新人エンジニアのための基板用ESD保護回路設計ガイド

残念ながら、プリント基板はその使用期間中に静電放電(ESD)現象に遭遇することがあります。ESD保護は、物理的環境とのインターフェースとなる回路では特に重要です。このような回路では、外部通信用のコネクタが静電気に対して保護されていなかったり、静電的な保護がされていなかったりして、ESD発生時に部品が故障する可能性があります。

通常、デバイスの動作中に静電気が蓄積され、最終的には大きなESDが発生します。ESD保護を戦略的に回路設計に組み込むことで、繊細な回路の故障を防げるかもしれません。ESD保護回路設計では、まず回路図で作成され、後に基板レイアウトで行われます。この記事では、主なESD保護回路をいくつか紹介し、次の設計にどのように組み込めるかについて説明していきます。

ESD保護回路の設計(回路図)

ESD保護回路を設計する目的は、ESDが重要な部品に影響を与える箇所を特定し、その後、ESD電圧が一定の限界を超えないように、抑制手段や分流回路を追加することです。この目的のために最も広く使用されている、最も単純な手法は、逆バイアスされたダイオードをGNDネットに向けたシャント素子として使用したものです。これは基板のGNDプレーンの場合も、アースシステムであれば筐体の場合もあります。

ESDを抑制したり、またはこれに持ちこたえさせたりするためによく使われている4つの手法は以下の通りです：

1. 過渡電圧サプレッサー(TVS)ダイオード
2. ESDサプレッサー
3. クランピング電圧用逆バイアスダイオード
4. ヒューズまたはリレー

ヒューズやリレーといった素子は基板の外に置かれていることがあり、一般的にパワーシステムに使用されることが多いので、ここでは触れず、代わりに最も一般的で、基板への実装が最も簡単な最初の3つのオプションについて説明します。

TVSダイオードおよびダイオード回路

TVSダイオード保護回路は、非工業的な低電圧環境ではかなり一般的です。電源管理ICやマイクロコントローラに組み込まれている他のESD保護部品と比較して、TVSサージダイオードプロテクターは、より高い電圧抑制効果が得られ、以下の例に示すように、I/OやあらゆるESD源の近くに設置することができます。

電圧クランピングダイオードを備えた代表的な回路を以下に示します。この電圧クランピングダイオードを備えた回路の主な役割は、バッファの入力端子に電圧が蓄積するのを制限することです。これは、ブラウザの差動入力にも適用できます。この回路の動作は非常にシンプルで、通常の状態では、ダイオードD1とD2は逆バイアスになっています。入力電圧が電源レール電圧より大きくなると、ダイオードD1が順方向にバイアスされて導通します。同様に、入力電圧がGNDを下回ると、ダイオードD2は順方向にバイアスされ、GNDから入力に向かって導通します。

上記の回路では、シンプルなダイオードを、逆バイアス破壊電圧の高いもの(ツェナーダイオードなど)や、並列または背中合わせに組み合わせたTVSダイオードと一緒に使用することができます。どのタイプのダイオードを使用するかを決定するのは、破壊電圧と順方向電流です。

TVSダイオードは2つのタイプに分類されます。どちらのタイプのTVSダイオードも、通常の動作状態では開回路として、ESDサージが発生するとGNDへの短絡として働きます。 

一方向性TVSダイオード

以下は、ESD保護で使用される一方向性TVSサージダイオードです。なお、TVSダイオードは、単純なツェナーダイオード以上のものである必要はなく、下の回路図に示すように、TVSダイオードとして販売されている部品(VishayのTranszorbシリーズなど)であっても構いません。

ESD発生時の正のサイクルでは、このダイオードは逆バイアスになり、アバランシェモードで動作し、その結果、ESD電流が入力からGNDに流れます。負のサイクルでは、このTVSダイオードが順方向にバイアスされ、ESD電流を導通します。これが、一方向性TVSダイオードがESDから回路を保護する仕組みです。つまり、極性に応じてESD電流の流れを阻止したり、許可したりします。

双方向性TVSダイオード

下の回路図は、ESDに敏感な部品を保護するための双方向TVSサージダイオードの一般的な使用方法を示したものです。これは、ツェナーダイオードを単純に背向配置したものです。さらに電流制限が必要な場合は、抵抗を追加することができます。

過渡的なESDの正サイクルでは、2つのダイオードのうち一方が順方向に、もう一方が逆方向にバイアスされます。つまり、一方のダイオードは順方向にバイアスされて導通し、もう一方のダイオードはアバランシェモードで動作します。このようにして、両方のダイオードは、ESD源からGNDにつながるパスを作ります。負のESDサイクルでは、ダイオードのモードが入れ替わり、再び経路が形成され、回路は保護されます。この回路は、システムのI/Oから見て、ESDの可能性のある極性が必ずしもわからない場合にお勧めです。

その他のESDサプレッサーのコンポーネント

ESDサプレッサーには他にも、積層バリスタ、ガス放電管、ポリマーベースのサプレッサーなどがあります。ESD抑制コンポーネントは、回路や部品群を保護するために、ESD電圧をある限界値未満に抑えるために使用されます。サプレッサーコンポーネントや回路を脆弱な電子部品に並列に接続することで、ある限界までESD電圧を低く維持し、主要なESD電流をGNDに分流します。これらのコンポーネントには、データシートに記載されている関連アプリケーション回路があることが多く、これらの回路には、低電圧のESD抑制効果を高めるためのTVSダイオードが含まれていることがあります。

例：ガス放電管＋TVSダイオード

高電圧に対応する1つの方法として、ガス放電管にTVSダイオードとコイルを並列に配置する方法があります。コイルとTVSダイオードは、追加のフィルタリングを行い、ESDパルスの立ち上がり時間を遅くするローパスRL回路のように機能します。この回路は基本的に時定数の大きいローパスフィルタであるため、公称直流電圧を通過させながら、放電管を通過するESD電流に高いインピーダンスを提供することができます。また、入力部にヒューズを取り付けることで、大きなESD電圧に対する保護を強化しています。

基板レイアウトにおけるESD保護

回路設計時にESD保護回路を追加したとしても、基板レイアウト内の敏感な回路のESD保護を確実にするために、いくつかのスマートなレイアウトを選択することが重要です。ESD抑制の目的は、回路の信頼性を高めつつ、後のデバッグやトラブルシューティングのコストを削減することにあります。

• PCBスタックアップにGNDプレーンを使用する：基板内部にGNDプレーンを使用することで、ESD時に誘導されるあらゆる電流を受け入れることができる、接地済みの大きな導体が得られます。また、GNDループの排除、クリアインピーダンスの定義、EMIに対するシールド化など、多くの利点があります。
• 長い配線経路を短くする：配線がGNDから離れていて長すぎると、インダクタンスが高くなることがあります。EMIを受けやすいだけでなく、高電圧のスパイクがトレースを通して伝搬する際に、過渡的な発振を起こすことがあります。この発振により、TVSダイオードなどのサプレッサーが機能しなくなることがあります。
• 高電圧のネットの近くに敏感なトラックやコンポーネントを配線しない：高電圧のネットやコンポーネントの近くにコンポーネントを配置すると、ESDの発生確率が高くなるというのは、ここで書くまでもないかもしれません。大規模なESDや電力サージに耐えられないコンポーネントがある場合は、それらを電圧源から遠ざける必要があります。ESDの影響を受けやすいコンポーネントの周りに接地シールドを施すことで、保護を強化することができます。
• エンクロージャーを活用する：接地された金属製エンクロージャーを使用している場合は、その安全アースのような機能からメリットを受けることができます。設計の中でESDの影響を受けやすい部分(コネクタなど)から筐体まで低インピーダンスを接続することでも、ESD保護を強化することができます。

上記の最後の点については、同相モードのノイズを防ぐ必要性と、ESDに対するシールドをする必要性のバランスをとることが難しくなります。すべての設計に、筐体への接続という形でのESD保護が必要になるわけではありません。設計が展開される環境と、コンポーネントに誘導される可能性のあるESDの規模を考慮する必要があります。

外界と通信するための外部インターフェースを備えた電子部品にとって、電子部品がESD保護されていることを保証することが非常に重要です。集積回路の中には、ダイ上にESD保護機能を搭載しているものもありますが、デバイスの動作環境によって強いESDの危険性がある場合には、ESD保護回路を戦略的に配置することをお勧めします。これは、製品を一般市場で販売する際に、FCCやCEの認証を受けるために必要となる場合があります。

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