TVS 다이오드 종류와 선택법 – 납땜 위치가 중요한 이유

TVS 다이오드란 무엇인가?

TVS 다이오드(Transient Voltage Suppression Diode)는 낙뢰, ESD(정전기), 서지와 같은 순간적인 과전압 이벤트로부터 회로를 보호하기 위한 소자입니다. 입력 단자나 민감한 회로 앞단에 배치되어, 일정 전압 이상이 입력되면 낮은 임피던스로 순간적으로 전류를 흘려보냄으로써 보호 대상 회로의 전압 상승을 억제합니다. TVS 다이오드는 반응 속도가 매우 빠르며, 일반적인 제너 다이오드보다 더 큰 전류를 견딜 수 있어 회로 보호의 최전선에서 사용됩니다. 회로에서 이 부품의 존재는 고장률을 획기적으로 낮추는 핵심 요소입니다.

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단방향 vs 양방향 TVS 다이오드

TVS 다이오드는 단방향(Unidirectional)과 양방향(Bidirectional)으로 구분됩니다. 단방향 TVS는 일반적인 전압 방향으로는 다이오드처럼 동작하며, 역방향으로만 서지 보호 기능을 수행합니다. 반면, 양방향 TVS는 두 방향 모두에서 과전압이 걸릴 경우 전류를 흘려보낼 수 있습니다. 따라서 DC 전원 라인에는 단방향 TVS를, AC 신호선이나 데이터 라인(RS-485, CAN, USB 등)에는 양방향 TVS를 적용해야 적절한 보호가 가능합니다. 이 구분을 잘못하면 보호 효과가 없거나, 평상시 동작에 간섭을 줄 수 있습니다.

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주요 전기적 파라미터 해석 방법

TVS 다이오드를 선택할 때는 데이터시트의 파라미터를 정확히 해석할 수 있어야 합니다. 대표적인 항목으로는 Clamping Voltage(VCL), Breakdown Voltage(VBR), Stand-off Voltage(VRWM), 그리고 Peak Pulse Current(IPP)가 있습니다. VRWM은 평상시 회로에 인가되는 최대 정상 전압보다 높아야 하고, VCL은 보호 대상 소자의 최대 허용 전압보다 낮아야 합니다. 또한, ESD나 낙뢰 조건에 따라 IPP의 용량도 충분히 확보해야 합니다. 이런 수치는 단순한 수학적 비교가 아니라, 실사용 조건과 정확히 매칭돼야 합니다.

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ESD 보호와 TVS 선택 시의 차이점

TVS 다이오드는 전원 보호뿐 아니라 ESD 방지 용도로도 널리 사용됩니다. 하지만 ESD는 매우 짧은 시간(나노초 단위) 동안 수 kV 이상의 전압이 발생하므로, 반응 속도와 정전 용량(C>j)이 특히 중요해집니다. 고속 통신 라인(USB 3.0, HDMI 등)에서는 낮은 정전 용량을 갖는 초고속 대응 TVS가 필요하며, 일반적인 TVS 다이오드를 사용할 경우 신호 왜곡이 발생할 수 있습니다. 이때는 ESD 전용 다이오드(ESD Suppressor)를 사용하고, 배치 시도 반드시 신호 경로와의 거리와 패턴 임피던스를 고려해야 합니다.

 

 

 

납땜 위치가 보호 성능을 좌우한다

TVS 다이오드는 어디에 배치하느냐에 따라 보호 효과가 극단적으로 달라질 수 있습니다. 가장 이상적인 납땜 위치는 외부에서 유입되는 노이즈 경로와 회로 사이의 ‘가장 가까운 지점’입니다. 즉, 커넥터 또는 ESD 유입 가능한 단자 근처의 PCB 입력부 바로 뒤에 납땜되어야 하며, 보호 대상 소자보다 앞에 위치해야 합니다. 또한, 다이오드의 GND 경로는 짧고 넓게 설계되어, 순간적으로 빠르게 전류를 우회시킬 수 있어야 합니다. 이러한 배치 원칙이 지켜지지 않으면, TVS가 있어도 회로 손상이 발생할 수 있습니다.

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TVS 다이오드의 실제 오동작 사례

TVS 다이오드를 잘못된 방향으로 장착하거나, 전압 매칭이 맞지 않는 제품을 선택하는 경우 보호 기능이 작동하지 않을 수 있습니다. 예를 들어, 5V 회로에 6.8V VRWM 제품을 쓰면 평상시에는 문제없지만, 5V 정격 IC가 7V 클램핑 전압을 견디지 못하고 손상될 수 있습니다. 또 하나의 흔한 실수는 TVS의 GND 핀을 길게 배선하거나, 비아(Via)를 통해 반대면으로 연결하는 경우인데, 이로 인해 서지가 회로에 먼저 도달하고 나서야 TVS가 동작하게 되는 ‘역전상황’이 발생합니다. 이런 실수는 제품의 내구성에 치명적일 수 있습니다.

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고속 데이터 회로에서의 TVS 설계 전략

USB, HDMI, 이더넷 같은 고속 인터페이스 회로에서는 TVS 선택이 특히 까다롭습니다. 클램핑 전압이 낮아야 보호가 되지만, 정전 용량이 높으면 통신 신호에 영향을 주기 때문입니다. 이럴 때는 Low Capacitance TVS 제품을 선택하고, 디퍼렌셜 라인에 대한 대칭적 배치가 필요합니다. 특히 USB의 경우, D+와 D- 라인이 서로 다른 속도로 클램핑되면 데이터 신호가 왜곡되어 연결이 끊어질 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하기 위해 USB 전용 TVS 어레이(ESD Protection Array)를 사용하는 것이 바람직합니다.

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TVS의 수명과 열화 특성

TVS 다이오드는 반복적으로 서지나 정전기를 흡수하면 내부 PN 접합이 열화되며, 보호 특성이 점차 떨어질 수 있습니다. 특히 고전류를 수차례 견딘 제품은 VBR이 상승하거나, 누설 전류가 증가하는 현상이 발생할 수 있습니다. 이런 변화는 육안으로는 확인이 어렵기 때문에, 정기적인 설계 검토와 테스트, 또는 특정 이벤트 후의 교체 주기를 고려해야 합니다. 중요 장비에서는 다이오드 상태를 감지하기 위한 별도의 진단 회로를 넣기도 합니다.

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실무 설계를 위한 TVS 선택 요약

결론적으로, TVS 다이오드는 단순히 ‘붙이면 되는 부품’이 아니라, 회로 특성과 정확히 맞물려야 보호 효과를 발휘하는 고기능성 보호 소자입니다. 전압, 속도, 정전 용량, 납땜 위치, GND 구조, 반응 시간까지 모든 요소를 고려해야 하며, 특히 고속 신호 라인과 ESD 경로에서는 설계자의 경험이 큰 차이를 만듭니다. 회로 설계 초기 단계부터 TVS 위치와 부품 스펙을 명확히 정의하는 것이 중요하며, 이는 제품의 내구성과 EMI/ESD 인증 성공률까지 좌우하는 결정적인 설계 포인트입니다.