적절한 TVS를 선택하기 위한 9단계 접근 방식
설계에 사용할 소자를 결정할 때, 검토 과정을 보다 쉽고 빠르게 할 수 있는 단계별 가이드라인이 있다면 훌륭한 도구가 됩니다. 아래는 핫스왑 회로에서 TVS를 선택하는 접근 방식입니다.
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우선, 최소 역저지 전압(Reverse Stand-Off Voltage) VR을 선택합니다. 본 예시에서는 5%의 허용 오차를 고려하였습니다:
V_{IN} = 54\text{V} \rightarrow V_R = 105\% \cdot V_{IN} = 1.05(54\text{V})
V_R = 56.7\text{V} -
회로의 최악 조건 특성을 기준으로 예상되는 최대 펄스 전류 IP를 구합니다.
이 예시에서는 피크 전류를 480A로 설정하였습니다. -
설계자는 1단계에서 정한 역저지 전압을 만족하는 TVS 소자 몇 가지를 사전 선정해야 합니다. MCC 사의 SMC 5kW 시리즈는 튼튼한 TVS 소자로, 다음 부품 번호들이 역저지 전압 요구사항을 충족합니다. 이 예시에서는 이 소자들에 대해 평가해 보겠습니다:
• 5.0SMLJ58A
• 5.0SMLJ60A
• 5.0SMLJ64A
• 5.0SMLJ70A -
다음 단계는 과도 전압에 대한 클램핑 전압 VC를 구하는 것입니다. 아래 수식을 사용합니다:
V_C = I_P \left( \frac{V_{C(Max), 8/20\mu s} - V_{BR}}{I_{PP, 8/20\mu s}} \right) + V_{BR}
V_C = 480\text{A} \times \left( \frac{125\text{V} - 70.37\text{V}}{320\text{A}} \right) + 70.37\text{V}
V_C = 152.15\text{V}
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그런 다음, 이전 단계에서 계산한 VC와 예상 IP를 사용하여 펄스가 발생하는 동안 TVS에 인가되는 전력을 구합니다:
P_P = V_C I_P = 152.15\text{V} \times (480\text{A}) = 73.03\text{kW} -
펄스 지속 시간 Δtd는 아래 수식과 같이 입력 기생 인덕턴스를 사용하여 추정합니다:
V_L = L_{parasitc} \frac{di_L}{dt} \approx L_{parasitc} \frac{\Delta i_L}{\Delta t}
\Delta t_d = \frac{L_{parasitic} I_P}{V_C - V_{IN}}
그리고 이전 단계들에서 구한 값들을 대입하면, 다음과 같은 시간을 얻을 수 있습니다:
t_d = \frac{L_{parasitic} I_P}{V_C - V_{IN}} = \frac{500\text{nH} \cdot 480\text{A}}{152.15\text{V} - 54\text{V}}
t_d = 2.45\mu\text{s} -
이번 단계와 다음 단계에서는 단일 TVS의 전력 처리 능력을 구할 것입니다. 6단계에서 구한 펄스 지속 시간 Δtd에 대한 허용 가능한 피크 펄스 전력 P_{PP}을 그림 3에 표시하였습니다. 해당 소자가 소모할 수 있는 전력은 80kW보다 약간 더 큽니다.
- 여기까지 진행하였다면, 다음 단계는 사용 환경에서 예상되는 최대 주변 온도를 고려하여 허용 가능한 피크 펄스 전력 PPP를 디레이팅하는 것입니다. 이때 주변 부품들에 의해 발생하는 열의 영향도 함께 고려하는 것이 좋습니다. 그림 4에는 최고 온도 125°C 조건을 표시하였습니다.
이 예시에서, 디레이팅을 적용한 해당 소자의 최종 최대 허용 전력은 다음과 같습니다:
P_{PP@125^\circ\text{C}} = 35\% P_{PP} = 35\% \times 82\text{kW} = 28.7\text{kW}
- TVS 소자가 문제가 없으려면, 8단계에서 구한 디레이팅 후 전력이 5단계에서 계산한 TVS 피크 전력보다 최소 50%의 마진으로 더 높아야 소자와 회로의 신뢰성을 확보할 수 있습니다:
P_{PP@125^\circ\text{C}} > 1.5 P_P
본 예시에서의 계산 결과는 다음과 같습니다:
P_{PP@125^\circ\text{C}} = 28.7\text{kW}
1.5 P_P = 109.6\text{kW}
전력 조건을 충족하지 못하므로, TVS 선정을 위해 이 9단계 과정을 처음부터 다시 반복해야 합니다. 하지만 다음과 같은 두 가지 해결책이 있습니다:
a. 전력 처리 능력이 더 큰 다른 소자를 검토합니다.
b. 동일한 TVS 부품 여러 개를 병렬로 연결하여 전력을 분산시킵니다.
표 1은 120A, 160A, 480A의 세 가지 서로 다른 IP 값에 대한 계산 결과를 정리한 것입니다. 녹색으로 표시된 항목은 단일 소자만으로 9단계에서 제시한 전력 조건식을 성공적으로 충족한 경우입니다.
표 1. MCC 사의 5.0SMLJxxxx 시리즈 TVS 소자들에 대한 규격서 파라미터와 PP 및 td를 계산한 값. 규격서에 명시된 파라미터들과 본 방식에 사용된 계산을 통해 도출된 값들을 보여줍니다.
보다 심도 깊은 접근 방식은 다음 애플리케이션 노트를 참조해 주시기 바랍니다: Hot-Swap Controller Application Note: Enhancing Data Center Reliability