保護するあなたの回路

PCB設計は、多くの要因に依存する複雑なプロセスです。エンジニアは通常、製品の高い信頼性を維持しながら、コスト効果の高い解決策を探すことになります。回路基板にさまざまな保護措置を追加することは、単位あたりのコストを増加させる可能性がありますが、野外での故障率を大幅に減少させることもでき、それに伴うサポートおよび交換コストも発生します。多くのシナリオでは、追加の単位あたりコストは、サポートおよび交換コストと比較して無視できるものであり、その結果、回路保護は欠かせない節約メカニズムになります。

この記事では、ユーザーエラー、電力品質の低下、予期せぬイベントに対してより寛容になるだけでなく、コンプライアンステストに合格する可能性を高める回路に追加できる保護デバイスについて見ていきます。電磁干渉から始まる、一般的に遭遇する安全問題を一つずつ見ていきます。

電磁干渉 (EMI)

放射される電磁エネルギーを減少させることは、電磁互換性コンプライアンス規制を満たすために重要です。さらに、電磁干渉は双方向に作用するため、デバイスは入ってくる干渉に対処する能力を持っている必要があります。ほとんどのデバイスでは、入出力の保護回路は同じになるため、コンプライアンステストを通過することが、製品の信号品質を損なうエネルギーの拾い上げからあなたを守ることにもつながります。

電磁互換性コンプライアンスの通常の要件を超えて、あなたが設計しているデバイスは、大きな電流がモーターや他の電力を多く消費するデバイスに向かっている工業環境や、強力な無線デバイスの近くにあるかもしれません。デバイスに接続されたケーブルは、誘導された場からかなりの電圧を拾うことがあり、これによりセンサーの読み取りが信頼できなくなったり、通信が困難になることがあります。さらに悪いことに、あなたのデバイスがこれらの電気的に騒々しいデバイスにも電力を供給する電源レールに接続されている場合、電磁干渉が直接電源接続を通じて回路に侵入する可能性があります。

フェライトチップ

フェライトビーズ、またはチップ（表面実装）は、回路基板に追加できる最も安価で簡単な保護方法の一つです。控えめなフェライトは、配置された箇所で高周波ノイズを抑制し、片側が他側で生成されたノイズから保護されます。デバイスに接続された任意の導電性ケーブルは、効果的なシールドがない限りアンテナです。このケーブルは環境からノイズを拾うことができ、また、回路からのノイズを放射することもあります。

フェライトチップは回路内でローパスフィルタとして機能し、高周波信号に対して高い抵抗を生み出します。フェライトチップまたはビーズを選択する際の重要な仕様は、与えられた周波数でのインピーダンスであり、最も一般的には1MHzまたは100MHzで測定されます。この仕様はオームであり、フェライトチップは指定された周波数の信号成分に対してこの値の抵抗器のように見えます。

回路のもう一つの重要な仕様は、DC抵抗（DCR(MAX)）であり、これはフェライトがDC信号に対して持つ直列抵抗です。この直列抵抗は重要であり、回路に影響を与え、フェライトと直列に大電流を流そうとする場合、フェライトがかなり熱くなる可能性があるため、この場合に重要となる電流定格仕様を考慮する必要があります。

フェライトビーズ/チップは、低周波数およびDC導体に対してケーブルの放射および受信ノイズの影響を減少させるために、積極的に使用すべきです。また、非常に低い電圧信号で動作するアナログ回路など、回路基板上の敏感なコンポーネントの電源レールに直列でローカルに使用することも検討できます。ここでは、電源レールのノイズが信号に移行する可能性があります。

Piフィルタ

フェライトチップがAC信号に対して高抵抗を示すのに対し、インダクタは高インピーダンスを提供します。インダクタはフェライトビーズほど一般的にはデバイスの入出力の保護に使用されませんが、2つのキャパシタと組み合わせることで、伝導ノイズを減少させる強力なツールになり得ます。Piフィルタは、上部にインダクタがあり、2つの脚がキャパシタであるため、ギリシャ文字のπのように見えることから名付けられました。これにより、2つのキャパシタがデカップリングとして機能し、インダクタが信号に対して高インピーダンスを提供する、非常に効果的なローパスフィルタが作成されます。

デバイスが騒がしい可能性のある電源から電力を受け取っている場合、または大きなスイッチモード電源を内蔵している場合、入力にPiフィルタを設置すると、EMI問題の大幅な削減が期待できます。インダクタは通常、フェライトチップよりもはるかに大きなインピーダンスと電流処理能力を持ち、直列抵抗も低いです。導体に数アンペアの電流が流れている場合や、かなりの量のノイズが発生している場合、Piフィルタはフェライトチップよりも優れた保護を提供する可能性があります。

ほとんどの表面実装、ワイヤ巻き、フェライトコアインダクタは、シールドされたバージョンで利用可能です。インダクタを使用してノイズを減少させる場合、シールドされたインダクタは追加の保護を提供します。

直列終端抵抗

数百キロヘルツを超える周波数の信号線がある場合、インピーダンスマッチングを提供し、反射を減少させるために、線に50オームの終端抵抗を追加することを検討するかもしれません。デジタル伝送線では、不適切に終端された信号からの反射が論理レベルの曖昧さを生じさせ、データが破損する原因となります。アナログ線では、反射が信号の電力損失やゴースト効果を引き起こす可能性があります。

これは保護方法というよりは良い設計習慣ですが、ここで言及する価値があります。

RFシールド

RF製品を設計している場合、非常に低電圧のセンサーシグナルを扱う回路、または非常に悪条件の電磁環境にある場合、電磁干渉を大幅に減少させる究極の解決策は、回路をRFシールドで囲むことです。RFシールドは接地されており、露出した導体や回路のコンポーネントに電磁干渉が侵入したり、そこから出たりするのを防ぎます。さらに、PCBに設計されたしっかりとしたグラウンドは、下側からのノイズの侵入や脱出を防ぎます。しかし、ノイズは導体を介して遮蔽された回路に侵入したり脱出したりする可能性があります。フェライトチップなどの他の対策で、導電性のノイズを軽減できます。

RFシールドはさまざまなサイズで購入でき、100ユニットの低ボリュームでもカスタムメイドは非常にコスト効果が高いです。

ボードにRFシールドが必要かどうかわからない場合、PCBに設計しておいて配置しないよりも、ボードを修正してランドパターンを追加する方がはるかに簡単です。これにより、テスト中に不要であることが判明した場合にRFシールドを使用しない選択が可能になります。

逆極性

Sci-fi映画で、キャプテンやエンジニアが「逆極性にしろ」と叫ぶ場面がありますが、実際の世界で電源の極性を逆にすると、力場を生成するよりも魔法の煙を放出する可能性が高くなります。ユーザーが間違ったタイプの電源ケーブルを使用したり、入力コネクタが偏性を持っていない場合、デバイスへの電力の極性を簡単に逆にすることができ、回路内のすべてのコンポーネントを焼損させる可能性があります。

幸い、逆極性イベントに対する保護は簡単です。

入力ダイオード

逆極性保護を追加する最も単純な手段は、正の導体と直列にダイオードを追加することです。ダイオードは前方にのみ導電するため、入力が誤って接続されている場合、電流は流れません。

このアプローチにはいくつかの大きな欠点があり、それはダイオードの順方向電圧降下に関連しています。デバイスが信頼性を持って動作するために必要な正確な電圧で供給されている場合、ダイオードは電圧をデバイスが信頼性を持って動作するポイント以下に下げる可能性があります。

デバイスが適度な量の電力を消費する場合、ダイオードは電流の大きさと順方向電圧降下の両方に比例して電力を散逸するため、過熱する可能性があります。この加熱に対処するために十分な容量を持つダイオードを選択した場合、回路基板に十分な熱を提供して他のコンポーネントが信頼性を持って動作しなくなるか、デバイスの寿命がエンクロージャ内の熱散逸の増加によって短縮される可能性があります。

デバイスがバッテリー駆動の場合、入力ダイオードはダイオードの増加した散逸による効率の損失からバッテリーまたは充電の使用寿命を短縮します。これにより、同じ稼働時間を提供するためにより大きく、重く、高価なバッテリーが必要になります。

したがって、入力ダイオードは、動作電圧が入力電圧よりも低い低電流デバイスに対して一般的に良い解決策です。これの良い例は、USBケーブルで駆動される3.3vまたはそれ以下で動作する基本的なマイクロコントローラ回路です。

ブリッジ整流器

ダイオードの順方向電圧降下やそれに伴う熱/非効率がアプリケーションにとって問題でない場合、入力にブリッジ整流器を使用することで、完全に極性を無視することもできます。シンプルなブリッジ整流器を使用すると、電源がどのように供給されても、常に信頼性の高い正および負（またはグラウンド）の電圧レールを確保できます。

私は、ユーザーが自分で電源を供給するために基板にワイヤーをはんだ付けする、非常に低電力の超小型デバイスでこのアプローチを使用しました。ユーザーの誤操作の可能性が高く、ブリッジ整流器の非効率性はデバイスや特定のアプリケーションにほとんど影響しませんでした。

MOSFET

上記のダイオードとは対照的に、MOSFETは非常に低いオン抵抗を持ち、数百アンペアを消費するDC回路の逆極性保護を提供することができるか、またはバッテリー駆動回路の逆極性保護を非常に効率的に提供できます。低オン抵抗のため、回路に追加の熱負担はほとんどありません。

回路が単一の正の電圧供給端子を持つ場合（PチャネルMOSFETを使用）または単一のグラウンドリターンパスを持つ場合（NチャネルMOSFETを使用）に限り、MOSFETを逆極性保護に使用できます。接続されたデバイスの配置や代替電圧入力が代替の供給またはリターンパスを作成する場合、このアプローチは適用されません。

NチャネルMOSFETは、同じ価格でPチャネルよりも低いRDS(ON)を特長としており、適用可能な場合には私の好まれる解決策です。しかし、グラウンドリターンパスが常に接続されている必要があるデバイスでは、PチャネルMOSFETもダイオードに比べて非常に高性能な解決策です。

MOSFETを使用して逆電圧保護を追加するには、いくつかの特性を利用できます。まず、ソースからドレインピンへの導電を可能にするボディダイオード、そして、ゲートが充電されるとMOSFETがどちらの方向にも電流を導くことができるという事実です。

NチャネルMOSFET

NチャネルMOSFETは、正しい極性で回路に電力が供給されたときに導通するようにボディダイオードが向けられて、電源接続のグラウンドリターンパスに設置されます。その後、ゲートはデバイスの電源供給の正の入力電圧レールに接続されます。正しい極性の電力が接続されると、ボディダイオードが回路を完成させ、ゲートが活性化されてボディダイオードを短絡させます。

PチャネルMOSFET

PチャネルMOSFETの設定は基本的にNチャネルの逆です。ボディダイオードは、正の供給から残りの回路への電流を導くように向けられ、ゲートはグラウンドに接続されます。正しい極性の電圧が適用されると、ゲートが低くなりMOSFETを充電し、ボディダイオードを短絡させて、MOSFETが通常通り導通し、回路を完成させます。

過電流

製品に、誤った状態に置かれた場合に大量の電流を消費する可能性があるケーブルやデバイスがある場合（例えば、停止したモーターなど）、過電流保護がその日を救うことができます。ケーブルは内部で断線するか、導体がショートして高電流負荷がボードにかかる原因となる外部力によって損傷する可能性があります。これにより、その負荷を意図していなかったトレースがすぐに加熱され、故障するか、またはそれらの導体に接続された電源や他のデバイスを過負荷にする可能性があります。

リセッタブルヒューズ

正温度係数（PTC）ヒューズは、電流の引き出しがその定格を超えると回路が電力を失うようにする保護装置です。電流の引き出しが通常に戻ると、ヒューズは再び導電を開始します。電流要求が約10アンペアを超える場合、または電圧が約60Vを超える場合は、リセッタブルヒューズは適しておらず、ガラスまたはセラミックヒューズなどの代替オプションを検討する必要があります。これらのヒューズは、高電流デバイスに優れた保護を提供しますが、ほとんどの保護措置と同様に、いくつかの欠点があります。

リセッタブルヒューズは、導電性粒子がプラスチック充填材内に密に結合されていることによって作られます。ヒューズが通常の温度にあるとき、大量の導電材料が適度な抵抗を持ってデバイスを通じて電流が流れる経路を作ります。電流が増加すると、ヒューズが加熱され、プラスチックが膨張し始めます。その結果、この膨張が導電性粒子を分離し始め、抵抗が増加し、ヒューズが指数関数的に速く加熱されます。ヒューズは、プラスチックを低い導電性の安定した状態を維持するのに十分な少量の電流しか流れない点に達します。

この安定した状態は、私の意見では、ヒューズの最大の欠点です。市場で見つけることができた表面実装デバイスの最小保持電流は10mAで、これは室温での21mAのトリップに相当します。これはかなり狭い範囲であり、21mAでトリップするデバイスは、10mAで劣化した状態で動作を続ける可能性があり、これによって損傷を引き起こす可能性があります。表面実装PTCヒューズでは、保持電流がトリップ電流の半分であることが一般的なので、デバイスがトリップ電流で損傷する場合は、トリップ電流の半分でも損傷しないようにする必要があります。トリップ電流の半分で損傷する可能性がある場合は、この状態を検出したら自動的にシャットダウンする別の方法が必要です。

ガラス/セラミックヒューズ

デバイスが構築されているように、電流のしきい値に達することは確実に何かがひどく間違っていることを意味する場合、ガラスまたはセラミックヒューズが行くべき方法かもしれません。ファストブローヒューズは、定格電流を超えるとミリ秒単位で故障することができますが、スローブローヒューズは、例えば突入電流のために必要な場合のように、一時的に電流制限を少量超えることを許可することができます。

リセット不可能なヒューズはかなり最終的な解決策ですが、ヒューズの定格を超える電流からのみ保護します。ちょうど1週間前、非常に高級ブランドのラボ電源の回路基板を見ましたが、ヒューズは無事でしたが、回路基板はいくつかの場所でひどく焦げていました。何らかの理由で1つのMOSFETが基板上で故障し、その故障が残りのHブリッジMOSFETに過負荷をかけ、それらが急速に炎上する形で次々と故障したようです。それでも、デバイスのヒューズは、各個別のMOSFETがヒューズの定格よりも少ない負荷で故障している間、何もしませんでした。

ヒューズを使用する予定がある場合、ユーザーがサービスできない表面実装ヒューズを購入することもできますし、ユーザーがサービスできる既製のヒューズ用のホルダーを購入することもできます。通常、私はヒューズをユーザーがサービスできないようにすることを好みます。それにより、クライアント/顧客に基板を返送させることができ、最初にヒューズが吹いた原因を調査することができます。それにより、ヒューズが吹いた原因となった現在の状態が、劣化したコンポーネントによるものか、それとも、現在の電流自体がコンポーネントの劣化を引き起こしたのかを判断できます。単にヒューズを交換してデバイスを再びオンにすると、ヒューズが直ちに再び吹くか、あるいはもっと悪いことに、劣化したコンポーネントがヒューズの閾値以下で故障し、デバイスにはるかに重大な損害を与える可能性があります。ベンダーによるサービスが必要なヒューズを嫌う人もいますが、ヒューズの故障原因を調査できれば、数百ドル相当の回路基板を交換する必要があるベンダーを防ぐことができます。

静電気放電（ESD）

低高度で湿度の高い地域に住んでいる場合、ESDは設計プロセスにすぐには考慮されないかもしれません。デンバーやカルガリーのような高高度または低湿度の都市を訪れると、指先から稲妻のような電撃で周囲の人々や物にショックを与えることになるでしょう。数万ボルトが皮膚に蓄積され、最初のチャンスで放電されるような快適な環境に住んでいるからといって、あなたの製品がそこに行き着かないというわけではありません。カーペットの上を歩いたり、大きな静電気を帯びたジャケットを脱いだりしたユーザーが不注意に触れた場合、あなたのデバイスは破壊されるか、深刻な損傷を受ける可能性があります。

優れたESD保護を提供することはかなり大きな話題ですので、この記事ではオプションを簡単に紹介するだけで、ESD保護について詳しく説明する別の記事が近く公開されます。

TVSダイオード

入力のESD保護において、最も安価で信頼性の高い方法の一つがTVSダイオードです。TVSダイオードは、予期しない過渡電圧に対しても優れた保護を提供します。

私が設計するほとんどのデバイスには、ユーザーが触れる可能性のある、または指で触れそうなすべての入力にTVSダイオードを追加します。22kVの放電は約20mmのギャップを跳び越えることができるので、コネクタのピンを内側に設置しているだけでは、ESDから保護されるとは限りません。TVSダイオードは安価でコンパクトで設計に追加しやすいため、使用しない理由はほとんどありません。USB 3.0などの高周波通信を妨げないデバイスが豊富にあり、すべての接続に使用できます。

TVSダイオードが非常に大きな静電放電イベントを生き残れないかもしれないと述べましたが、各ラインに安価なダイオードを配置することで、ガス放電管の大きな費用をかけずに大多数の放電を生き残ることができます。一部のエンジニアは、ESD保護にお金を使うべきではないと言っています。なぜなら、それがすべてのイベントから回路を保護できないかもしれないからです。しかし、少なくとも95％のイベントから保護できるという事実は、私にとって十分です。

ガス放電管アレスタ

ガス放電管は、直接接続にさらされたマイクロコントローラの入力を保護するのに特に適しているわけではありませんが、ACメイン入力や電気通信機器をESDや雷から保護するのに非常に優れています。大量のエネルギーを急いで地面に移動させる必要がある場合、ガス放電管がまさに求めているものです。

ガス放電管は、その入力と地面の間の電圧によって管内のガスがイオン化することで動作します。この閾値に達すると、イオン化したガスは同じサイズのシリコンデバイスが可能なよりもはるかに多くの電流を容易に導くことができます。

言ったように、これらはマイクロコントローラを保護するのに特に役立つわけではありません。ガス放電管の在庫数量をスパークオーバーボルテージで見ると、その理由が明らかです。約20％が100V未満のスパークオーバーボルテージを持ち、20％が150Vから250Vの間、20％が250Vから350Vの間、別の20％が350Vから1000Vの間で、残りが1000Vを超えています。これはアプリケーションの良いアイデアを与えます。彼らは一般的に110Vデバイス、240/250Vデバイス、380/400Vデバイスおよびその他のデバイスで使用され、90V未満のデバイスにはいくつかのオプションのみが利用可能です。これにより、ガス放電管が来るエネルギーを逮捕する必要がある場合、3.3vマイクロコントローラ入力は電圧と電流によっておそらく焼き尽くされるでしょう。

電気通信デバイス、またはインストーラーや照明からのESDイベントを処理できるべきAC電源に接続されたデバイスを持っている場合、GDTがあなたのために仕事をするかもしれません。低コストのガス放電管は容易に5,000アンペアを処理でき、最大25,000アンペアを提供するコンパクトなオプションが利用可能です。

これほど多くの電流を処理するには、ガス放電管の周りの接地接続に真剣に考える必要があります。これにより、基板を保護するために接地リターンパスを蒸発させないようにします。

PCBの特徴

貧乏人のESD保護は、外部コンポーネントなしで構築できます。高電圧はできるだけ迅速かつ効率的に地面に到達したいと考え、空気をイオン化してそこに到達するための導電経路を喜んで作ります。回路基板上に、保護されるべきコネクタピンから、もう一方をグラウンドプレーンに向けて、互いに向かっているいくつかの三角形を作ることで、単純なスパークギャップを作成できます。ESDイベントでは容易にスパークオーバーするが、通常のデバイス操作ではそうではない十分なサイズのギャップを持つことで、回路基板にいくらかの基本的な保護を提供できます。

使いやすさにもかかわらず、スパークギャップを設計する価値があるかどうかについて、一部のエンジニアは疑問を持っています。これは、いくつかの欠点があるためです。ガス放電管と同様に、スパークオーバーボルテージはロジックレベルの電圧に比べて比較的高いです。これは、スパークギャップが、ESDイベントからのマイクロコントローラーや他のロジックレベルデバイスの入出力を十分に保護できない可能性があることを意味します。導体とグラウンドが露出しており、互いに密接に配置されていることも、汚染物質がギャップを横断して電流を流す可能性があり、信号が歪むか、接続の機能が低下するか、場合によっては何かを直接損傷する可能性があります。

アプリケーションによっては、コネクタにスパークギャップを組み込むことが賢明かもしれませんが、他のアプリケーションでは、デバイスの早期故障につながる可能性があります。

製品後保護

回路基板に適用する保護は、回路内だけではありません。基板が腐食や湿気から保護されていることを確認するため、または全体的な電気保護を向上させるために、基板に物質を適用する必要があるかもしれません。

コンフォーマルコーティング

コンフォーマルコーティングは、多くの環境的な課題にさらされる回路基板にとって素晴らしいものです。コンフォーマルコーティングされた回路基板は、湿気に対して耐性があるか防水であり、ボード上でショートを引き起こすほこりやその他のデブリに対して免疫があり、また大気からの腐食に対しても耐性があります。コンフォーマルコーティングは、中程度の振動にさらされる回路に対して、基板に取り付けられた部品に追加の接着性と安定性を提供することで役立ちます。

コンフォーマルコーティングは、カバーする必要がある幾何学的形状、つまり表面積と複雑さの両方に応じて、基板にスプレーされるか、塗布されます。コネクタやワイヤーをはんだ付けする必要がある領域にコンフォーマルコーティングを塗布することは避けたいでしょう、なぜならそれは電気接触を防ぐからです。過酷な環境用の回路基板を専門とする契約メーカーの多くは、ロボットを使用して回路基板にコンフォーマルコーティングをスプレーする設備を持っています。低いボリュームで作業している場合、手で迅速に適用することができます。

ポッティング

コンフォーマルコーティングが良さそうだと思ったら、電子機器をポッティングするアイデアを気に入るはずです。ポッティングは通常、回路基板のエンクロージャをシリコンやエポキシなどの非導電性樹脂で満たし、回路基板をいたずら好きな手から完全に隔離し、衝撃や振動に対するデバイスの耐性を大幅に向上させることを指します。高電圧を扱っている場合、空気をはるかに導電性の低い物質で置き換えることで、コンポーネント間のクリープ距離を小さくすることができるだけでなく、高電圧によって空気がイオン化される際の故障の可能性も減少します。ポッティングされた電子機器は、通常、配置された環境に対して不浸透性であり、樹脂がほこり、湿気、腐食剤の障壁として機能します。

電子機器をポッティングすることを検討する可能性が最も高いのは、次の要件がある場合です：

• 爆発防止設計（つまり、装置が揮発性の大気中で爆発を起こす可能性がないこと。）
• 非常に高い電圧。
• 高い振動や衝撃を扱う。
• 極端な環境条件（例：腐食、湿気、圧力、真空）

エポキシなどの樹脂でデバイスをポッティングすると、各コンポーネントからそれを取り除くことがほぼ不可能になるため、誰かが製品をリバースエンジニアリングすることを心配する必要はありません。基板やコンポーネントにアクセスすることが実際には不可能であるためです。

一つの欠点は、基板やコンポーネントにアクセスすることもほぼ不可能であることです。これは、基板がポッティングされた後に修理や診断ができないことを意味します。したがって、ユーザーが受け取った後に基板が故障した場合、唯一の選択肢は完全な交換になります。

もう一つの欠点は、熱伝導が悪いことです。熱伝導性のある樹脂もあり、これらは熱放散を改善することができますが、かなり高価になることがあります。熱も空気も伝導しない物質で回路基板を完全に封入すると、大量の熱を放散する必要があるデバイスが過熱により故障する原因となり、ヒートシンクの使用も困難になります。

多くの人に関連する回路保護方法について議論しましたが、PCB設計は多くの異なる産業に統合されています。一部のアプリケーションでは、より徹底的な保護方法が必要になる場合がありますが、他のアプリケーションではほとんど保護が必要ない場合もあります。以下のコメントセクションであなたの考えをお知らせください。

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