보호용 다이오드

한 줄 요약 — 유도성 부하의 역기전력, 정전기, 서지, 역전압으로부터 회로를 지킵니다. 보호 소자 자체가 성능을 떨어뜨리기도 합니다.

1. 플라이백 다이오드 (프리휠링)

왜 필요한가

인덕터(inductor)의 전류는 순간적으로 끊을 수 없습니다 (3-03).

V = L\frac{dI}{dt}

기호

d거리 또는 두께distance or thicknessm

I전류currentA

L인덕턴스inductanceH

t시간times

V전압voltageV

릴레이 코일(100 mH)에 100 mA가 흐르는데 트랜지스터(transistor)가 1 µs 만에 끄면 10 kV가 발생해 트랜지스터가 파괴됩니다.

해결

코일과 역병렬로 다이오드(diode)를 답니다. 스위치가 꺼지면 전류가 다이오드를 통해 계속 흐르며 서서히 감쇠합니다.

플라이백 다이오드워크벤치에서 열기 →

플라이백 다이오드는 코일과 나란히, 역방향으로 답니다. 평소에는 아무 일도 하지 않다가, 스위치가 끊기는 순간 코일이 만든 역기전력의 전류가 흐를 길이 되어 줍니다. 이 길이 없으면 전압이 수백 V까지 치솟아 스위치를 파괴합니다.

다이오드 선정

항목	요구
순전류	코일 전류 이상
역내압	전원 전압의 2배 이상
속도	빠를수록 좋음 (일반 정류용은 느려서 초기 스파이크(spike)를 못 잡음)

⚖️ 트레이드오프 — 릴레이가 늦게 떨어집니다

구성	✅	⚠️
다이오드만	스파이크 완전 억제(약 0.7 V로 클램프)	전류가 천천히 감쇠 → 릴레이 개방(open)이 느려짐(수 ms), 접점 아크로 수명 단축
다이오드 + 직렬 저항	감쇠 빠름, 개방 시간 단축	스파이크 전압 = $I\times R$ 만큼 상승
다이오드 + 제너	빠른 감쇠, 전압을 제너 값으로 제한	부품 추가
RC 스너버(snubber)	AC/DC 모두 사용 가능	설계 복잡, 상시 손실
TVS	양방향 가능, 빠름	비쌈

💡 릴레이 응답 속도가 중요하면 다이오드 + 제너(또는 직렬 저항) 조합을 쓰세요. 스파이크를 완전히 0.7 V로 누르면 에너지가 천천히 빠져나가 릴레이가 늦게 떨어집니다.

2. 역전압 보호

전원을 거꾸로 연결했을 때 회로를 보호합니다.

방식	$V$ 손실	특징
직렬 다이오드	0.3~1.0 V	가장 간단. 저전압 시스템에서는 손실이 치명적
병렬 다이오드 + 퓨즈	0 V	역접속 시 다이오드가 단락시켜 퓨즈를 끊음. 다이오드가 큰 전류를 견뎌야 함
P-MOSFET (이상 다이오드)	~10 mV	손실 최소. 3.3 V 시스템의 표준 해법

P-MOSFET 이상 다이오드

P-MOSFET 역전압 보호워크벤치에서 열기 →

P-MOSFET 역전압 보호 — 다이오드보다 손실이 훨씬 적습니다.

	다이오드	P-MOSFET
전압 강하	0.3~0.7 V	$I \times R_{DS(on)}$ — 보통 수십 mV
1 A 에서 손실	0.5 W	0.03 W
부품 수	1개	MOSFET + 저항 2개

소스가 입력 쪽, 드레인이 출력 쪽입니다. 다이오드와 반대로 보이지만, 바디 다이오드가 정방향이 되도록 일부러 이렇게 놓습니다.

정상 연결 시 게이트가 소스보다 낮아 도통(continuity), 역접속 시 차단됩니다. 도통 저항이 수십 mΩ이라 손실이 거의 없습니다.

⚠️ 게이트-소스 전압이 최대 정격을 넘지 않도록 제너 다이오드(Zener diode)로 클램프해야 합니다.

3. ESD / 서지 보호 (TVS)

TVS(Transient Voltage Suppressor) 는 빠르게 항복하여 서지 에너지를 흡수하는 제너의 일종입니다.

항목	확인
역방향 정격 전압 ( $V_{RWM}$ )	정상 동작 전압보다 높아야 함 (누설 방지)
클램프 전압 ( $V_C$ )	보호 대상의 절대 최대 정격보다 낮아야 함
피크 펄스 전력	예상 서지 에너지 이상
접합 용량	신호선에서는 낮아야 함 (수 pF)
단방향/양방향	DC 전원은 단방향, AC/차동 신호(differential signaling)차동 신호 differential signaling두 선의 차이로 신호를 실어, 두 선에 똑같이 들어온 간섭은 빼서 지워 버리는 방식입니다.자세히 보기 →는 양방향

⚖️ TVS의 트레이드오프

	✅	⚠️
TVS 있음	ESD·서지로부터 보호	접합 용량이 신호 대역폭(bandwidth)을 제한, 누설 전류(leakage current), 부품 추가
큰 TVS (고에너지)	강한 서지 견딤	용량이 큼(수백 pF) → 고속 신호 불가
저용량 TVS (ESD 전용)	용량 0.5~5 pF	에너지 흡수 능력 작음

⚠️ USB·고속 신호선에는 반드시 저용량 TVS(< 1 pF)를 쓰세요. 일반 TVS(수백 pF)를 달면 신호가 완전히 뭉개집니다.

★ 측정 회로에서 보호 소자의 딜레마

보호 소자는 누설 전류와 접합 용량을 회로에 추가합니다. 고임피던스 측정에서는 이것이 치명적입니다.

소자	누설 (25 °C)	용량	고임피던스 노드에서
일반 쇼트키	~1 µA	수십 pF	❌ 절대 불가
일반 스위칭 (1N4148)	~25 nA	4 pF	❌
저누설 (BAV199)	~1 nA	1.5 pF	△ 조건부
저누설 (JFET 구성)	~1 pA	< 1 pF	✅
CMOS 입력 내장 보호	~1 pA ~ 1 nA	수 pF	소자별 확인

계산 — 왜 문제인가

10 MΩ 고임피던스 노드에 1N4148 두 개(상하 클램프)를 달면:

\Delta V = 25\ \text{nA} \times 10\ \text{M}\Omega = 0.25\ \text{V}

기호

Delta V전압 변화량voltage changeV

V전압voltageV

250 mV의 옵셋. 50 µV 신호를 재는 회로가 완전히 망가집니다.

올바른 배치 전략

보호 소자는 버퍼 뒤에 답니다. TVS 의 누설 전류(수 nA)가 1 MΩ 전극에서는 수 mV 오차를 만들지만, 버퍼 뒤 저임피던스에서는 아무 영향이 없습니다.

원칙:

고임피던스 노드에는 아무것도 붙이지 않는다
직렬 저항으로 전류를 제한한다 (이것만으로도 상당한 보호)
버퍼 뒤 저임피던스 지점에 보호 소자를 배치한다
필요하면 저누설 다이오드를 쓰고, 가드링으로 PCB 누설도 막는다 (15-06)

시뮬레이션으로 확인

플라이백 다이오드워크벤치에서 열기 →

# examples/05-diode/flyback.yaml
meta:
  name: 플라이백 다이오드
  lesson: docs/05-diode/05-protection-diodes.md
  note: D1을 제거하고 돌리면 스위치 노드 전압이 폭주하는 것을 볼 수 있다
components:
  - {ref: V1, type: vdc, value: 12}
  - {ref: L1, type: l,   value: 100m, label: 릴레이 코일}
  - {ref: R1, type: r,   value: 120,  label: 코일 저항}
  - {ref: D1, type: d,   model: 1N4148}
  - {ref: SW, type: sw,  model: SW_IDEAL}
  - {ref: VC, type: vpulse, params: {v1: 5, v2: 0, td: 5m, tr: 1u, tf: 1u, pw: 10m, per: 20m}}
nets:
  VCC:  [V1.p, L1.1, D1.k]
  DRAIN: [L1.2, R1.1]
  SWN:  [R1.2, D1.a, SW.1]
  CTL:  [VC.p, SW.cp]
  GND:  [V1.n, SW.2, SW.cn, VC.n]
analyses:
  - {type: tran, tstep: 1u, tstop: 20m}
expect:
  - {measure: v, node: SWN, at: 5.1m, analysis: tran, max: 13.0}

D1을 제거하면 SWN 노드 전압이 수백~수천 V로 치솟습니다.

🔌 실제 쓰임새

보호	소자	어디에
유도성 부하 역기전력	플라이백 다이오드	릴레이, 솔레노이드, 모터 (16-05)
역전압	P-MOSFET, 쇼트키	전원 입구 (8-05)
ESD	TVS, 저용량 어레이	커넥터, USB, 노출 신호선
과전압 클램프	제너, TVS	ADC 입력, GPIO
서지 (낙뢰 등)	가스 방전관 + TVS	외부 인터페이스
입력 과전압	직렬 R + 클램프	계측 입력

⚠️ 이상과 실제의 차이

이상	실제
즉시 클램프	기생 인덕턴스 때문에 초기 스파이크가 통과 — 배선을 짧게
누설 없음	온도에 따라 누설이 지수적으로 증가
용량 없음	접합 용량이 신호를 왜곡
무한 반복 가능	서지를 반복해서 맞으면 열화
보호만 함	보호 소자가 성능을 떨어뜨림 (누설, 용량)

⚠️ TVS를 커넥터에서 멀리 두면 소용없습니다. 배선(trace) 인덕턴스(inductance)에서 $L\,di/dt$ 가 발생해 클램프 전압보다 훨씬 높은 전압이 회로에 도달합니다. 커넥터 바로 옆, 접지까지 최단 경로로 배치하세요 → 15-01

연습문제

문제 1. 24 V 릴레이(코일 저항 240 Ω, 인덕턴스 200 mH)에 플라이백 다이오드(flyback)를 답니다. 다이오드에 흐르는 초기 전류와 필요한 역내압은?

exercises/05-05-flyback.yaml

풀이

코일 전류: $I = 24/240 = 100$ mA → 다이오드 순전류 정격 100 mA 이상 (여유 두어 200 mA+)

역내압: 정상 동작 시 다이오드에 24 V가 역방향으로 걸립니다. 여유 2배로 50 V 이상 (1N4148은 100 V이므로 충분)

감쇠 시정수: $\tau = L/R = 0.2/240 \approx 0.83$ ms. 릴레이가 떨어지는 데 수 ms가 걸립니다.

문제 2. 100 kΩ 소스 임피던스(impedance)임피던스 impedance교류에서의 저항으로, 크기뿐 아니라 전압과 전류의 시간 차이(위상)까지 담은 복소수입니다. $Z_C = \frac{1}{j\omega C},\quad Z_L = j\omega L$ 자세히 보기 → 신호에 접합 용량 100 pF인 TVS를 달았습니다. 대역폭은?

연습 5-05-2 — TVS 접합 용량이 대역폭을 잡아먹습니다워크벤치에서 열기 →

풀이

f_c = \frac{1}{2\pi\times10^5\times100\times10^{-12}} \approx 15.9\ \text{kHz}

기호

f_c차단 주파수cutoff frequencyHz

16 kHz로 제한됩니다. 저용량 TVS(1 pF)를 쓰면 1.6 MHz로 100배 개선됩니다.

문제 3. 전극(1 MΩ)에서 오는 신호를 보호하려 합니다. 어떻게 설계하겠습니까?

exercises/05-05-electrode-protection.yaml

풀이

고임피던스 노드에는 클램프를 직접 달지 않습니다.

권장 구성:

권장 구성 요약

위치	무엇을 두나	왜
전극 직후	직렬 저항 10~100 kΩ	과전류만 막음. 누설 없음
그 다음	FET 입력 버퍼	바이어스 전류가 pA 급이라 큰 저항을 견딤
버퍼 뒤	TVS · 클램프 다이오드	여기는 저임피던스라 누설이 무해

설계 근거:

직렬 저항 (10~100 kΩ): 과전압이 들어와도 전류를 제한합니다. 예를 들어 100 V가 인가되어도 100 kΩ이면 1 mA로 제한되어, OP앰프 내장 보호 다이오드가 감당할 수 있습니다. (대부분의 OP앰프는 입력 전류 ±10 mA까지 허용)
버퍼에 FET/CMOS 입력 소자 사용: 내장 보호 다이오드의 누설이 pA급인 것을 선택합니다.
외부 클램프는 버퍼 뒤에: 저임피던스 노드이므로 누설이나 용량이 문제되지 않습니다.
PCB 가드링(guard ring)가드링 guard ring고임피던스 노드를 같은 전압의 링으로 둘러싸 표면 누설을 없애는 기법입니다.자세히 보기 →: 고임피던스 배선 주위를 같은 전위의 가드 트레이스로 둘러싸 표면 누설을 차단합니다 (15-06).

트레이드오프: 직렬 저항 100 kΩ은 열잡음( $\sqrt{4kTR}$ = 40 nV/√Hz)을 추가하고, 입력 용량과 함께 대역폭을 제한합니다. 보호 수준과 성능 사이에서 값을 정해야 합니다.

이전 ← 04 LED와 전류제한 저항 | 다음 → 06 반도체 물성