過渡電圧サプレッサーによるESDからのPCB保護

Created: June 13, 2017
Updated: December 21, 2020

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はるか昔、大学生の頃、TAは私たちに小さな「ブラックボックス」回路を渡すのが好きでした。私たちは電圧と電流特性を測定してから、その回路を構成しているのがどのような部品かを判定することを求められました。私たちのTAは、この中にダイオードを入れるのが特に好きでした。当時の私はダイオードの目的をよく知らなかったため、この理由を理解できませんでした。しかし、自分のPCBを静電放電から保護する方法を探していたとき、ダイオードの有用性に気付きました。ダイオードは、静電放電(ESD)から大きな影響を受ける電圧レベルを管理するための重要な部品です。

ESDの発生には多くの原因があり、不注意に触っただけでも発生する場合があり、それによる電圧放電が基板を破壊することがあります。ESDの最も一般的な発生源の1つは入力で、ケーブルが接続されるときや、ボタンが押されるときに発生します。このような場合、過敏な部品に到達する電圧スパイクを最小限に抑える必要があります。

 

Zener diode

私が若いころダイオードをあまり評価していなかったことはともかく、実際にはダイオードは多くの回路設計と保護において極めて重要な部品です。

 

 

入力にESD保護を適用する方法

ESD保護の最初の段階は、GNDへのパスのインピーダンスを最小限に抑えることです。これは、放電時に基板が受ける電圧(VESD)を最小化するための方法です。オームの法則からVESD=IESDRで、IESDはコントロール可能なものではないため、VESDを最小化するにはRを最小化するしかありません。問題は、GNDプレーンは過敏な部品全てへの直接パスとなっているため、単純にパスをGNDへ短絡するわけにはいかないことです。

その代わりに、過渡電圧サプレッサーの形で、入力に保護回路を追加できます。過渡電圧サプレッサー(TVS)は2つのダイオードをアバランシェダイオードと組み合わせたもので、単一の部品としても供給されています。これによって、設計のコストや複雑性を大幅に増やさずに、部品が損害を受ける可能性を大きく低減できます。

TVS部分回路は基本的に、TVSと、保護対象のICまたは部品との間に電流分割器を作り上げるものです。この回路は、入力に対して高い入力インピーダンスとなるため、通常の動作には干渉しません。しかし、ESDイベント時に入力電流が激しく増大すると、TVSは降伏電圧に達し、電流をGNDへシャントして、保護対象の過敏な部品に過電流が伝わることを防止します。

 

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デバイスに何かが接続されるたびに、静電放電が発生する機会があります。

 

 

TVS保護を効果的に使用する方法

設計にTVSを追加するときは、コーナーでEMIが発生し、基板全体に伝搬されることを最小化するため、配線を可能な限りまっすぐにします。テキサス・インスツルメンツが推奨する方法は、コーナーの代わりに大きな半径の曲線を使用することです。PCBテクノロジーの関係でそれが行えない場合、コーナーの最大角度として45°を使用します。もっとも私の見たところ、これはむしろ135°と言った方がいいようですが。直角の代わりにコーナーを切り落とし、停止標識のように2つの鈍角を使用します。また、問題を解決するために深い分析が必要な場合は、TIの技術リソースセクションを強くお勧めします。

 

Blue circuit board design

ESD保護回路の近くの配線は、広角で曲げるようにします。鋭角のコーナーは、電圧スパイクの放散時にEMIを生成する可能性が高くなります。
 

 

配線について言えば、ESDソース(入力)をTVSに接続するためビアを使用することは、できる限り避けるようにします。ビアを使用するとESD保護が非常に複雑化する可能性があるため、TVSについては配線だけを使用するようにしてください。ESDの発生源となり得る場所の近くでは、ビアが非常に厄介な問題を引き起こす可能性があります。

最後に、保護回路にはバッファ抵抗も含める必要があります。ESDの発生源となり得る場所と、保護対象のICとの間に、直列に追加します。これは、入力に追加する電流分割器からICへ到達するピーク電流を減らすため役立ちます。一部のTVSダイオードは大量の電圧スパイクから自分自身を「リセット」できますが、すべてのTVSダイオードにこの機能が存在するわけではありません。これらのTVSダイオードが放電により焼けた場合、GNDへ短絡し、TVSにより得られていたすべての保護が無効になる可能性があります。ダイオードは強力ですが、さらにもう1段階の保護を用意しておくのが適切です。

アプリケーションに適切なTVSを選択するには、基板のインダクタンスと、保護対象となる電圧範囲について注意深く考慮する必要があります。テキサス・インスツルメンツは、設計を開始する準備が整っているかどうかについて非常に詳細に解説しています。設計を行うとき、モジュール化設計と、内部的に管理された要件を使用すると、次の製品で繰り返しが必要な作業を最小限に抑えることができます。このための優れたツールがAltium Vaultで、PCBソフトウェアのAltium Designerと組み合わせて使用できます。このソフトウェアは部品の選択(または回路実験)は行いませんが、設計フローがはるかに簡単になります。 今すぐお問合せください。

 

 

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