개요: MAX2140 SDARS 수신기가 표준 동작이 아닌 핫 플러그 동작(전원이 인가된 상태에서 연결 또는 차단)일 때 내장 ESD 다이오드가 고장을 일으킬 수 있다. 핫 플러그는 많은 애플리케이션에서 일어날 수 있으나 특히 자동차 분야에서 빈번하다. 이 애플리케이션 노트에서는 핫 플러그일 때 ESD 다이오드 고장의 원인에 대해 알아보고, 이러한 고장을 방지하기 위한 회로 구성 및 적절한 설계 방법에 대해 설명한다.
개요
MAX2140 SDARS 수신기가 비표준 동작 상태가 되도록 하는 어셈블리, 테스트, 문제해결 과정에서 일어나는 조건이 있다. 한 예가 ‘핫 플러그(hot plug)’로, 이는 전원이 인가된 상태에서 이 소자를 포함하는 회로를 연결하거나 차단하는 것이다. 핫 플러그는 특히 자동차 분야에서 일어나는 경우가 많은데 자동차에서는 부품의 모듈러 설계, 모듈 간의 거리, 다수 시스템의 동시 동작을 하기 때문에 모듈들의 재접속을 필요로 한다.
핫 플러그 동작으로 인한 다이오드 고장 발생
핫 플러그는 상당한 전압, 전류 서지, 링잉, 극성 치환과 같은 특징을 갖는 과도 전압을 일으킨다. 이런 과도 전압의 물리적 특징으로는 에너지 교환, 유한 충전/방전 시간, 자기 공진을 들 수 있다.
그림 1은 MAX2140의 일반적인 핫 플러그 동작이다.
그림 1. 자동차 분야에서의 MAX2140의 일반적인 활용 예
핫 플러그 이벤트 시 인터페이스 케이블에서 전압 강하(위 그림에서 빨간색 화살표로 표시)가 발생한다. 동시에 안테나 모듈 내부의 바이패스 커패시터가 전기적 단락으로 동작한다. 결과적으로 MAX2140의 전기 접지의 전위가 안테나 모듈의 전기 접지보다 높게 상승한다. 이 차이로 인해서 IC 접지에서 핀 16으로 연결된 MAX2140의 내부 ESD 다이오드에서 짧은 시간 동안 순방향 전압이 발생한다. 이 순방향 전압 스파이크가 소자의 최대 절대정격을 초과할 수 있는데 이것을 전기적 과도스트레스(EOS: Electrical Overstress)라고 한다. 이 다이오드의 순방향 전압 사양은 -0.3V ~ +4.3V이다 (VCC_xx - GND; VINANT - GND; AGCPWM - GND; VOUTANT - GND). 설계 시뮬레이션에서는 짧은 시간 동작을 위해 72mA로 -1.3V가 가능하다.
ESD 다이오드 고장을 방지하기 위한 설계
EOS를 방지하는 가장 좋은 방법은 애플리케이션에 따라 다르다. 다음은 일반적으로 권장되는 설계 변경이다.
스토리지 및 바이패스 커패시터, RF 잡음 초크(choke) 인덕터, 긴 인터페이스 등의 너무 많은 리액턴스를 이용하지 않는다.
서지 전류의 루팅을 변경한다. 각 모듈에 대해 짧고 견고한 접지를 제공하고, 내부 다이오드와 병렬로 외부 다이오드를 추가하고, 대형 코일 양단에는 다이오드를 배치한다.
전원을 시퀀싱한다(가능할 경우). 전원을 순서대로 턴 온하고, 내부 사용자에 프로그래밍가능한 지연시간을 부여한다. (Maxim은 다양한 전원 시퀀싱 제품을 제공한다.)
다음 설계 예(그림 2)는 서지 전류를 적절히 바이패스하기 위해 MAX2140에 로컬 접지 및 쇼트키 다이오드를 추가한 것이다.
그림 2. MAX2140 수신기와 안테나 모듈 간의 설계 변경 다이어그램. 이렇게 변경함으로써 EOS를 방지할 수 있다.
여기서의 설계 변경은 다음과 같다.
MAX2140 수신기와 안테나 모듈 사이의 케이블 저항이 0.5Ω이고 인덕턴스는 없다.
안테나 모듈은 100µF 바이패스 커패시터가 내장되어 있다.
MAX2140 수신기가 안테나 모듈로 5V를 공급한다.
그렇다면 첫 40µs 과도상태일 때 커패시터의 최대 전류와 케이블에서의 전압 강하는 얼마인가? 이들 값은 다음 공식을 이용해 계산할 수 있다.
이 공식이 커패시터의 순간 전류를 계산한다. 여기서 du와 dt를 상응하는 델타 값으로 바꿀 수 있다. C는 커패시터 값이다.
이 커패시터가 0V에서 5V로 충전된다.
이는 0에서 40µs까지의 시간 간격을 나타낸다.
바이패스 커패시터의 전류는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
40µs 과도상태일 때 케이블의 전압 강하는 다음과 같다.
예를 들어 이 전압이 6.25V/12.5A로 내부 ESD 다이오드의 단기적 허용조건을 훨씬 초과할 수 있다. 쇼트키 다이오드를 추가해서 과도전류일 때 서지 전류의 대부분을 바이패스할 수 있다. 이 작업을 위해서는 펄스 애플리케이션을 위한 범용 쇼트키 다이오드를 선택하는 좋다. 그림 2의 설계에서는 짧은 케이블을 이용해 저항과 전압 강하를 상당히 낮추고 적정한 커패시터 값을 이용해 최대 서지 전류를 허용 가능한 수준으로 낮출 수 있다.
결론
MAX2140 수신기의 핫 플러그 동작과 같은 비표준 동작을 여러 가지 방법으로 구현할 수 있다. 이를 성공적으로 구현하기 위해서는 Maxim의 지원 및 승인과 더불어서 신중한 설계와 적절한 테스트가 필요하다.
* 최대 절대정격’을 넘는 스트레스는 소자를 영구적으로 손상시킬 수 있다. 이러한 최대 절대정격은 스트레스 정격일 뿐이다. 이 조건이나 동작 사양에서 표시된 것 이상의 조건에서는 이 소자는 기능 동작은 보장되지 않는다. 오랜 시간 동안 최대 절대정격이 가해지면 소자 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다.
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