新人エンジニアのための基板用ESD保護回路設計ガイド

Zachariah Peterson
|  投稿日 September 27, 2021
ESD保護回路設計

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
ESD保護に役立つガス放電管
ガス放電管は、ESDを抑制するための1つの選択肢です。

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。

ESD保護回路設計 TVSダイオード
差動I/O上のシャント型TVSダイオードで構成されるESD保護回路を用いた例。この回路については、こちらの記事をご覧ください.

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。

ESD保護回路設計 ツェナーダイオード
シングルエンドバッファのI/OのESD保護回路に使われるツェナーダイオード。

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保護回路設計 TVSダイオード
保護対象コンポーネントのパワーレール上の一方向性TVSサプレッサーダイオード

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。

ESD保護回路設計 双方向TVSダイオード
保護対象コンポーネントのパワーレール上の双方向性TVSサプレッサーダイオード。この記号は次のことを表しています:Infineon ESD101B102ELSE6327XTSA1

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。

ESD保護に役立つガス放電管とTVSダイオード
TVSダイオードとガス放電管を用いたESD保護回路の設計。

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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筆者について

筆者について

Zachariah Petersonは、学界と産業界に広範な技術的経歴を持っています。PCB業界で働く前は、ポートランド州立大学で教鞭をとっていました。化学吸着ガスセンサーの研究で物理学修士号、ランダムレーザー理論と安定性に関する研究で応用物理学博士号を取得しました。科学研究の経歴は、ナノ粒子レーザー、電子および光電子半導体デバイス、環境システム、財務分析など多岐に渡っています。彼の研究成果は、いくつかの論文審査のある専門誌や会議議事録に掲載されています。また、さまざまな企業を対象に、PCB設計に関する技術系ブログ記事を何百も書いています。Zachariahは、PCB業界の他の企業と協力し、設計、および研究サービスを提供しています。IEEE Photonics Society、およびアメリカ物理学会の会員でもあります。

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