[펌] 다이오드 설계 방법

1. 범용(General Purpose) 다이오드 설계 방법

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범용 다이오드는 쇼트키 다이오드와 제너 다이오드에 속하지 않은 일반적으로 흔하게 많이 쓰이는 다이오드를 총칭하여 범용 다이오드라고 합니다. 범용 다이오드는 기초적인 회로이론과 전자회로에 대한 내용을 조금이라도 알고계신 분들이라면, 대략적으로 어떤 동작을 수행하는지 잘 아실 것입니다.

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이해를 돕기 위해 범용 다이오드로써 많이 사용되고 있는 1N4004를 예를 들어서 설명하도록 하겠습니다. 1N4004 범용 다이오드는 순방향 다이오드 전압이 1V, 순방향 다이오드 전류가 1A이며, 역방향 다이오드 최대 전압이 400V인 다이오드입니다. 이런 다이오드를 그림으로 표현하면 다음과 같이 표현이 가능할 것 같습니다.

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1N4004를 강물의 둑이라고 표현하고 이 둑을 흐르는 물을 전기 에너지라고 비유하겠습니다. 그럼 1N4004라는 다이오드 둑을 물이라는 전기 에너지가 넘기 위해서는 최소한 1N4004 다이오드 둑의 순방향 다이오드 전압이라는 수위를 넘어야만 물이 흐를 수 있음을 알 수 있습니다.

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한편 그림에서는 1N4004 다이오드 둑으로 들어오는 물의 높이가 5V이기 때문에 충분히 1N4004 다이오드 둑을 넘어서 아래로 흐를 수 있습니다. 다만, 1N4004 다이오드 둑을 넘어서면서 고인 1V의 수위로 인하여 둑 아래의 수위는 4V가 되게 됩니다. 이때 최대로 흐를 수 있는 물의 양은 1A가 됩니다.

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한편 1N4004 다이오드 둑 아래에서 거꾸로 둑 위로 물이 흐르려면 400V가 넘는 수위의 물이 둑 아래래서 들어와야 합니다. 이를 바로 역방향 다이오드 전압이라고 합니다. 만약 400V가 넘는 물이 둑 아래에서 위로 올라오려 한다면, 1N4004 다이오드 둑은 무너지게 됩니다. 둑이 무너졌다는 얘기를 쉽게 바꿔서 말하면, 다이오드가 고장나 다이오드로써의 역할을 하지 못한다는 뜻이 됩니다.

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한편 다이오드는 역방향 과전압, 순방향 과전류 등의 전기적인 충격에 의해 손상될 경우 내부에서 단락(Short Circuit)이 발생되니, 이러한 특성에 대해 이해하여 실무 설계가 필요합니다. 그럼 이와 같은 범용 다이오드를 어떻게 실무에서 설계하는지 알아보겠습니다.

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범용 다이오드는 순방향으로 전기 에너지를 흘려주기 위해서 반드시 문턱 전압 이상이 공급되어야 합니다. 예를 들어본 1N4004 범용 다이오드는 1V의 VF 전압을 갖고 있으므로, 입력 전압은 VF 전압 이상이 되어야함은 필수적입니다. 따라서 다이오드를 설계하고자 하는 위치에서 다이오드로 입력되는 전압이 몇 V인지 반드시 확인하여야 합니다.

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다음으로 범용 다이오드가 위치한 회로의 회로구성(토폴로지)을 검토하여야 합니다. 고속 스위칭 정류가 필요한 부분이라면, 다소 높은 역회복 시간을 갖는 범용 다이오드는 설계를 피해야 합니다. 이때는 역회복 시간이 짧은 쇼트키 다이오드를 검토해보는 것을 추천드리겠습니다.

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범용 다이오드는 다른 종류의 다이오드 보다 순방향 다이오드 전압 VF가 높고, 역방향 다이오드 전압 VR이 높으며, 동작에 따른 누설 전류가 작고, 역회복 시간이 긴 특성이 있습니다. 이러한 범용 다이오드의 특성을 고려하여 실무 회로설계에 반영하여야 합니다. 기타 범용 다이오드가 설계되는 부분은 너무도 많기 때문에 특정하여 언급하지는 않도록 하겠습니다.

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2. 쇼트키(Schottky) 다이오드 설계 방법

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쇼트키 다이오드는 N형 반도체에 P형 반도체 대신에 금속을 사용하여 P형 반도체의 특성을 발휘하도록 하여 이를 접합한 다이오드를 쇼트키 다이오드라고 합니다. 쇼트키 다이오드는 범용 다이오드에 비해 낮은 순방향 다이오드 전압 VF를 갖으며, 다이오드가 순방향 동작과 역방향 동작의 바이어스 전환 시 역회복 시간이 매우 짧은 특징이 있습니다. 이러한 특성으로 인하여 쇼트키 다이오드는 대전류, 고속 정류 회로 등에 많이 사용됩니다.

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한편 쇼트키 다이오드는 이러한 장점으로 인하여 따라오는 단점이 있는데 바로 동작 시 누설전류가 높다는 것과 역방향 다이오드 전압이 낮다는 점이 꼽힙니다. 따라서 정류 회로에 적용 시 저전압에 한하여 쇼트키 다이오드를 적용합니다.

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이해를 돕기 위해 쇼트키 다이오드 중 Diodes사의 B160-13-F를 예를 들어서 설명하도록 하겠습니다. B160-13-F 쇼트키 다이오드는 순방향 다이오드 전압이 0.7V, 순방향 다이오드 전류가 1A이며, 역방향 다이오드 최대 전압이 60V인 다이오드입니다. 이런 다이오드를 그림으로 표현하면 다음과 같이 표현이 가능할 것 같습니다.

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위의 그림에 대한 설명은 범용 다이오드와 유사하기 때문에 별도의 추가적인 언급은 하지 않도록 하겠습니다. 범용 다이오드의 설명을 이해하셨다면, 위에 제시한 쇼트키 다이오드를 모식화한 이 그림도 충분히 이해하실 수 있으리라 생각됩니다.

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앞서 소개했던 범용 다이오드인 1N4004보다 쇼트키 다이오드인 B160-13-F는 눈에 띄는 것이 바로 역방향 다이오드 전압이 매우 낮아진 것을 확인할 수 있습니다. 또한 동일한 순방향 다이오드 전류 IF는 동일하게 1A이지만, 이때의 순방향 다이오드 전압 VF는 범용 다이오드 1N4004에 비해 0.7V로 약 30% 낮은 것을 알 수 있습니다. 이러한 차이가 바로 쇼트키 다이오드와 범용 다이오드의 차이점이라 할 수 있습니다.

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순방향 다이오드 전압 VF가 낮을 경우 이에 의한 다이오드 소모 전력이 낮아지게 되므로, 전체적인 전력 효율이 상승하게 됩니다. 만약 효율을 극대화하기 원한다면, VF가 낮은 쇼트키 다이오드를 적절하게 선택한다면, 범용 다이오드 적용 시 보다 효율을 상승시킬 수 있습니다. 또한 역회복 시간이 매우 짧은 특성을 갖고 있으므로, 이에 대한 스위칭 손실도 범용 다이오드 대비 아주 작은 특징을 갖습니다.

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다만, 역방향 다이오드 전압 VR이 상대적으로 매우 낮기 때문에 실무 회로설계 시 회로구성(토폴로지)을 고려하지 않고 쇼트키 다이오드만을 설계한다면, 역바이어스된 시점에서 쇼트키 다이오드가 소손되는 문제가 발생할 수 있으므로 주의하여야 합니다. 기타 쇼트키 다이오드가 설계되는 부분은 너무도 많고 특히 범용 다이오드를 때에 따라서 대체하여 설계하기 때문에 특정하여 언급하지는 않도록 하겠습니다.

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3. 제너(Zener) 다이오드 설계 방법

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제너 다이오드는 순방향 동작으로 사용되는 경우보다 역방향 동작으로 사용되는 경우가 매우 많습니다.

이는 제너 다이오드가 갖고 있는 고유의 특성 때문인데요. 제너 다이오드의 특성을 모식화하여 아래의 그림과 같이 나타내었습니다. 예를 들어 설명한 제너 다이오드는 Vishay Semiconductors사의 MMSZ4704-E3-08입니다.

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위의 그림을 보면 너무나 직관적으로 알 수 있듯이 예로 들은 MMSZ4704-E3-08 제너 다이오드는 순방향 다이오드 전압 VF는 데이터시트 상의 내용에 근거하여 그림에 나타내 순방향 제너 다이오드 전류 IF가 10mA일 때 최대 VF가 0.9V임을 알 수 있습니다.

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다만 앞서 서두에 말씀드렸듯이 제너 다이오드를 실무 회로설계 시 거의 99.9% 순방향 다이오드로서 사용하지 않습니다. 따라서 위의 그림에 나타낸 순방향 다이오드 전압 VF는 사실상 큰 의미가 있는 것은 아닙니다.

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이제 제너 다이오드의 가장 중요한 설계 중점이라고 할 수 있는 제너 전압 VZ에 대해서 설명을 드리도록 하겠습니다. 제너 전압 VZ는 제너 다이오드를 역방향으로 사용할 때, 그림에 나타낸 역방향 다이오드 전압이라고 나타낸 VR과 사실상 동일한 전압이라고 생각하면 쉽습니다. 다만 제너 다이오드는 제너 전압 VZ 이상의 전압이 역방향으로 바이어스 되면, 제너 다이오드만이 갖고 있는 특징인 역방향 다이오드 전압이라는 둑에 있는 차단막이 열리게 됩니다.

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이렇게 열리게된 제너 다이오드라는 둑의 차단막은 위로 올라가면서 더이상의 물이 역방향으로 공급되지는 않고 딱 차단막이 열어둔 높이까지만 물이 공급되게 되는 원리(?)라고 이해하시면 될 것 같습니다. 즉 예로 들은 MMSZ4704-E3-08 제너 다이오드의 역방향 다이오드 입력 전압이 현재 20V이므로 제너 전압 VZ가 17V인 MMSZ4704-E3-08 제너 다이오드는 17V의 전압을 제너 다이오드의 역방향으로 출력해주는 것입니다. 이와 같은 사항은 데이터시트에서도 찾아볼 수 있습니다.

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한편, 이렇게 제너 다이오드에 역방향으로 제너 전압 VZ 이상이 바이어스될 때 제너 전압에서 흐를 수 있는 최대의 전류 IZ는 데이터시트에서 확인할 수 있듯이 0.05mA임을 알 수 있습니다. 따라서 제너 다이오드에 역방향으로 바이어스할 때에는 반드시 전류제한 저항을 적절하게 설계해줘야 제너 다이오드의 소손을 방지할 수 있습니다. 전류제한 저항의 설계는 다음과 같은 수식으로 설계할 수 있습니다.

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따라서 위의 예로 언급한 제너 다이오드를 설계한다면 RZ는 VCC가 20VDC인 조건에서 60kΩ 이상의 값으로 선정하는 것이 바람직합니다.

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4. 실무 회로에서 다이오드의 설계 참고

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실무에서 다이오드는 아래에 나타낸 회로들에서와 같이 주로 적용되어 사용됩니다. 아래에 나타낸 회로들에 간략한 설명을 통하여 포스팅을 읽고계신 여러분들에게 왜 저 위치에 다이오드가 설계되어 자리하고 있는지 설명을 드리도록 하겠습니다.

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· 범용 다이오드 설계 예시 1 - 단상 정류 다이오드

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· 범용 다이오드 설계 예시 2 - 3상 정류 다이오드

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· 범용 다이오드 설계 예시 3 - 전압 ORing 다이오드

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· 범용 다이오드 설계 예시 4 - 역극성 연결 방지 회로보호 다이오드

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· 쇼트키 다이오드 설계 예시 1 - 부저 환류 다이오드(유도성 부하 환류 다이오드)

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· 쇼트키 다이오드 설계 예시 2 - 릴레이 코일 환류 다이오드(유도성 부하 환류 다이오드)

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· 쇼트키 다이오드 설계 예시 3 - 스위칭 레귤레이터 환류 다이오드(스위칭 에너지 환류 다이오드)

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· 제너 다이오드 설계 예시 1 - 과전압 출력 방지용 By-Pass 다이오드(Voltage Clamping)

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· 제너 다이오드 설계 예시 2 - 게이트 입력 전압신호 과도현상 방지 다이오드(Voltage Clamping)

 

 

[출처] m.blog.naver.com/ansdbtls4067/221340959659

실무 회로설계에서 다이오드 설계법