이글캐드(Eagle Cad)를 활용한 회로설계, PCB설계/제작, 제품제작 (4.-1회로계산_전원회로- 캐패시터의 ESD 보호 원리)

  Eagle Cad를 활용한 회로설계, PCB설계/제작, 제품제작     

(4.-1회로계산_전원회로- 캐패시터의 ESD 보호 원리) 

 

지난 포스팅에서 캐패시터의 노이즈 필터에 대해서 이야기하였습니다. 

지난 포스팅이 궁금하신분들은 아래 참고하세요.

2023.07.28 - [분류 전체보기] - 이글캐드(Eagle Cad)를 활용한 회로설계, PCB설계/제작, 제품제작 (4.-1회로계산_전원회로-캐패시터의 노이즈 필터 원리)

이글캐드(Eagle Cad)를 활용한 회로설계, PCB설계/제작, 제품제작 (4.-1회로계산_전원회로-캐패시

 

이번 포스팅에서는 세라믹 캐패시터가 어떻게 정전기를 보호해 주는지 알아보겠습니다.

우선 정전기에 대해서 알아보겠습니다.

ESD

 

 

  정전기란?   

물체의 상호 작용으로 균형이 깨지면 (+) 또는 (-)전하가 많아져서 과잉량의 전하를 띠게 되는데 이를 정전기라고 합니다. 표현이 어렵죠? 정전기는 노이즈(Noise)이기도 합니다. 노이즈란 전기적, 기계적인 이유로 시스템에서 발생하는 불필요한 신호 또는 의도되지 않은 신호를 의미합니다. 

 정전기는 영어로 ESD입니다. ESD란 Electro static Discharge의 약어입니다. 우리말로 번역하면 전자가 움직이지 않고 가만히(static) 있다가 정전기보다 전위(전기적 위치에너지)가 낮은 곳이 생기면  이동(Discharge)한다는 의미입니다.

 정전기는 높은 전위값을 갖지만 적은 전자량으로 인해 매우 짧은 순간 찌릿 하며 스파크가 튀면서 조금 찌릿한 느낌을 줍니다. 그래서 인체에는 큰 영향을 줄만큼의 에너지는 아니지만 반도체는 정전기가 유입되면 파손되는 문제가 발생하기도 합니다. 인체는 3KV이하의 정전기는 거의 느낄수 없지만 반도체는 50V에서도 파손 될 수 있습니다. 그래서 전자제품을 만드는 제조사에서는 설계에서부터 제조현장까지 정전기 관리에 매우 철저합니다.

 

   평가규격과 방법   

SAE J1113/13 (차량 구성 요소에 대한 전자기 호환성 측정 절차 -정전기 방전에 대한 내성)라는 규격이 있습ㄴ다. 이 규격서에는 정전기 평가방법이 기재되어 있습니다. 이 평가방법은 그냥 만들어 진게 아니라 인간의 신체를 기준으로 인체의 저항값과 Capacitor용량값을 계산하여 인체에서 나올 수 있는 정전기값을 정의하였습니다.

사람의 신체는 모두 다르기 때문에 사람이 가질수 있는 캐패시터 용량값도 모두 다릅니다. 몸통이 크고 키가 큰 사람은 더 많은 캐패시터 용량값을 가집니다. 이것을 Human Body Model parameters라고 합니다. 즉 인체의 표준을 기준으로 사람이 가지고 있는 정전용량값과 저항값을 수치한 하였습니다. 평가방버븐 Direct Discharge와 Air Discharge 두가지가 있습니다. Direct Dischared는 인간이 직접 어떤 물건을 만졌을 경우를 산정한 평가방법이고 이때 인간의 정전용량값은 150pF이고 인체의 저항값은 2kohm으로 산정하여 계산합니다. 평가장비인 ESD 건의 끝이 뾰족합니다. 이는 인간이 제품을 직접 만졌을 경우를 상정한 것입니다.

Human Body Direct Discharge (등가회로)

Air Discharge는 대기 방전이라고 해석 할 수 있고, 이것은 인간이 어떤 물체를 직접 만지는 상황이 아닌 공기를 통해 방전될 수있는 상황을 상정한 경우입니다. 이때 인간의 정전용량값은 330pF이고 인체의 저항값은 동일하게 2kohm입니다. EDS 건의 끝이 동그런 모양입니다. 인간으로 부터 발생하는 정전기가 대기를 통해 전달되는 것을 상정한 것입니다.

Human Body Air Diacharge(등가회로)

 

   세라믹 캐패시터의 ESD 보호 원리   

ceramic capacitor

우선 ESD TEST 등가회로를 보여드리겠습니다.

왼쪽은 ESD 건입니다. 이것은 인체의 상태를 나타낸 것이고, 오른쪽 회로는 실제 제품이라고 생각하시면 됩니다. 

ESD TEST 등가회로

왼쪽 ESD GUN에서 CH에 전자가 완전히 충전되면 스위치를 누르게 되면 RH를 통해 CA로 다시 전자가 충전된 후 RA로 방전되는 회로입니다. 이는 '입력전류=출력전류' 관점에서 보면 키르히호프의 전류 법칙에 의한 분석도 가능하고 '입력전하량=출력전하량'의 관점에서 보면 전하량 보존 법칙에 의한 분석도 가능합니다.

 전하량(Q) = C·V 이기 때문에 다음과 같은 공식을 정의할 수 있습니다.

전하량 보존 법칙

 이 공식에서 해석할 수 있는 내용은 ESD 건에서의 전체전하량(인간의 몸통이 갖는 전자의 보존용량)은 제품쪽으로 흘러 들어가는 전하량과 같다는 겁니다. 즉 VH와 VA는 달라집니다.

쉽게 설명드리면 아래의 그림으로 이해 하시면 됩니다.

왼쪽이 ESD 건으로 생각하고 ESD 건에 전자를 가득 채웠을때 전가가 6개이고 이때 전압(전위:전기적 위치에너지)이 10KV라고 가정해 봅니다. 이때 ESD건을 누를 경우 ESD건(CH)에 가득 차 있는 10KV의 전위를 갖는 전자들이 CA로 이동하게 됩니다. 이 원리를 이용해서 정전기의 전위를 낮춰주는게 세라믹 캐패시터입니다.  VA에 걸리는 전압을 기준으로 이 VA전압이 다른 반도체 부품에 영향이 없는지를 검증하면 됩니다. 

 

다음 포스팅 이어가겠습니다.

2023.07.31 - [회로설계] - Eagle Cad를 활용한 회로설계, PCB설계/제작, 제품제작 (5. PCB외형도 그리기)

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