개 절연막 문제입니다. 서지의 손상은 열입니다. 그래서 두 정격은 서로 다른 것을 따라갑니다. ESD 숫자는 소자가 어떻게 켜지는가를, 서지 숫자는 다이 면적과 패키지의 방열 능력을 따라갑니다.

세 등급, 경계는 에너지

지속 시간이 변수라는 것을 받아들이는 순간, 선정은 감의 문제가 아니라 답이 있는 질문이 됩니다.

1. ESD만, 고속 라인. 포트가 케이스 안에 있고 케이블이 짧으며 신호가 용량 부하를 견디지 못하는 경우. 여기서는 용량이 제약이므로 초저용량 어레이가 정답입니다. PZ0303P-F10, 0.45pF, 4채널.
2. ESD에 가벼운 서지. 외부로 나가지만 짧고 노출이 제한적인 경우. SMF 또는 SMA 패키지의 TVS. 저희 라인에서는 10/1000 마이크로초에서 200W에서 600W입니다.
3. 실제 서지 에너지. 외부 장거리 케이블, 산업 환경, 또는 차량의 로드 덤프. SMB 또는 SMC 패키지의 TVS로 600W에서 5000W. 로드 덤프라면 DO-218로 6600W에서 8000W.

이 등급은 에너지 내량으로 나뉘고 용량은 정반대로 움직인다는 점에 주목하세요. 가장 많은 에너지를 견디는 부품이 접합 면적이 가장 크고 따라서 용량도 가장 큽니다. 이것이 진짜 트레이드오프이고, 하나의 부품이 이 목록의 양 끝에 설 수 없는 이유입니다.

둘 다 실제라면 둘 다 넣는다

이 결론은 대개 반발을 삽니다. BOM이 한 줄 늘어나기 때문입니다. 그래도 ESD 어레이는 TVS가 있다고 불필요해지지 않고, TVS도 ESD 어레이가 있다고 불필요해지지 않습니다.

TVS는 서지를 흡수할 다이 면적을 가진 쪽이지만, 고속 라인을 혼자 지키기에는 너무 느리고 용량이 큽니다. ESD 어레이는 빠르게 켜지고 신호에 주는 부담이 1pF도 되지 않지만, 서지 안에서 20 마이크로초를 버틸 실리콘이 없습니다. 두 사건에 정말로 노출되는 포트라면 TVS를 커넥터 쪽에 두어 에너지를 받고, 저용량 어레이를 IC 옆에 두어 통과한 것을 받아냅니다.

하나만 넣고 포트가 보호되었다고 하는 것이, 깨끗한 인증 보고서가 현장 반품으로 바뀌는 바로 그 경로입니다.

고르기 전에 확인할 것

세 가지 질문, 어느 것도 보호 소자에 대한 질문이 아닙니다.

1. 케이블이 얼마나 길고 케이스를 벗어나는가. 장비 안의 리본 케이블과 현장의 30미터 배선은 회로도가 같아도 같은 포트가 아닙니다.
2. 반대쪽에 무엇이 붙어 있고 같은 경로에 무엇이 함께 가는가. 유도성 부하, 모터 드라이브, 길게 나란히 가는 배선이 신호 케이블에 서지 에너지를 싣습니다.
3. 그 라인의 데이터 속도는. 이것이 용량 예산을 정하고, 용량 예산이 저용량 부품에 얼마나 맡길 수 있는지를 정합니다.

이 셋에 답하면 등급은 저절로 정해집니다. 건너뛰면 가장 크게 인쇄된 숫자로 정해집니다.