IC가 왜 폭발했을까?

글쓴이 : SOONDORI

“나만 몰랐나?”

항상 철석같이 믿고 그래서 DIY용으로 자주 쓰던  <LM 시리즈 레귤레이터 IC>관련 에피소드를 기록해둔다.

○ 상황 : 방형파 펄스로 코일을 구동하는 회로의 옆에 있는 회로에서, 갑자기 “빡~!” 소리와 함께 LM7812가… 말 그대로 두 조각으로 부서졌다. 입력 핀 쪽에 치우친, 일종의 소자 폭발 현상.

○ 원인 : 연접 회로가 큰 인덕턴스의 코일과 힘겨루기하는 상황이었고 GND 라인을 통해서 -400V 정도로 추정되는 강한 네거티브 써지 전압이 유입되었던 것. 상상하자면 다음과 같다.

○ 응급 조치 : 브릿지 다이오드 ~ 평활 콘덴서 ~ IC 입력 핀 경로에서, 넉넉한 스펙의 다이오드를 브릿지 다이오드 직후에 삽입. 그리고 신품 IC 교체. 이후 그런 증상은… 잠~잠~하다.

○ 논거 : 역방향 전류 흐름에 관련된 이슈로 보고 다이오드를 이용해서 Negative 서지가 더 이상 진행하지 않도록 블로킹함. 참고로 <34V to 12V 변환> 조건이므로 다이오드 삽입에 따른 입력 핀 쪽 전압 강하 수 V는 충분히 무시할 수 있다.

그리고…

“LM 시리즈 IC는 코일을 직접 다루는 회로거나 그런 회로에 근접한 회로에 사용하지 않는 게 좋다는 생각이다”

순수 DC 전용 IC로 간주하고… 이참에 살펴본 내부 구조는 마음이 상당히 불안불안하다.

(▲ IC의 입력 핀을 GND로, GND 핀을 입력 핀으로 착각하여 DC +400V 혹은 허용 범위를 완전히 초과하는 DC 전압을 인가하면 똑같은 현상이 발생할 듯)

* 관련 글 : 커패시터 폭발 실험

(내용 추가) 코일을 다루는 영역을 건드려 써지를 대폭 감소시킬 수 없다면…

○ 대안으로 MOV 즉, 금속 산화 바리스터(Metal Oxide Varistor)가 있다. 개 당 몇십 원?

회로 + 전위~GND 사이에 배치되어 마치 커패시터인 양 대기하고 있다가 임계점을 초과하는 써지가 유입되면 단락에 준하는 상태(=써지 바이패스)가 되고 잠시 후 다시 원복한다. 그리고는 무한 반복. 참고로 아연(Zn)을 이용하는 써지 보호는 수백 KV 송전 부문에서도 활용되고 있음.

(▲ Varistor Voltage = 써지 By-Pass 동작의 시작점, Max. Operating Voltage = 제조사가 말하기를, “그 이하에서는 MOV가 없는 것과 같습니다” 그렇다면 당연히 Varistor Voltage > Max. Operating Voltage이고 둘 사이의 이격 전압은 일종의 Dead Band 또는 DMZ와 같은 것, Max. Clamping Voltage = “보수적인 관점에서 이 전압 이상은 MOV가 모두 흡수합니다”이므로 낮을 수록 좋음. 기타 생략. (이상 출처 : https://zhengli-capacitor.en.made-in-china.com/product/tXxnQkWVvKhU/China-5D-7D-10d-14D-20d-Zinc-Oxide-Varistor.html)

앞선 IC 폭발 사례를 놓고 생각하면, 1) Varistor Voltage는 (예) 39V 이하, 2) Max. Operating Voltage는 그에 종속된 DC 31V 이하, 3) Max. Clamping Volage는 그에 종속된 86V인 ZVR05D390이 적합하다. 대체로 31V를 초과하는 써지를 흡수하여 레귤레이터 중심 회로를 보호함.

다만, MOV가 흡수할 수 있는 총 에너지는 얼마인가를 고려해야 한다. 단위는 주울(Joule). 1W@1초 = 1Joule이므로 전압 × 전류 × 시간으로 계산하고… 충분한 에너지 저장 여유가 있어야 할 것임.

○ 취급 한계를 달리하는 또다른 방법론으로 TVS(Transient Voltage Suppressor) 다이오드도 있다. 형식은 Positive Surge용 단방향이거나 Positive와 Negative Surge가 겹치는 AC용 양방향이거나. 앞선 사례용으로는 AC용이 맞음.

이 소자는 제너 다이오드와 같은 동작을 한다. 차이점은 TVS 다이오드는 대기 상태에서 OFF 상태이지만, 제너 다이오드는 대기 상태에서 소량의 전류가 흐르는 ON 상태.

아래는 아무렇게나 걸린 4개 병합형 TVS 다이오드 어레이. 6V 미만에서 무반응(=회로 정상 동작) + 제조사가 담보하기를 10V 초과 전압은 모두 클램핑.

(내용 추가, 2022.09.26) 네거티브 써지로 통칭한 것에 대한 몇 가지 대책에 대하여…

1) Ground는 아주 확실하게 대책을 마련해주어야 한다. 단자대를 사용할 경우 고전류나 고전압이 무시하지 않고 반응하는 금속 대 금속의 접촉 저항, 예를 들어 0.01오움 때문에 시스템적 문제가 생길 가능성이 있다. 역시 a) 짧은 경로의 GND 라인을, b) PSU GND 포인트에 집중시키고, 3) 연결은 납땜 연결이 최적.

2) Spike 유입 가능성이 있는 제어 라인에 TVS, MOV를 삽입하면 TVS의 동작(=Spike 유입), 대기 반복과 MOV의 정전 용량 때문에 엉뚱한 결과가 초래될 가능성이 있다. 평범한 다이오드 또는 제너다이오드를 역상으로 연결하는 게 무난하다는 판단.

3) MOV는 강압 트랜스포머 1차측과 병렬 연결되면 안 된다. LC 발진의 원인.

4) TTL, Gate 등 제어 라인에 100pF/1KV를 삽입하는 방법도 좋아 보이지만, 제어 펄스의 형상이 달라질 수 있다는 점에 유의.

5) LM 시리즈, TL 시리즈 등 IC 레귤레이터에서 Series Diode로 표기된 블로킹 부품을 사용하는 것은… 인피니온社는 Mandatory 즉, 강행 사항이라고 한다. 

* 참조 자료 : Infineon-Linear_Regulators_and_Trackers_Protection_Circuits-AN-v01_11-EN