KR20180002397A - 고속신호용 보호소자 및 이를 구비한 전자장치 - Google Patents

고속신호용 보호소자 및 이를 구비한 전자장치 Download PDF

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Abstract

고속신호용 전자소자가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고속신호용 전자소자는, 신호 전송라인과 접지를 연결하는 방호소자와, 상기 신호 전송라인과 직렬연결되어 ESD 및 EOS를 감쇄시키며, 신호 전송라인을 통해 전송되는 신호의 감쇄를 방지하는 하이패스 필터를 포함한다. 이에 의하면, 신호입력단자와 내부 칩인 신호처리부 사이의 고속신호라인에 직렬 커패시터를 적용함으로써, 고속 데이터 신호의 감쇄 없이 ESD와 EOS를 차단할 수 있다.

Description

고속신호용 보호소자 및 이를 구비한 전자장치{Protection device for high speed signal and electronic apparatus with the same}
본 발명은 정전방전 보호에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고속신호를 사용하는 장치의 ESD 및 EOS의 방호에 적당한 고속신호용 보호소자 및 이를 구비한 전자장치에 관한 것이다.
최근의 전자장치들에 사용되는 고집적 IC는 내부에 충분한 정전방전 기능을 구현하기가 어렵다. 따라서 IC의 전원 또는 신호 입력단에 정전방전 기능을 구현하고 있다.
또한 USB, HDMI 등의 데이터 전송 방식들은 기술의 향상에 따라 신호 전송 속도가 점점 증가하고 있다.
신호 전송 속도의 증가는 주파수의 증가를 뜻하며, 종래 ESD 또는 EOS 차단을 위한 필터의 대역은 ESD 및 EOS를 차단할 수는 있으나, 주파수 대역이 유사한 고속 전송 데이터를 감쇄시킬 수 있다. 따라서 데이터 전송 속도의 증가에 부합하는 정전방전 보호 대책의 마련이 요구되고 있다.
KR 10-1272762 B
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 고속신호라인에 직렬 커패시터를 적용하여 전송 신호의 감쇄를 방지함과 아울러 ESD 및 EOS를 차단할 수 있는 고속신호용 보호소자 및 이를 이용한 전자장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 분기 저항을 사용하여 EOS를 바이패스시켜 내부 회로를 보호할 수 있는 고속신호용 보호소자 및 이를 이용한 전자장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
아울러 본 발명은 고속신호라인에서 ESD 및 EOS를 차단하는 보호소자를 복합소자로 제공하여, 부피의 증가를 방지하고, 적용이 용이하도록 하는 고속신호용 보호소자 및 이를 이용한 전자장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 신호 전송라인과 접지를 연결하는 방호소자와, 상기 신호 전송라인과 직렬연결되어 ESD 및 EOS를 감쇄시키며, 신호 전송라인을 통해 전송되는 신호의 감쇄를 방지하는 하이패스 필터를 포함하는 고속신호용 보호소자를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 신호입력단자와 신호처리부의 사이의 신호 전송라인과 접지를 연결하는 방호소자와, 상기 신호 전송라인과 직렬연결되어 ESD 및 EOS를 감쇄시키며, 신호 전송라인을 통해 전송되는 신호의 감쇄를 방지하는 하이패스 필터를 포함하는 전자장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 하이패스 필터는, 상기 신호 전송라인과 직렬 연결되는 커패시터와 저항을 포함할 수 있다.
또한, 상기 커패시터의 커패시턴스는, 10 내지 1000nF일 수 있다.
또한, 상기 저항의 저항값은, 2 내지 5Ω일 수 있다.
또한, 상기 하이패스 필터는, 상기 커패시터와 상기 저항의 접점을 접지에 연결하는 인덕터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 인덕터의 인덕턴스는, 40 내지 48μH일 수 있다.
또한, 상기 하이패스 필터는, 상기 커패시터와 상기 저항의 접점을 접지에 연결하는 바이패스 저항을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 바이패스 저항의 저항값은, 900Ω 내지 1kΩ일 수 있다.
또한, 상기 하이패스 필터와 상기 방호소자는, 적층형 단일 칩이거나, 개별 소자가 결합된 블록타입 칩이거나, 반도체칩일 수 있다.
본 발명에 의하면, 신호입력단자와 내부 칩인 신호처리부 사이의 고속신호라인에 직렬 커패시터를 적용하여, 하이패스 필터를 구성함으로써, 고속 데이터 신호의 감쇄 없이 ESD와 EOS를 차단할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 직렬 커패시터와 함께 분기 저항을 적용하여, EOS전류를 선택적으로 접지로 바이패스시킴으로써, 과전류에 의한 신호처리부의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 직렬 커패시터 또는 상기 분기 저항을 포함하는 보호소자를 복합소자로 제공하여, 단일한 상기 복합소자를 신호라인에 직렬연결함으로써, 보호소자의 적용에 의해 회로의 부피가 증가하는 것을 방지함과 아울러 기존의 회로 설계를 변경하지 않고도 용이하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속신호용 보호소자의 전기적 결합관계 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속신호용 보호소자의 등가회로도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 저항의 특성 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 커패시터의 특성 그래프,
도 5는 도 2의 고속신호용 보호소자의 단면도,
도 6은 본 발명에서 정전용량에 따른 ESD 특성 테스트 결과표,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속신호용 보호소자의 등가회로도,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 적용되는 인덕터의 특성 그래프,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속신호용 보호소자의 등가회로도,
도 10은 본 발명에 적용될 수 있는 저항과 바이패스 저항의 저항값에 따른 클램프 전압의 테스트 결과표, 그리고
도 11은 바이패스 저항의 특성 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고속신호용 보호소자(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 신호입력단자(210)와 신호처리부(220)의 사이의 신호 전송라인(230)에 위치한다.
상기 신호입력단자(210)는 전자장치(200)의 외부에 일부가 노출되어 외부 케이블이 연결될 수 있도록 하는 것으로, USB, HDMI, HML 또는 고속데이터의 전송이 가능한 기타의 전송규격에 만족하는 단자일 수 있다. 바람직하게는 USB 3.0 이상 등 적어도 4Gbps 이상의 속도를 가지는 고속 데이터 전송규격에 만족하는 단자로 한다.
또한 상기 신호처리부(220)는 집적화된 칩의 형태일 수 있으며, 상기 전자장치(200)의 내부기판에 설치된다.
상기 신호 전송라인(230)은 상기 신호입력단자(210)와 신호처리부(220)를 상호 연결하여 신호입력단자(210)를 통해 입력된 데이터가 신호처리부(220)에 입력되어 처리될 수 있도록 하는 것으로, 수신라인(Rx)과 송신라인(Tx)을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
상기 신호 전송라인(230)은 내부기판에 패터닝된 도전체이거나 상기 신호입력단자(210)와 신호처리부(220)를 직접 연결하는 도선일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고속신호용 보호소자(100)는, 상기 신호 전송라인(230)에 직렬로 연결된다. 이때 신호 전송라인(230)은 앞서 설명한 바와 같이 수신라인과 송신라인을 포함할 수 있는 것으로, 고속신호용 보호소자(100)는 동일 규격, 동일 소자(또는 복합소자)를 수신라인과 송신라인에 각각 배치한 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 고속신호용 보호소자(100)는 도 2에 도시한 바와 같이 일단이 신호 전송라인(230)에 연결되고 타단이 접지된 방호소자(110)와, 일단이 상기 방호소자(110)의 일단에 연결된 커패시터(120)와, 상기 커패시터(120)의 타단과 상기 신호처리부(220) 사이에 연결된 저항(130)을 포함하는 RC회로일 수 있다.
상기 RC회로에서 커패시터(120)의 정전용량을 낮출수록 ESD 감쇄 성능을 확인할 수 있는 클램프 전압의 값도 낮아지게 되며, ESD 동작전압도 낮출 수 있다.
그러나 커패시터(120)의 정전용량이 일정한 값 이하가 되면, 컷오프 주파수의 증가에 의해 고속 신호가 정상적으로 전송되지 않을 수 있다.
상기 커패시터(120)와 상기 저항(130)은 각각 ESD 또는 EOS의 감쇄 효과를 가지는 것으로, 본 발명의 일 실시예에서는 커패시터(120)와 저항(130) 복합소자를 사용하여 감쇄 효과를 높일 수 있다.
신호의 손실 없이 ESD 및 EOS를 효과적으로 방호하기 위해서는 본 발명이 하이패스 필터로 구현되어야 하며, 상기 커패시터(120)의 정전용량은 10 내지 1000nF의 범위이고 저항(130)은 2 내지 5Ω의 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다.
도 3을 참조하면, 직렬 저항(Series Resistance)은 저항값에 무관하게 하이패스 특성을 갖는다. 여기서 하이패스 특성이라 함은 컷오프 주파수 이상에서 감쇄가 감소하는 특징을 뜻한다.
그러나 저항값이 클수록 4GHz 대역에서도 감쇄비가 크기 때문에 고속신호를 감쇄시킬 수 있다. 따라서 앞서 설명한 바와 같이 저항(130)을 2 내지 5Ω의 저항값을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 2Ω 미만에서는 하이패스 특징이 매우 적게 나타나며, 5Ω를 초과하는 경우에는 감쇄비가 커서 고속데이터의 전송시 감쇄에 따른 데이터 손실이 발생할 확률이 높아지게 된다.
또한 도 4를 참조하면, 직렬 커패시턴스(Series Capacitance)는 다양한 전체 주파수 대역에서 밴드패스 필터의 효과를 가지게 되지만, 고속 신호용의 4~6GHz 주변에서는 감쇄율이 낮으며, 6GHz 이상에서는 감쇄율이 높은 특징을 가지는 10 내지 1000nF의 커패시터(120)를 사용한다.
위와 같이 커패시터(120)와 저항(130) 복합소자를 사용하는 하이패스필터는 고속신호의 감쇄를 줄이면서 ESD 및 EOS 방호에 효과적인 것을 알 수 있다.
도 5을 참조하면, 도 2를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 고속신호용 보호소자(100)는 적층형 칩 구조로 구현될 수 있다.
구체적으로, 접지전극(142)이 형성된 제1시트층(141)과, 내부전극(144)이 형성되며 상기 제1시트층(141) 상에 적층된 제2시트층(143)과, 저항체(146)가 형성되며 상기 제2시트층(143) 상에 적층된 제3시트층(145)과, 상기 제3시트층(145)의 상부에 적층된 제4시트층(147)을 포함한다.
상기 제1 내지 제4시트층(141,143,145,147)의 측면에는 내부전극(142)에 전기적으로 연결되는 제1외부전극(148)과, 저항체(146)에 전기적으로 연결되는 제2외부전극(149)가 형성되어 있으며, 도면에는 생략되었으나 접지전극(142)에 연결되는 외부전극이 더 포함된다. 접지전극(142)에 연결되는 외부전극은 도면상 상기 제1 내지 제4시트층(141,143,145,147)의 적층구조의 전면 또는 배면에 위치하거나, 전면과 배면에 모두 위치할 수 있다.
상기 저항체(146)는 평면상에서 다수의 절곡부를 가지는 나선형의 구조일 수 있으며, 상기 저항(130)을 이룬다. 저항체(146)의 일단과 전기적으로 연결되는 제2외부전극(149)은 신호처리부(220)에 전기적으로 연결된다.
상기 내부전극(144)은 상기 커패시터(120)와 방호소자(110)의 접점을 이루며, 내부전극(144)이 전기적으로 연결되는 제1외부전극(148)은 신호입력단자(210)에 전기적으로 연결된다.
상기 커패시터(120)는 제3시트층(145)을 사이에 두고 위치하는 저항체(156)와 내부전극(142)의 중첩 영역으로 정의된다. 상기 제3시트층(145)은 소정의 유전율을 가지는 유전체일 수 있다.
상기 접지전극(142)과 내부전극(142)의 사이에는 방호소자(110)가 위치하며, 이때 방호소자(110)는 공극이거나, 공극의 일부 또는 전부에 채워진 방전물질일 수 있으며, 제2시트층(143)의 재질을 방전물질로 구성하여 형성할 수 있다.
일례로, 상기 방호소자(110)는 서프레서, 바리스터 등 ESD 또는 EOS의 방호에 적당한 것으로 알려진 전기 소자를 사용할 수 있으며, 이러한 방호소자를 구현하는 알려진 다양한 방법의 적용할 수 있다.
도 5에 도시한 구조는 필요에 따라 본 발명의 기술분야에서 통상의 기술자가 본 발명의 실시예들을 참조하여 용이하게 변경실시할 수 있다.
또한 본 발명에서는 적층형 구조의 복합소자를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 방호소자(110), 커패시터(120), 저항(130)을 각각 개별소자로 구현하고, 블록 타입으로 조합한 구조로 구현될 수 있으며, 또한 반도체 제조 기술을 이용하여 구현될 수 있다.
상기 저항(130)의 저항값을 2Ω으로 고정하고, 10nF의 정전용량을 가지는 커패시터(120)와 100nF의 정전용량을 가지는 커패시터(120)를 각각 포함하는 두 시료에 대한 ESD 보호 테스트 결과를 도 6에 도시하였다.
테스트는 ESD 2kV부터 0.5kV씩 증가시키면서 이루어졌으며, 각 시료에 대하여 ESD 동작전압과 ESD 감쇄 성능을 나타내는 클램프 전압(Vp)을 측정하고, 이를 방호소자(110)로서 서프레서가 단독으로 사용되는 시료와 비교하였다.
서프레서만 사용한 시료의 ESD 동작전압은 3.5kV이며, 클램프 전압(Vp)은 86V로 측정되었다.
본 발명과 같이 방호소자(110)인 서프레서와 함께 신호입력단자(210)와 신호처리부(220) 사이에 직렬연결되는 커패시터(120)와 저항(130)을 사용하는 경우에는 ESD 동작전압이 2~2.5kV이며, 클램프 전압(Vp)이 61~70V로 현저하게 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 등가회로도를 도시한 도 7를 참조하면, 앞서 설명한 도 2의 등가회로도에서 인덕터(150)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 인덕터(150)의 일단은 커패시터(120)와 저항(130)의 접점과 접지 사이에 위치하며, RLC 필터를 구성하여 고속신호의 감쇄 없이 ESD 및 EOS를 차단 또는 바이패스시키는 역할을 한다.
도 7의 RLC 필터는 하이패스 필터이며, 4GHz 이상의 고주파 신호를 감쇄 없이 전송할 수 있다. 이때 인덕터(150)의 역할은 차동 임피던스를 제공하는 것이다. 차동 임피던스의 제공에 의하여 고속신호용 보호소자(100)를 전자장치(200)에 적용할 때, 회로 정합을 위하여 커패시터(120)의 정전용량을 보완할 필요가 없다.
테스트 결과로서 USB 3.0 방식을 사용하는 전자장치(200)에 고속신호용 보호소자(100)를 적용할 때 40~48μH의 인덕터(150)를 사용하는 것이 바람직하다.
도 8을 참조하면 분로 인덕턴스(Shunt Inductace)는 밴드패스의 형태를 나타내며, 고속신호의 데이터의 바이패스를 방지하면서 EOS를 바이패스시키는 역할을 할 수 있다. 도면에 도시되지는 않았으나 5.6 내지 22μH의 시험결과에서처럼 스커트(Skirt)특성은 인덕턱스의 증가에 따라 향상되나 컷오프 주파수가 낮아지게 된다. 컷오프 주파수와 스커트 특성을 고려하여 앞서 언급한 바와 같이 인덕터(150)의 인덕턴스는 40 내지 48μH인 것이 바람직하다.
또한, 고속신호용 보호소자(100)는 본 발명의 다른 실시예의 등가회로를 도시한 도 9를 참조하면, 앞서 설명한 도 2의 등가회로도에 바이패스 저항(160)을 더 추가하여 구성할 수 있다.
상기 바이패스 저항(160)은 커패시터(120)와 저항(130)의 접점과 접지를 연결하는 것으로, 과전류를 접지로 바이패스 시키는 역할을 한다.
상기 바이패스 저항(160)의 저항값을 10, 50, 100, 1000Ω으로 하고, 저항(130)의 저항값을 5, 10, 20, 30Ω으로 가변하면서 ESD 테스트를 수행한 결과를 도 10에 도시하였다.
도 10을 참조하면 바이패스 저항(160)의 값이 증가할수록 클램핑 전압은 증가한다. 예를 들어 저항(130)의 저항값을 10Ω으로 고정한 상태에서, 바이패스 저항(160)의 값을 10, 50, 100, 1000Ω으로 단계적으로 증가시키는 경우 클램핑 전압은 6.63V, 22.59V, 30.81V, 46.0V로 증가하게 된다.
반대로 저항(130)의 저항값이 증가할수록 클램핑 전압은 낮아지게 된다. 예를 들어 바이패스 저항(160)의 저항값을 10Ω으로 고정한 상태에서 저항(130)의 저항값을 5, 10, 20, 30Ω으로 증가시키는 경우, 클램핑 전압은 7.42V, 6.63V, 6.0V, 4.02V로 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
상기 바이패스 저항(160)을 부가하였을 때에는 고속신호의 감쇄와 클램핑 전압을 고려하여 상기 저항(130)의 값을 변경할 필요가 있으며, 바이패스 저항(160)의 저항값은 바람직하게 900Ω 내지 1kΩ을 사용할 수 있다.
도 11의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이 분로 저항은 저항값이 100 내지 10000Ω의 범위 모두 1GHz 이상의 주파수 대역에서는 급격한 감쇄를 보인다. 특히 1000Ω을 초과하는 저항값의 시험결과는 4GHz 이상의 범위에서 감쇄율이 높으며, 820Ω이하에서는 만족스러운 스커트를 얻을 수 없다.
따라서 바이패스 저항(160)은 900Ω 내지 1kΩ을 사용하는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100:고속신호용 보호소자 110:방호소자
120:커패시터 120:커패시터
130:저항 141:제1시트층
142:접지전극 143:제2시트층
144:내부전극 145:제3시트층
146:저항체 147:제4시트층
148:제1외부전극 149:제2외부전극
150:인덕터 160:바이패스 저항
200:전자장치 210:신호입력단자
220:신호처리부 230:신호라인

Claims (18)

  1. 신호 전송라인과 접지를 연결하는 방호소자; 및
    상기 신호 전송라인과 직렬연결되어 ESD 및 EOS를 감쇄시키며, 신호 전송라인을 통해 전송되는 신호의 감쇄를 방지하는 하이패스 필터를 포함하는 고속신호용 보호소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하이패스 필터는,
    상기 신호 전송라인과 직렬 연결되는 커패시터; 및
    저항을 포함하는 고속신호용 보호소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 커패시터의 커패시턴스는,
    10 내지 1000nF인 고속신호용 보호소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 저항의 저항값은,
    2 내지 5Ω인 고속신호용 보호소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 하이패스 필터는,
    상기 커패시터와 상기 저항의 접점을 접지에 연결하는 인덕터를 더 포함하는 고속신호용 보호소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인덕터의 인덕턴스는,
    40 내지 48μH인 고속신호용 보호소자.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 하이패스 필터는,
    상기 커패시터와 상기 저항의 접점을 접지에 연결하는 바이패스 저항을 더 포함하는 고속신호용 보호소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 바이패스 저항의 저항값은,
    900Ω 내지 1kΩ인 고속신호용 보호소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이패스 필터와 상기 방호소자는,
    적층형 단일 칩이거나, 개별 소자가 결합된 블록타입 칩이거나, 반도체칩인, 고속신호용 보호소자.
  10. 신호입력단자와 신호처리부를 포함하며,
    제1항의 고속신호용 보호소자가 상기 신호입력단자와 신호처리부 사이에 배치되는, 전자장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하이패스 필터는,
    상기 신호 전송라인과 직렬 연결되는 커패시터; 및
    저항을 포함하는 전자장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 커패시터의 커패시턴스는,
    10 내지 1000nF인 전자장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 저항의 저항값은,
    2 내지 5Ω인 전자장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 하이패스 필터는,
    상기 커패시터와 상기 저항의 접점을 접지에 연결하는 인덕터를 더 포함하는 전자장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 인덕터의 인덕턴스는,
    40 내지 48μH인 전자장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 하이패스 필터는,
    상기 커패시터와 상기 저항의 접점을 접지에 연결하는 바이패스 저항을 더 포함하는 전자장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 바이패스 저항의 저항값은,
    900Ω 내지 1kΩ인 전자장치.
  18. 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이패스 필터와 상기 방호소자는,
    적층형 단일 칩이거나, 개별 소자가 결합된 블록타입 칩이거나, 반도체칩인, 전자장치.
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