PCB設計ガイドライン：過渡保護のためのTVSダイオードの使用

ハードウェアエンジニアにとって、サージ保護は適切な電源タップを購入したり、いくつかのケーブルを抜いたりすること以上の意味を持ちます。それは、PCBレイアウトにおいて過渡保護コンポーネントを戦略的に配置し、明確な接地戦略を実施することを含みます。TVSダイオードは、PCBレイアウト内のコンポーネントを保護するために使用される一般的なコンポーネントです。これらのコンポーネントはデータライン上に配置され、回路内でESDパルスが受信されると、保護されたコンポーネントから電流を逸らすことによって動作します。PCBレイアウトが過渡保護に最適化されていることを確認することは、機能するデバイスと焼損した回路基板との違いを意味することがあります。

TVSダイオードとは何か、そしてどのように機能するのか？

過渡電圧抑制（TVS）ダイオードは、静電放電（ESD）に関連する過渡イベントからデバイスを保護するために一般的に使用されるコンポーネントです。（ゼナーダイオードやショットキーダイオードと混同しないでください。）それは過渡電圧スパイク中に導電性を持つp-n半導体接合部から構成されています。通常の状況では、TVSダイオードは高インピーダンスを持ち、非常に低いリーク電流で、実質的に開回路のように機能します。

過渡電圧サプレッサの電圧がそのしきい値電圧を超えると、半導体内のアバランシェ効果がp-n接合部を導電させ始め、過剰な電流を保護されたデバイスから逸らす低インピーダンス経路を提供します。TVSダイオードの応答時間は非常に速く、しばしばピコ秒単位で表されるため、これらのコンポーネントは、ESDパルスの立ち上がり時間が比較的速い場合でも、強力なESDパルスを非常に迅速に逸らすことができます。

設計に適したTVSダイオードの選択

すべてのTVSダイオードは基本的にダイオードです：十分に大きな順方向または逆方向のバイアス電圧を適用すると、導電を始めます。もちろん、すべてのTVSダイオードが同じように作られているわけではありません。設計に間違ったものを選ぶと、最初から過渡保護が効果的でなくなる可能性があります。TVSダイオードを選択する際に理解する必要があるいくつかのパラメータがあります：

• 逆バイアスブレークダウン電圧（VB） - これはTVSダイオードが導電を始める逆バイアス電圧です。TVSダイオードが導電を始めると、ESDパルスを保護されたコンポーネントから逸らします。
• クランピング電圧（VC） - クランピング電圧は、TVSダイオードが逆バイアスのブレークダウンを超えた後に顕著に導電する最小電圧です。この値は、指定されたピーク電流の限界内で定義されます。一般に、VC値が低いほどコンポーネントへの保護が向上し、VCは保護されるコンポーネントの入力電圧限界よりも小さく選ばれるべきです。
• 定格スタンドオフ電圧（VWM） - これは、TVSダイオードが絶縁状態を保つ逆バイアス電圧の限界を示します。定格スタンドオフ電圧内では、TVSダイオードは高インピーダンスを持ち、わずかな漏れ電流のみが流れます。
• ピークパルス電力散逸（PPP） - TVSダイオードは、過渡電圧によって引き起こされる過剰な電流を安全に散逸できる必要があります。これは、ピークパルス電力散逸によって示されます。

TVSダイオードの動作原理

TVSダイオードはすべて、単純な原理に基づいて動作します。回路にESDパルスが受信されると、そのパルスは非常に迅速にダイオードの逆バイアス耐圧値を超えることがあります。コネクタを通じて外部環境に導体のいずれかを露出させるデバイスは、それらの導体にESDパルスを受信することがあります。それらの導体がコンポーネントに導く信号線の一部である場合、受信したESDパルスは高電圧/高電流のパルスをコンポーネントに転送します。これにより、コンポーネントが破壊される可能性があります。

信号線上でESDが発生し、その信号線上にTVSダイオードが存在する場合、ダイオードは導通を開始し、パルスをダイオードを通して通過させることができます。これにより、ダイオードはESDパルスを保護された回路から逸らすことができます。典型的な接続は、アノードをグラウンド接続に接続することで、ESDパルスがグラウンドに流れ込むようにします。グラウンド領域に低インピーダンスの経路が存在する限り、パルスは保護されたコンポーネントから逸らされます。

双方向または単方向？

TVSダイオードには、双方向と単方向の2種類があります。これら2種類のTVSダイオードには、以下に示すように異なるシンボルがあります。

TVSダイオードを選ぶ際には、「TVSダイオード」という一般的な用語が一方向タイプのみを指すことに注意が必要です。従って、双方向コンポーネントが必要な場合は、これが明記されていることを確認する必要があります。

では、どのタイプのTVSダイオードを選ぶべきでしょうか？双方向TVSダイオードを使用する主な理由は、回路が正と負の両方の極性信号を運ぶ際に保護を提供するためです。これが、差動ペアや正と負の極性の間で振動するアナログラインに双方向TVSダイオードが使用される理由です。

私は、包括的な故障保護とESD保護のために双方向TVSダイオードを選ぶべきだと強く信じています。これは、保護したい信号線と同様に、グラウンド領域もESDパルスを受け取る可能性があるからです。グラウンドに故障が発生し、グラウンドを通る経路のインピーダンスが高くなると、最も低いインピーダンスの経路が一方向ダイオードを通り、保護したいコンポーネントを通る可能性があります！しかし、ダイオードが双方向であれば、グラウンドに故障があってもコンポーネントを保護する可能性があります。

TVSダイオードのためのPCBレイアウトのヒント

TVSダイオードを正しく選択することに加えて、保護の効果はPCBレイアウト自体によって決まります。以下の回路図に示されているように、例として双方向TVSダイオードが保護している回路に並列に接続されています。回路図は、TVSダイオードをMAX3485トランシーバに接続する典型的な方法を示しています：

TVSダイオード接続の典型的な回路図。

この例では、D+およびD-ラインが外部環境にさらされ、このイベントがGNDに対して正の電圧を生じさせた場合、ESD電圧がTVSの逆バイアス耐圧を超える限り、TVSダイオードは導通を始めます。GNDプレーンで電流が流れ始めるESDイベントがあった場合、システム内に低インピーダンスのグラウンドパスがある限り、電流はコンポーネントから完全に逸らされるべきです。

ESDがグラウンド導体に受け取られた場合、双方向TVSダイオードが好ましいです。なぜなら、それはいくらかの保護を提供することができるからです。一方で、TVSダイオードが一方向であった場合、トランシーバーは依然としていくらかの電圧にさらされる可能性があります。双方向TVSダイオードでの好ましい偏向は、適用されたパルスが導電がGNDからトレースへと起こる前に、ある閾値（TVSダイオードの上半分のVB値）を超える必要があるために発生します。

PCBレイアウトでは、TVSダイオードが正しく機能するためにいくつかの重要なガイドラインに従うべきです。これには、配置、接地、およびシールド上の抵抗器やコンデンサーのような受動部品の使用が含まれます。

TVSダイオードの配置

ESDは電子デバイスの露出した導体の近くで発生する可能性があるため、それらの導体が外部環境に露出している領域の近くにTVSダイオードを配置するのが最善です。下記に示された2ピンコネクタを使用したシンプルなレイアウト例があります。

ESDパルスを受ける危険がある露出した導体の近くにTVSダイオードを配置してください。

PCBトレースには、TVSダイオードのクランプ電圧が指定された限界を超えて増加する可能性がある寄生インダクタンスがあります。TVSダイオードのトレースは、インピーダンスを最小限に抑え、サージによる過剰なエネルギーが散逸されるように、トランシーバのトレースに比べて比較的短くするべきです。これにより、TVSダイオードに至る経路の寄生インダクタンスが最小限に抑えられます。

接地

可能であれば、保護されたコンポーネントとは異なるグラウンドネットにTVSダイオードを接続することが良い考えです。これはグラウンドプレーンを分割すべきだという意味ではありません。代わりに、最も安全な接続タイプは、TVSダイオードが利用可能であればシャーシグラウンドの金属要素に接続されていることで、通常はシャーシのネジや取り付け穴に接続されたトレースで接続が行われます。この接続が利用できない場合は、内部プレーンに接続することができます。しかし、強いESDのリスクがある環境では、デバイスは安全な金属製シャーシグラウンドに続いて地球接続が行われたシャーシにパッケージされるべきです。

シールディング上のパッシブ部品の排除

シールドされたコネクタのような一部のコンポーネントには、露出した導体を保護するための追加の金属シールドがあります。コネクタのシールドは、機械的または熱的保護を目的としたものではなく、実際にはノイズの受信を防ぎ、ESD（静電気放電）から保護するためのものです。ESDの危険がある場合、シールドされたコネクタはTVSダイオードと一緒に使用できます。TVSダイオードは信号線に接続され、コネクタのシールドは直接グラウンドに接続されます。

上の画像では、シャーシと信号グラウンド間に直接接続を配置しました。一般的なアプローチは、この接続をシステム内の1箇所に設置して、すべての導体上で均一なグラウンドポテンシャルを確保しつつ、通常のリターン電流がシャーシを通過しないように制御することです。GNDが低インピーダンス、低インダクタンスのグラウンドプレーンである限り、ここでも同じことが適用されると言えます。これがシステムの絶縁された領域であれば、上記の回路図で示唆されているように、その接続をコネクタ本体に近づける方が最適かもしれません。

シールドをスナバ回路や並列RC回路を介して接地に接続しようとするケースがあります。これらは、シールドコネクタを持つことの全ての目的を無効にします。代わりに、シールドとシャーシグラウンド（利用可能な場合）またはグラウンドプレーンとの間に直接接続を行います。これにより、非常に低インピーダンスの接地経路が作成され、ESDイベントのエネルギーが保護されたコンポーネントに到達するのを防ぎます。リターン電流の制御が困難な場合（フローティンググラウンドのような場合）には、シールドとグラウンドプレーンの間に大容量のキャパシタを配置するのが適切なアプローチです。これにより、高速のESDパルスがシャントされ、2つのグラウンド間のオフセットによる高周波ノイズがシステムから放射されることがありません。

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