통신 장비의 서지 보호: TVS 다이오드의 역할

I. 통신 장비가 직면하는 서지 위협

라우터, 광학 송수신기, 네트워크 스위치를 포함한 현대 통신 시스템은 종종 복잡한 환경에 설치되어 다양한 서지 현상에 노출되게 됩니다. 이러한 현상에는 정전기 방전(ESD), 낙뢰로 인한 전자기 펄스(LEMP), 전원선을 통해 결합된 과전압 등이 포함됩니다. 이러한 서지는 신호 전송을 방해할 뿐만 아니라 민감한 집적회로에 영구적인 손상을 초래하여 시스템 다운타임 및 고비용 장비 교체를 유발할 수 있습니다.

II. TVS 다이오드의 작동 원리 및 장점

과도 전압 억제기(TVS) 다이오드는 일시적인 과전압을 억제하도록 설계된 반도체 소자입니다. 이는 보호 대상 회로에서 발생하는 과도한 전압이 소자의 파괴 전압을 초과하는 경우, 일반적으로 나노초 이내로 빠르게 도통하여 작동합니다. 이때 발생한 과잉 에너지는 보호 회로에서 안전하게 분산되어 전기적 과부하를 방지하게 됩니다.

가변 저항기나 세라믹 커패시터와 같은 기존 보호 방법에 비해 TVS 다이오드는 응답 시간이 더 빠르고 누설 전류가 적으며 소형 패키징이 가능하다. 이러한 특성 덕분에 데이터 라인, USB 포트, LAN 트랜시버, HDMI 커넥터 및 기타 고속 전송 인터페이스 보호에 특히 적합하다.

III. 활용 사례: RJ45 이더넷 포트 보호

기가비트 및 10기가비트 이더넷 네트워크에서 PHY 계층의 차동 신호 핀은 낙뢰나 인근 전력 서지로 인해 유도된 서지 전압에 매우 취약하다. TVS 다이오드는 종종 RJ45 포트와 PHY 칩 사이에 배치되어 첫 번째 방어선을 형성하며 민감한 논리 계층에 도달하기 전에 일시적인 전압을 효과적으로 클램핑(clamping)한다.

보통 1피코패럿 이하로 정격된 저용량 TVS 소자는 수십~수백 메가비트 또는 초당 여러 기가비트의 데이터 전송률에서도 신호 무결성을 유지할 수 있도록 보장한다.

IV. 사용 사례: 광학 모듈 및 USB 포트의 ESD 보호

SFP+ 또는 QSFP와 같은 광학 모듈에는 고감도 레이저 발진기와 드라이버 회로가 포함되어 있습니다. 유지보수 또는 설치 중 이러한 포트는 인체 유발 정전기 방전(ESD)에 노출될 수 있습니다. 병렬 구성으로 설치된 TVS 다이오드는 이러한 전하를 신속하게 분산시켜 모듈의 핀아웃(Pinout)이 유전 파괴 또는 열 손상으로부터 보호받을 수 있도록 합니다.

마찬가지로 소비자 가전제품 및 내장형 시스템에서 널리 사용되는 USB 인터페이스는 다중 라인 보호가 필요합니다. 각 전원 및 데이터 라인은 USB 2.0/3.0 사양과 ESD 견고성 모두를 충족하기 위해 저역률 정전 용량 및 고속 스위칭 특성을 갖춘 TVS 소자로 개별적으로 보호되어야 합니다.

V. 선정 기준 및 향후 개발 동향

엔지니어는 TVS 다이오드를 선택할 때 다음과 같은 주요 파라미터를 평가해야 합니다.

클램핑 전압: 칩의 최대 허용 전압보다 낮고 정상 작동 전압보다 높아야 함;

최대 펄스 전력: 에너지 흡수 용량을 결정함;

접합 용량: 고속 데이터 응용 분야에서 중요한 요소;

패키지 유형: PCB 밀도 및 열 설계에 따라 SOD-123, SOT-23, DFN0603, DFN0603 등에서 선택;

5G, 자동차 이더넷 및 엣지 컴퓨팅 시스템의 채택이 증가함에 따라 TVS 기술은 통합 다중 채널 어레이, 초저용량 설계, 통합 ESD/번개 보호 아키텍처 방향으로 발전하고 있음.

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