USB 포트 먹통의 원인이 GND 단락일 때, 커넥터 옆 TVS 다이오드부터

USB 포트에 기기를 꽂아도 인식이 안 되거나, 특정 포트 라인을 측정했더니 GND와 붙어 있는 경우가 있습니다. 전원 라인이라면 보드가 아예 켜지지 않거나 어댑터를 꽂는 순간 전류가 크게 흐르고 보호 회로가 동작하기도 합니다. 이런 증상에서 자주 의심해 볼 부품이 커넥터 근처에 붙은 TVS(Transient Voltage Suppressor) 다이오드와 ESD 보호 다이오드입니다. 이 글에서는 TVS 다이오드가 회로에서 하는 일, 단락됐을 때 나타나는 증상, 그리고 멀티미터로 불량을 좁혀 가는 순서를 정리합니다.

이 글에는 직접 만든 그래프 두 개를 함께 넣었습니다. 하나는 USB D+ 라인에 정전기가 들어올 때 커넥터 옆 TVS가 있을 때와 없을 때 뒤쪽 IC 핀이 받는 전압과 전류를 ngspice로 시뮬레이션한 결과이고, 다른 하나는 TVS가 완전히 붙지 않고 저항처럼 새는 상태일 때 누설 저항 값에 따라 VBUS 전압과 USB 연결 감지 전압이 어떻게 달라지는지를 직접 계산한 결과입니다. 가정한 조건은 각 그래프 설명에 모두 적었습니다.

TVS 다이오드는 회로에서 무슨 일을 하나

TVS 다이오드는 정전기(ESD)나 서지처럼 순간적으로 들어오는 과전압을 GND 쪽으로 흘려보내 뒤쪽 IC를 보호하는 부품입니다. 보통 외부 커넥터 핀과 GND 사이에 병렬로 연결되며, 정상 동작 전압에서는 거의 전류를 흘리지 않다가 전압이 항복 전압을 넘으면 도통해 전압을 눌러 줍니다. 눌러 주는 전압(클램핑 전압)은 고정된 값이 아니라 흐르는 전류가 클수록 부품의 동적 저항만큼 올라갑니다.

노트북·PC 보드에서는 USB, HDMI, 오디오 잭, 이더넷 같은 외부 포트 가까이에 ESD 보호용 어레이 칩이 붙어 있는 경우가 있고, 어댑터 입력단에도 서지 보호용 TVS가 들어가는 설계가 있습니다. 한 패키지에 여러 채널이 들어 있는 어레이 형태도 있기 때문에, 부품 하나가 여러 신호 라인에 걸쳐 있을 수 있다는 점을 기억해 두면 좋습니다.

• 단방향(Unidirectional): 한쪽으로는 일반 다이오드처럼 순방향 도통하고, 반대쪽은 항복 전압까지 차단합니다. 주로 DC 전원 라인에 쓰입니다.
• 양방향(Bidirectional): 양쪽 모두 항복 전압까지 차단합니다. 신호가 양·음으로 흔들리는 라인에 쓰입니다.
• ESD 어레이: 여러 데이터 라인을 한 칩에서 보호하도록 만든 제품으로, VBUS나 전원 핀이 함께 있는 구조도 있습니다.

직접 시뮬레이션: USB D+에 정전기가 들어올 때 TVS와 IC가 나눠 받는 전류

TVS가 왜 커넥터 바로 옆에 붙어 있고, 포트가 망가졌을 때 왜 TVS부터 보는지를 확인하려고 USB D+ 라인에 정전기가 들어오는 상황을 ngspice로 직접 시뮬레이션했습니다. 정전기는 IEC 61000-4-2의 접촉 방전 조건(150pF 커패시터를 330Ω으로 방전)을 썼고, TVS는 USB용 ESD 보호 어레이인 TI TPD4S012의 D+ 핀 데이터시트 값을 넣었습니다.

가정은 다음과 같습니다. 방전 회로는 150pF·330Ω 표준 네트워크에 첫 피크를 만드는 작은 가지(2pF·300Ω)와 방전 끝의 인덕턴스 150nH를 더한 모델입니다. 2Ω 교정 부하에 방전했을 때 4kV에서 첫 피크 15.5A, 30ns 뒤 6.7A, 60ns 뒤 3.6A가 나와 규격 표의 값(15A±15%, 8A±30%, 4A±30%) 안에 들어오는 것을 먼저 확인했습니다(8kV는 31.1A, 13.4A, 7.3A로 규격 30A, 16A, 8A의 허용 범위 안). TVS는 TPD4S012 데이터시트(TI SLVS928B)의 D+ 핀 항복 전압 최소 6V·최대 9V(1mA 기준), 양(+) 방전 때 동적 저항 1.2Ω, 정전 용량 0.8pF를 다이오드 하나로 넣었고, 항복 전압은 최소와 최대 두 경우로 나눠 돌렸습니다. TVS에서 IC 핀까지의 패턴은 10nH·0.1Ω(약 1cm로 가정)으로 두었습니다. IC 핀 안쪽의 보호 회로는 8V에서 도통하고 3Ω 저항을 갖는 다이오드로 넣었는데, 특정 IC의 값이 아니라 비교를 위해 정한 값입니다.

조건 (양(+) 접촉 방전)	IC 핀 최고 전압	IC 최대 전류	TVS 최대 전류	IC가 받은 에너지	TVS가 받은 에너지
4kV, TVS 없음	54.0V	15.3A	–	16.3µJ	–
4kV, TVS(항복 6V)	15.9V	2.6A	14.2A	1.3µJ	6.0µJ
4kV, TVS(항복 9V)	17.9V	3.2A	13.9A	2.8µJ	5.8µJ
8kV, TVS 없음	99.9V	30.5A	–	55.3µJ	–
8kV, TVS(항복 6V)	24.9V	5.6A	28.4A	4.7µJ	16.8µJ
8kV, TVS(항복 9V)	26.9V	6.2A	28.1A	7.0µJ	17.1µJ

직접 시뮬레이션 결과, 8kV 접촉 방전에서 TVS가 없으면 IC 핀 전압이 99.9V까지 올랐고 방전 전류 30.5A가 모두 IC 안쪽 보호 회로로 흘렀습니다. 커넥터 옆에 TVS(항복 6V)가 있으면 IC 핀 최고 전압은 24.9V, IC 전류는 5.6A로 줄고 TVS가 28.4A를 받았습니다. 항복 전압이 데이터시트 최대인 9V인 경우에도 IC 전류는 6.2A였습니다. 방전 한 번에 IC가 흡수한 에너지는 TVS가 없을 때보다 11.8배(항복 9V면 7.9배) 작았고, 방전 전하의 78.6%(항복 9V면 68.2%)를 TVS가 받았습니다. 참고로 IC 데이터시트의 HBM 정전기 등급이 2kV라면 그 시험에서 흐르는 최대 전류는 2000V÷1500Ω = 1.33A입니다(직접 계산, JEDEC JS-001의 100pF·1.5kΩ 모델). 시험 파형이 달라 그대로 비교할 수는 없지만, TVS 없이 IC가 받는 30.5A와는 크기 차이가 큽니다.

이 결과를 진단에 쓰는 방법은 다음과 같습니다.

• 포트 하나만 GND와 붙어 있으면 커넥터 옆 보호 부품부터 봅니다. 위 결과처럼 TVS는 커넥터로 들어온 방전 전류를 가장 앞에서 받는 자리입니다. TPD4S012의 데이터시트 정격은 D+ 핀 IEC 접촉 방전 ±10kV, 8/20µs 서지 3A이므로 8kV 한 번은 정격 안이지만, 정격을 넘는 방전이나 반복된 충격, 더 긴 서지가 들어오면 TVS가 먼저 손상되고, 그때 단락 쪽으로 고장 나면 라인이 GND에 붙습니다.
• TVS가 단락됐다면 IC도 함께 의심합니다. TVS가 정상으로 동작한 이 시뮬레이션에서도 IC 쪽으로 5.6~6.2A가 흘렀습니다. TVS를 망가뜨릴 만한 충격이었다면 IC에도 일부가 갔을 수 있으니, 아래 교체 항목처럼 TVS를 바꾼 뒤 IC 쪽 라인도 같은 방법으로 비교합니다.
• TVS를 떼어 낸 상태는 왼쪽 그래프의 빨간 선입니다. 동작 확인용으로 잠시 떼어 볼 수는 있지만, 그 상태에서 정전기가 들어오면 IC가 방전 전류를 혼자 받습니다. 아래 FAQ의 답이 같은 이유입니다.
• 대체품은 항복·클램핑 전압이 비슷한 것으로 고릅니다. 같은 회로에서 항복 전압만 6V에서 9V로 바꿔도 IC 핀 최고 전압이 24.9V에서 26.9V로, IC가 받은 에너지가 4.7µJ에서 7.0µJ로 늘었습니다. 아래 교체 표의 ‘항복·클램핑 전압’ 항목을 숫자로 본 것입니다.

실제 정전기는 커넥터 외함과 GND 경로, 케이블을 통해 나뉘어 흐르고, TVS 내부 구조와 패키지 인덕턴스, IC 내부 보호 회로는 이 단순한 모델과 다릅니다. 음(−) 방전과 공기 방전은 다루지 않았습니다. 수치는 TVS가 있고 없음, 항복 전압 차이에 따라 IC가 받는 몫이 어떻게 달라지는지 비교하는 용도로 보시기 바랍니다. 시뮬레이션에 쓴 넷리스트는 아래와 같습니다.

* IEC 61000-4-2 contact discharge (+4 kV, +8 kV) into a USB D+ pin: no TVS vs TI TPD4S012 D+ clamp at the connector
* generator: standard 150 pF / 330 ohm network (C1/R1) + small spike branch (C2 2 pF, R2 300 ohm, L2 2 nH) + tip inductance 150 nH.
*   spike branch and tip inductance were tuned so the 2 ohm calibration target (copies CAL4/CAL8) lands inside the IEC table
*   (4 kV: first peak 15 A +-15 %, 8 A +-30 % at 30 ns, 4 A +-30 % at 60 ns; 8 kV: 30 A, 16 A, 8 A).
* TVS: TPD4S012 D+ pin (TI SLVS928B): VBR 6 V min / 9 V max at 1 mA, RDYN 1.2 ohm (positive ESD), C_IO 0.8 pF typ.
*   modelled as one diode (cathode at the line, anode at GND) with BV = 6 V (copies A) or 9 V (copies B), IBV = 1 mA, RS = 1.2 ohm.
* trace from TVS to the IC pin: 10 nH + 0.1 ohm (assumed, about 1 cm).
* IC pin (assumed): on-chip ESD clamp as a diode with BV 8 V at 1 mA, RS 3 ohm, 2 pF. Not a model of any specific IC.
* power in TVS and IC is integrated (B sources) to get the energy each one absorbs per strike.
.model DTVS6 D(IS=1e-12 N=1 BV=6 IBV=1m RS=1.2 CJO=0.8p)
.model DTVS9 D(IS=1e-12 N=1 BV=9 IBV=1m RS=1.2 CJO=0.8p)
.model DIC D(IS=1e-12 N=1 BV=8 IBV=1m RS=3 CJO=2p)

* --- CAL4: 4 kV, cal
C1CAL4 g1CAL4 0 150p IC=4000
R1CAL4 g1CAL4 tCAL4 330
C2CAL4 g2CAL4 0 2p IC=4000
R2CAL4 g2CAL4 n2CAL4 300
L2CAL4 n2CAL4 tCAL4 2n
LtCAL4 tCAL4 pCAL4 150n
VgCAL4 pCAL4 xCAL4 0
RtCAL4 xCAL4 0 2
* --- CAL8: 8 kV, cal
C1CAL8 g1CAL8 0 150p IC=8000
R1CAL8 g1CAL8 tCAL8 330
C2CAL8 g2CAL8 0 2p IC=8000
R2CAL8 g2CAL8 n2CAL8 300
L2CAL8 n2CAL8 tCAL8 2n
LtCAL8 tCAL8 pCAL8 150n
VgCAL8 pCAL8 xCAL8 0
RtCAL8 xCAL8 0 2
* --- N4: 4 kV, none
C1N4 g1N4 0 150p IC=4000
R1N4 g1N4 tN4 330
C2N4 g2N4 0 2p IC=4000
R2N4 g2N4 n2N4 300
L2N4 n2N4 tN4 2n
LtN4 tN4 pN4 150n
VgN4 pN4 qN4 0
LtrN4 qN4 rN4 10n
RtrN4 rN4 cN4 0.1
VcN4 cN4 dN4 0
DcN4 0 dN4 DIC
BpcN4 pcN4 0 V=v(dN4)*i(VcN4)
RpcN4 pcN4 0 1G
* --- N8: 8 kV, none
C1N8 g1N8 0 150p IC=8000
R1N8 g1N8 tN8 330
C2N8 g2N8 0 2p IC=8000
R2N8 g2N8 n2N8 300
L2N8 n2N8 tN8 2n
LtN8 tN8 pN8 150n
VgN8 pN8 qN8 0
LtrN8 qN8 rN8 10n
RtrN8 rN8 cN8 0.1
VcN8 cN8 dN8 0
DcN8 0 dN8 DIC
BpcN8 pcN8 0 V=v(dN8)*i(VcN8)
RpcN8 pcN8 0 1G
* --- A4: 4 kV, tvs6
C1A4 g1A4 0 150p IC=4000
R1A4 g1A4 tA4 330
C2A4 g2A4 0 2p IC=4000
R2A4 g2A4 n2A4 300
L2A4 n2A4 tA4 2n
LtA4 tA4 pA4 150n
VgA4 pA4 qA4 0
VtA4 qA4 kA4 0
DtA4 0 kA4 DTVS6
BptA4 ptA4 0 V=v(kA4)*i(VtA4)
RptA4 ptA4 0 1G
LtrA4 qA4 rA4 10n
RtrA4 rA4 cA4 0.1
VcA4 cA4 dA4 0
DcA4 0 dA4 DIC
BpcA4 pcA4 0 V=v(dA4)*i(VcA4)
RpcA4 pcA4 0 1G
* --- A8: 8 kV, tvs6
C1A8 g1A8 0 150p IC=8000
R1A8 g1A8 tA8 330
C2A8 g2A8 0 2p IC=8000
R2A8 g2A8 n2A8 300
L2A8 n2A8 tA8 2n
LtA8 tA8 pA8 150n
VgA8 pA8 qA8 0
VtA8 qA8 kA8 0
DtA8 0 kA8 DTVS6
BptA8 ptA8 0 V=v(kA8)*i(VtA8)
RptA8 ptA8 0 1G
LtrA8 qA8 rA8 10n
RtrA8 rA8 cA8 0.1
VcA8 cA8 dA8 0
DcA8 0 dA8 DIC
BpcA8 pcA8 0 V=v(dA8)*i(VcA8)
RpcA8 pcA8 0 1G
* --- B4: 4 kV, tvs9
C1B4 g1B4 0 150p IC=4000
R1B4 g1B4 tB4 330
C2B4 g2B4 0 2p IC=4000
R2B4 g2B4 n2B4 300
L2B4 n2B4 tB4 2n
LtB4 tB4 pB4 150n
VgB4 pB4 qB4 0
VtB4 qB4 kB4 0
DtB4 0 kB4 DTVS9
BptB4 ptB4 0 V=v(kB4)*i(VtB4)
RptB4 ptB4 0 1G
LtrB4 qB4 rB4 10n
RtrB4 rB4 cB4 0.1
VcB4 cB4 dB4 0
DcB4 0 dB4 DIC
BpcB4 pcB4 0 V=v(dB4)*i(VcB4)
RpcB4 pcB4 0 1G
* --- B8: 8 kV, tvs9
C1B8 g1B8 0 150p IC=8000
R1B8 g1B8 tB8 330
C2B8 g2B8 0 2p IC=8000
R2B8 g2B8 n2B8 300
L2B8 n2B8 tB8 2n
LtB8 tB8 pB8 150n
VgB8 pB8 qB8 0
VtB8 qB8 kB8 0
DtB8 0 kB8 DTVS9
BptB8 ptB8 0 V=v(kB8)*i(VtB8)
RptB8 ptB8 0 1G
LtrB8 qB8 rB8 10n
RtrB8 rB8 cB8 0.1
VcB8 cB8 dB8 0
DcB8 0 dB8 DIC
BpcB8 pcB8 0 V=v(dB8)*i(VcB8)
RpcB8 pcB8 0 1G
.tran 5p 200n 0 5p UIC
.meas tran cal4_ipk MAX i(VgCAL4) FROM=0 TO=5n
.meas tran cal4_i30 FIND i(VgCAL4) AT=30n
.meas tran cal4_i60 FIND i(VgCAL4) AT=60n
.meas tran cal8_ipk MAX i(VgCAL8) FROM=0 TO=5n
.meas tran cal8_i30 FIND i(VgCAL8) AT=30n
.meas tran cal8_i60 FIND i(VgCAL8) AT=60n
.meas tran n4_ig MAX i(VgN4)
.meas tran n4_vpin MAX v(qN4)
.meas tran n4_vic MAX v(dN4)
.meas tran n4_iic MAX i(VcN4)
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.meas tran n4_vic30 FIND v(dN4) AT=30n
.meas tran n4_qic INTEG i(VcN4) FROM=0 TO=200n
.meas tran n8_ig MAX i(VgN8)
.meas tran n8_vpin MAX v(qN8)
.meas tran n8_vic MAX v(dN8)
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.meas tran a4_ig MAX i(VgA4)
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.meas tran a4_itvs MAX i(VtA4)
.meas tran a4_etvs INTEG v(ptA4) FROM=0 TO=200n
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.meas tran b4_ig MAX i(VgB4)
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.meas tran b8_qic INTEG i(VcB8) FROM=0 TO=200n

TVS 다이오드가 단락되면 나타나는 증상

TVS 다이오드는 자기 한계를 넘는 에너지를 받으면 내부가 녹아 붙으면서 단락 상태로 고장 나는 경우가 있습니다. 이때 부품이 연결된 라인은 GND와 사실상 이어져 버립니다. 어느 라인에 붙어 있느냐에 따라 증상이 다르게 보입니다.

• 데이터 라인(USB D+/D−, HDMI 등): 해당 포트만 인식 불량, 다른 포트는 정상.
• 전원 라인(어댑터 입력, VBUS 등): 보드 무감, 어댑터 보호 동작, 벤치 파워에서 전류 제한에 바로 걸림.
• 부분 누설: 완전 단락은 아니지만 같은 라인끼리 비교했을 때 대지 저항이 유독 낮고, 누설 저항에 따라 통전 시 부품이 따뜻해지거나 포트 인식이 오락가락함(아래 직접 계산).

주의할 점은 같은 증상이 TVS만의 문제는 아니라는 것입니다. 같은 라인에 붙은 MLCC, 뒤쪽 컨트롤러 IC가 단락돼도 측정값이 비슷하게 0Ω 근처로 나올 수 있습니다. 그래서 측정 한 번으로 결론을 내리기보다는 부품을 하나씩 분리해 가며 범위를 좁히는 방식이 필요합니다.

직접 계산: 같은 TVS 불량이라도 누설 저항에 따라 증상이 갈리는 이유

TVS는 완전히 0Ω 근처로 붙어 버리기도 하지만, 수 Ω에서 수백 Ω 정도의 저항처럼 새는 상태로 남기도 합니다. 같은 TVS 불량이라도 이 저항 값에 따라 포트가 완전히 죽기도 하고 겉으로는 멀쩡해 보이기도 합니다. 5V VBUS와 D+ 라인에 누설 저항이 생겼을 때 포트에서 어떤 일이 생기는지 직접 계산했습니다.

가정은 다음과 같습니다. VBUS 쪽은 포트 전원 5.0V, 전원에서 커넥터까지의 경로 저항 0.15Ω(전류 제한 스위치, 패턴, 커넥터를 합친 값), 포트 전류 제한 1.0A(넘으면 1.0A로 묶인다고 단순화), 꽂은 기기는 0.5A를 쓰는 정전류 부하로 두었습니다. 0.5A는 USB 2.0 규격의 고전력 기기 최대 전류이고, 나머지는 계산을 위해 정한 값입니다. 기기가 동작하는 기준으로는 USB 2.0 규격의 저전력 포트 최저 전압 4.40V를 그었습니다. D+ 쪽은 USB 2.0 규격의 기기 쪽 풀업 1.5kΩ(3.3V), 호스트 쪽 풀다운 15kΩ, 연결 감지 문턱 VIH 2.0V를 썼고, 규격 허용 범위 끝인 풀업 전원 3.0V·풀업 1.575kΩ·풀다운 14.25kΩ 조합도 함께 계산했습니다. 멀티미터 다이오드 모드는 시험 전류 1mA로 가정했습니다(측정기마다 다릅니다).

VBUS–GND 누설 저항	아무것도 안 꽂았을 때 VBUS · 전류	TVS 소비 전력	0.5A 기기를 꽂았을 때 VBUS	다이오드 모드 표시(1mA 가정)
0.5Ω	0.5V · 1A (전류 제한)	0.5W	0.25V	0.5mV
5Ω	4.854V · 0.9709A	4.713W	2.5V	5mV
50Ω	4.985V · 0.0997A	0.497W	4.91V	50mV
500Ω	4.999V · 0.01A	0.05W	4.924V	0.500V

계산 결과를 증상과 진단에 연결하면 다음과 같습니다.

• 0.5Ω 정도로 붙으면 포트가 죽은 것처럼 보입니다. 아무것도 꽂지 않아도 전류 제한에 걸려 VBUS가 0.5V에 머뭅니다. 이 가정에서 기기 없이 전류 제한에 걸리는 경계는 4.85Ω입니다. 한 포트만 전원이 나오지 않고 다른 포트는 정상인 증상과 맞습니다. 전류 제한 스위치 대신 폴리퓨즈가 들어간 포트라면 퓨즈가 트립해 같은 증상이 나니, 폴리퓨즈(PPTC) 트립을 구분하는 글과 함께 봅니다.
• 5Ω 근처면 ‘전압은 나오는데 꽂으면 안 되는’ 포트가 됩니다. 아무것도 안 꽂으면 VBUS가 4.854V로 정상처럼 재지지만, 0.5A 기기를 꽂으면 합친 전류가 제한을 넘어 2.5V로 떨어집니다. 이 가정에서는 누설이 9.7Ω 아래면 이렇게 됩니다. 이때 TVS 소비 전력은 4.713W로 작은 칩 패키지가 계속 버틸 수 있는 값이 아니어서, 이 상태로 오래 머물기보다 더 낮은 저항으로 바뀌거나 타 버릴 수 있는 구간입니다.
• 50Ω이면 포트는 동작하지만 TVS가 뜨거워집니다. 기기를 꽂아도 VBUS는 4.91V로 기준 안이지만, TVS에서 0.497W가 열로 나갑니다. TPD4S012 데이터시트의 θJA 461.3°C/W로 단순 계산하면 주변보다 229.3°C 높아지는 값입니다. 통전하면 열화상으로 바로 보일 수준이고 손을 대면 위험하며, 이 상태도 오래 버티기는 어렵습니다.
• 500Ω이면 증상으로는 거의 드러나지 않습니다. VBUS는 4.999V, 누설 전류는 10mA, TVS 발열은 0.05W(같은 θJA로 23.1°C 상승)입니다. 이 정도는 위 2단계처럼 다른 포트의 같은 핀과 저항을 비교해야 보입니다.
• D+는 수 kΩ 누설만으로도 인식이 흔들립니다. 기기를 꽂으면 D+가 풀업으로 올라가고 호스트는 이 전압이 VIH 2.0V를 넘는지로 연결을 감지합니다. 누설이 500Ω이면 D+가 0.805V에 머물러 연결 자체를 감지하지 못하고, 공칭 값으로 2.7kΩ, 규격 끝 값 조합으로 4.0kΩ 아래부터 문턱 밑으로 내려갑니다. 그 사이에서는 전원 전압이나 부품 편차에 따라 인식됐다 안 됐다 할 수 있습니다. 5kΩ에서도 규격 끝 값 조합이면 2.104V로 문턱 바로 위입니다. VBUS였다면 증상이 거의 없었을 몇 kΩ 누설이 데이터 라인에서는 인식 불량이 되는 셈입니다.
• 다이오드 모드에서 0.5V가 양쪽으로 똑같이 나오면 누설을 의심합니다. 1mA 시험 전류라면 500Ω 누설은 0.500V로 표시되어 정상 다이오드의 순방향 값처럼 보입니다(TPD4S012 데이터시트의 순방향 전압은 8mA에서 0.6~0.95V). 정상인 단방향 TVS는 반대 방향에서 OL에 가깝게 나오므로, 프로브를 바꿔도 같은 값이면 저항성 누설입니다. 5Ω 이하는 5mV 이하로 사실상 0으로 보입니다.
• 위치를 좁히는 방법은 따로 다뤘습니다. 의심 TVS의 한쪽 다리를 띄워 라인 저항이 돌아오는지 보는 것이 결론을 내리는 방법이고, 같은 넷에 부품이 여럿이라 후보를 좁혀야 하면 전류 제한을 건 저전압을 넣어 발열 부품을 찾거나(전압 주입으로 쇼트 위치 찾는 글) 정전류를 흘리면서 부품마다 mV를 비교합니다(탄탈 커패시터 단락을 mV로 찾는 글). 0.5Ω급 단락은 같은 전류에서 발열이 작아 열로 찾기 어려울 수 있습니다.

실제 포트는 전류 제한 방식(정전류로 묶기, 끊었다 다시 붙기, 폴리퓨즈)과 기준 전류가 제품마다 다르고, 기기도 정전류 부하가 아니며, 망가진 TVS의 누설은 전압과 온도에 따라 변하는 비선형입니다. 위 수치는 누설 저항의 크기에 따라 증상이 어떻게 갈리는지 비교하는 용도로 보시기 바랍니다.

측정 전 안전 수칙

• 측정은 반드시 어댑터와 배터리를 모두 분리한 상태에서 합니다. 노트북 배터리 커넥터를 먼저 뽑고 작업하세요.
• 전원 입력단의 대용량 커패시터에 전압이 남아 있을 수 있으니, 저항 측정 전에 전압 모드로 0V 근처인지 확인합니다.
• 리튬 배터리 팩 주변에서 금속 핀셋이나 프로브가 단자를 동시에 건드리지 않도록 주의합니다. 배터리 단락은 발열·화재로 이어질 수 있습니다.
• TV나 모니터 전원 보드처럼 AC 입력이 있는 가전 보드는 1차측 평활 커패시터에 고전압이 남아 있을 수 있으므로 방전을 확인하기 전에는 손대지 않습니다.

멀티미터로 TVS 불량을 좁혀 가는 순서

1단계, 의심 라인의 대지 저항 측정. 전원을 분리한 뒤 문제가 되는 핀과 GND 사이를 저항 모드와 다이오드 모드로 측정합니다. 프로브 방향을 바꿔 양방향 모두 확인합니다. 양쪽 모두 0Ω 근처로 나오면 라인이 GND에 단락된 상태입니다.

2단계, 비교 기준 만들기. 실장 상태의 측정값은 주변 회로 영향이 섞이기 때문에 숫자 하나만 보고 판단하기 어렵습니다. 같은 보드의 다른 USB 포트 같은 핀, D+와 D−처럼 짝이 되는 라인, 가능하다면 정상 보드의 같은 지점과 비교합니다. 짝 라인보다 눈에 띄게 낮으면 누설을 의심할 수 있습니다.

3단계, 라인 위 부품 파악. 보드뷰나 회로도로 해당 넷에 어떤 부품이 붙어 있는지 확인합니다. 보통 커넥터 가까이의 TVS·ESD 어레이, 필터용 커패시터나 공통 모드 초크, 그리고 뒤쪽 IC가 후보가 됩니다. 커넥터와 가장 가까운 보호 부품이 외부 충격을 먼저 받는 위치라서 먼저 확인해 볼 만합니다.

4단계, 분리해서 재측정. 결론을 내리는 방법은 TVS를 탈거하거나 한쪽 패드만 들어 올린 뒤 라인을 다시 재는 것입니다. 부품을 뺀 뒤 라인의 단락이 풀리면 TVS가 원인이고, 여전히 단락이면 다른 부품 쪽을 추적해야 합니다. 탈거한 TVS는 단품으로 다이오드 모드를 재 보면 단락 여부를 더 분명히 확인할 수 있습니다.

단락 위치가 여러 부품 사이 어디인지 알기 어려울 때는 전류를 제한한 저전압을 라인에 넣고 열화상이나 손끝 감각으로 발열 지점을 찾는 전압 주입 방식을 함께 쓰기도 합니다. 이때도 주입 전압은 해당 라인의 정상 동작 전압을 넘지 않게 잡아야 합니다.

교체할 때 확인할 것

교체 부품은 기존 부품의 마킹 코드나 보드뷰·회로도의 부품 번호로 원래 품번을 찾아 같은 제품이나 데이터시트상 규격이 맞는 대체품을 씁니다. 비교할 항목은 다음과 같습니다.

항목	확인 이유
동작 전압(VRWM)	라인의 정상 전압보다 낮으면 평소에도 전류가 흐름
항복·클램핑 전압	너무 높으면 뒤쪽 IC 보호가 약해짐
단방향/양방향	라인 신호 특성과 맞아야 함
정전 용량	고속 데이터 라인에서는 용량이 크면 신호 품질에 영향
패키지·핀 배치	어레이 칩은 핀 배치가 다르면 기능이 달라짐

정전 용량은 숫자로 보면 차이가 큽니다. USB 2.0 고속(480Mbps) 모드는 양쪽 끝의 45Ω 종단으로 신호를 주고받으므로, 라인에 붙은 보호 부품의 정전 용량을 22.5Ω(45Ω 두 개 병렬)으로 충전한다고 단순화해 직접 계산하면, TPD4S012(0.8pF)는 10%에서 90%까지 올라가는 상승 시간이 40ps로 1비트 시간(2.083ns)의 1.9%, TPD2E001(1.5pF)은 74ps(3.6%)입니다. GPIO·오디오용으로 나온 TPD1E10B06(12pF)을 같은 자리에 넣으면 593ps로 1비트의 28.5%가 됩니다(정전 용량은 각 TI 데이터시트의 typ 값). 패키지와 동작 전압이 맞아도 데이터 라인 자리에 용량이 큰 부품을 넣으면 고속 모드에서 인식은 되는데 속도가 떨어지거나 오류가 생길 수 있는 이유입니다.

부품을 구하기 전에 임시로 TVS를 떼어 낸 채 동작을 확인해 보는 경우도 있지만, 이 상태는 보호 기능이 없는 상태입니다. 동작 확인용으로만 쓰고, 정상 부품으로 반드시 다시 채워 넣는 것을 권합니다.

TVS가 단락됐다는 것은 그 라인에 큰 에너지가 들어왔다는 뜻일 수 있습니다. 교체 후에는 뒤쪽 IC도 같은 방식으로 대지 저항을 비교하고, 첫 통전은 벤치 파워의 전류 제한을 걸어 소모 전류를 보면서 진행하는 편이 안전합니다.

자주 묻는 질문

Q. TVS 다이오드를 떼고 써도 되나요?
기기가 동작할 수는 있지만 정전기·서지 보호가 사라진 상태라 뒤쪽 IC가 손상될 위험이 커집니다. 원인 확인용으로만 떼어 보고 같은 규격 부품으로 교체하세요.

Q. 다이오드 모드에서 한쪽만 값이 나오는데 불량인가요?
단방향 TVS라면 일반 다이오드처럼 한쪽 방향만 순방향 값이 나오는 것이 정상일 수 있습니다. 양방향 모두 0 근처일 때 단락을 의심합니다. 양방향 모두 0.5V 안팎의 같은 값이 나오면 다이오드가 아니라 수백 Ω 누설일 수 있습니다(위 직접 계산). 판단이 어려우면 같은 라인끼리 비교하거나 탈거 후 단품으로 측정하세요.

Q. 포트가 됐다 안 됐다 하는데 TVS일 수도 있나요?
그럴 수 있습니다. 위 직접 계산에서 D+에 붙은 TVS가 수 kΩ(2.7~4.0kΩ) 정도로 새면 연결 감지 전압이 문턱 근처에 걸렸고, VBUS 쪽은 누설이 9.7Ω 아래면 기기를 꽂는 순간 전류 제한에 걸렸습니다. 다만 커넥터 접촉 불량이나 케이블 문제로도 같은 증상이 나니, D+·D−와 VBUS의 대지 저항을 다른 포트와 비교해 차이가 있을 때 TVS를 후보로 봅니다.

Q. 포트 인식 불량이면 무조건 TVS 문제인가요?
아닙니다. 커넥터 핀 손상, 퓨즈나 로드 스위치 문제, 컨트롤러 IC 불량, 펌웨어·드라이버 문제도 원인이 될 수 있습니다. 대지 저항 측정에서 라인 단락이 확인될 때 TVS를 우선 후보로 보면 됩니다.

정리

• TVS·ESD 다이오드는 커넥터 라인과 GND 사이에 병렬로 붙어 과전압을 흘려보내는 보호 부품입니다.
• 고장 나면 단락 상태가 되는 경우가 있어 해당 라인이 GND와 이어지고, 포트 인식 불량이나 보드 무감으로 나타날 수 있습니다.
• 측정은 전원을 완전히 분리하고 방전을 확인한 뒤, 같은 라인끼리 비교하며 진행합니다.
• TVS는 정전기 전류를 가장 앞에서 받는 자리라 먼저 손상될 수 있고, 단락된 TVS가 있었다면 뒤쪽 IC도 함께 확인합니다.
• 누설 저항이 낮으면 포트가 죽고, 수 kΩ 누설은 D+에서 인식 불량으로 나타날 수 있으니 같은 핀끼리 저항을 비교합니다.
• 최종 판정은 TVS를 분리한 뒤 라인의 단락이 풀리는지로 확인합니다.
• 교체 시 동작 전압, 방향성, 정전 용량, 패키지를 맞추고 전류 제한 통전으로 마무리합니다.