静電気放電（ESD）保護のためにコンデンサを使用すべきか？

最近LinkedInの投稿で、コネクタからPCBに来るラインのESD保護にキャパシタを使用することについて見かけました。私は知りませんでしたが、どうやら電源ラインと信号ラインにキャパシタを配置することでESD保護を行うという見解がある程度人気があるようです。これは適切なガイドラインでしょうか？

私の見解、そして他の非常に経験豊富な設計者の見解では、コネクタから出るすべての回路において、キャパシタを唯一のESD保護として一律に使用することは適切ではありません。これは特に高速信号に関して真実です。キャパシタの充放電能力、フィルタリング能力、そしてキャパシタの典型的な電圧定格を簡単に見ると、このガイドラインを盲目的に従うべきでない理由が明らかになります。

キャパシタによるESD保護？

ここで参照しているガイドラインは、以下の場合に1pFから1nFのキャパシタをESD保護に使用することを推奨しています：

• コネクタから出るすべての信号線
• コネクタから出るすべての電源線

高速な電圧をグラウンドにシャントするという考え方からすると、非常に小さいキャパシタを使用してESD保護を提供するというアイデアは理にかなっています。キャパシタは基本的にフィルターのように機能します。

しかし、実際のコンデンサの仕様を見ると、システムの唯一のESD保護としてコンデンサを使用しないいくつかの良い理由があることがわかります。

高速過渡現象と高電圧

電圧定格とケースサイズ

ESDの潜在的な解決策としてコンポーネントを検討する際の出発点は、電圧定格です。

電力ネット：この場合、保護のために高電圧コンデンサを使用することを試みるかもしれません。データから見ると、電圧定格と容量はケースサイズを通じて関連しています。

高電圧システムで作業しており、ESDが発生する可能性がある場合、使用できる高電圧コンデンサがあります。典型的なESDの場合、保護コンデンサを通して十分な電荷を落とすことができますが、目標とする電圧定格に応じて、大きなSMDケースサイズが必要になるかもしれません。

下の画像は、AVX高電圧セラミックコンデンサのデータを示しています。これらのコンデンサは、低容量と高電圧をコネクタからのトレースに接続するのに十分な小さなケースサイズで必要とされる典型的なタイプです。

この表の値は、他のベンダーのコンポーネントに典型的なものであり、ESD保護用の適切なキャパシタを見つけるのが難しいかもしれないことを明確にすべきです。この部品については、非常に高い電圧まで保護するには、大きなケースサイズの3640が必要で、これは多くのリアルエステートを占めます。たとえば、40ピンのI/Oコネクタを持っていて、すべての信号線にキャパシタを配置したい場合、大きな3640ケースサイズではなく、0402ケースサイズのようなものを好むでしょう。高電圧の電源コネクタから来るリードに3640ケースサイズを適合させることはできますが、コネクタから来る信号線に多数の3640キャパシタを適合させることは決してできません。

信号線：信号線においては、キャパシタの電圧定格は、適用されるダレーティングを考慮して、ロジックレベルに近いものが必要になります。言い換えれば、電圧定格は線上で予想される最高のDC電圧を超える必要があり、キャパシタのサイズはかなり大きくなる必要があります。このような場合、ロジックレベルの電圧定格を持つ0402ケースサイズの約100 nFキャパシタを見つけることができます。しかし、そのような大きなキャパシタは、高速信号をフィルタリングする能力があるため、望ましくありません（下記参照）。再度言いますが、信号線上でのESD保護の唯一の形態としてキャパシタを避け、別の方法に頼むことが最善かもしれません。

応答時間と直列インダクタンス（ESL）

キャパシタよりもTVSダイオードを好む次の理由は、応答時間とTVSダイオードの双方向性です。ESDイベントの際にキャパシタの応答時間が重要になるのは、そのパワーをグラウンドにシャントしたい場合、キャパシタはESDイベントよりも速く充放電する必要があるため、フィルタリング作用を提供するためです。

双方向TVSダイオードは、高速過渡電圧が与えられた場合、ピコ秒のオーダーで反応することができます。市場に出回っている利用可能なキャパシタで同じレベルに達するには、pFレベルのキャパシタンスと非常に低いESLが必要になります。そのようなキャパシタは存在しますが、その電圧定格は論理レベルに傾いており、kVレベルではありません。これは、小さいケースサイズ（0402または0201）が原因です。典型的なケースサイズは高いESLを持っているため、望ましくありません。

ここに示された等価キャパシタ回路は、高速過渡、ESDイベントによる共振の励起を考慮に入れています。

電圧定格の問題と、典型的な高電圧キャパシタのインダクタンスが大きなケースサイズを要求するため、特に信号線上でのESD保護としてキャパシタを避けるのが最善です。再び、TVSダイオードは、高電圧ESDイベントに対処するのに十分な速い応答時間を提供でき、特定の信号タイプ用に設計されたTVSダイオードがあります。

あなたの信号もフィルタリングされます

信号線上のこの種のキャパシタがESDをフィルタリングし、あなたの信号をフィルタリングしないなら、素晴らしいと思いませんか？実際にそれができる理想的なESD保護コンポーネントはTVSダイオードです。

デジタル信号線にシャント要素としてキャパシタを配置することは、基本的に信号をフィルタリングし、利用可能なチャネル帯域幅を制限します。これは、帯域幅の制限がないことが理想的な高速設計にとってはすべて悪いことです。皮肉なことに、信号フィルタリングは、典型的なESDパルスがほとんどの高速信号ほど速くないため、ESDフィルタリングよりも厳しいものになります。これは、システムにESD耐性要件がある場合はキャパシタを使用せず、TVSダイオードのみを使用するもう一つの理由です。

遅い過渡現象と電力線

ここでの「遅い」過渡現象とは、遷移時間がキャパシタの応答時間よりもはるかに小さい任意の過渡現象を指します。この場合、通常はマイクロファラドのキャパシタが見られます。過渡現象が遅く、電荷の保存に基づいて、キャパシタがESD保護を提供する方法を示す議論を考案することができます：

1. 想定しましょう、ESDパルスVが合計電流I
2. を提供するとします。Iと総パルス時間から、ESDパルス中に供給される総電荷Q
3. を計算することができます。QとVは、ESDパルスを供給する等価なキャパシタンスC
4. を定義します。Cが私たちのESDキャパシタC*と並列にモデル化されている場合、QはCとC*の両方に分配されます。
5. これにより、保護された回路の入力で見られる総電圧が低下します。

この議論で使用される等価回路モデルは以下に示されています。

保護キャパシタ(C*)とESDソース(C)の両方に既存の電荷が分配された後に観測されるであろう新しい電圧を単に計算すると、以下の電圧が期待されます：

したがって、必要なキャパシタンスは以下の通りです：

この電荷再分配モデルでは、ロジックラインを保護するために5 kVのESD電圧を3.3 Vに下げるには、ESD源がC = 330 pFの等価容量を持つと仮定して、C* = 500 nFの容量が必要です。50％のデレーティングを適用すると、この場合には1 uFのコンデンサが必要になります。実際の状況では、ESD源は人体モデルにより近いかもしれません。これには、ソースに大きな直列抵抗と小さなソース容量が含まれます。

これは良いことなのか、悪いことなのか？電源ラインに関しては、これが適切であるとの正当化が可能ですが、高耐圧まで全ての状況で保護するわけではありません。標準のバルクコンデンサは、小型のSMDよりも回路を保護する上でより良い仕事をします。ほとんどの場合、追加の回路保護メカニズムがどのようにしても必要になります。

信号線でこれを試みると、必要なケースサイズが非常に大きくなることがわかるかもしれません。これらのキャパシタは信号を大幅にフィルタリングし、帯域幅を過度に制限することもあります。しかし、受信コンポーネントのI/Oピンが、設定ライン（ASICのENABLEピンや、場合によってはI2Cなど）上でマイクロ秒の遷移時間を許容できる場合、このキャパシタの使用は正当化されるかもしれませんが、信号線の包括的な保護を提供するわけではありません。再度言いますが、耐久要件がある場合はTVSダイオードを使用してください。

キャパシタが役立つ場合：小規模な電力サージとスイッチングイベント

キャパシタがESDイベントに最適なオプションではないからといって、特定の回路保護に役立たないわけではありません。小規模な電力サージやスイッチングイベントからの過渡電圧をフィルタリングする場合は、キャパシタが価値を提供する2つの例です。なぜなら、それらは通常の低電圧電力サージや過渡電圧よりも速く反応できるからです。

電力サージは小さな値から数千ボルトに及ぶことがあります。市販電源や調整されていない供給に接続された線では、整流された電力が安定しており、その電力が下流のデバイスに配布される前にサージが抑制されることを保証するために、通常、次のコンポーネントを含む三本柱のアプローチが典型的です：

• ガス放電管 - 高電圧保護のための遅い反応
• TVSダイオード - 高電圧/低電流パルスに対する非常に速い反応
• バリスタ - この部品は、適用された電圧に応じてその抵抗値を変化させます

これらのシステムには、電圧感知リレーやヒューズも見られるかもしれません。どちらも、保護された回路を開いて後でリセットすることにより、過電圧保護と過電流保護を提供するために他の回路要素と共に使用できます

これらのコンポーネントは、家庭用のサージプロテクターに使用されているのを見るでしょう。同じ戦略は、市電や調整されていない電力を受け取る必要があるPCBにも使用できます。サージイベント後に回路を閉じるリセットスイッチもあります。以下の例に示されているように。

これらのラインに接続された出力コンデンサ（ブリッジ整流器に接続されている）は、整流された電圧を安定させ、遅いサージの大きさを減少させるという二重の機能を提供します。これらは通常、大きなコンデンサであるため、大きなケースと高電圧耐性を持つことがありますが、そのESLのために応答時間が遅くなるという代償があります。したがって、ガスチューブが放電する前やTVSダイオードが導通を始める前に、遅いサージからある程度の電力をシャントします。対照的に、高耐性状況で必要とされるほとんどの保護は、これらのコンデンサによって提供されるものではなく、上記のコンポーネントリストによって提供されます。

ESD保護についてもっと学ぶには、これらのリソースを読んでください：

• ESDとは何か、そしてそれが私のPCB設計にどのように影響するのか？
• PCB用ESD保護回路設計入門
• ESDグラウンディング技術を使用して、PCBを電気的損傷から保護する

最後に、キャパシタは、過渡現象が遅く、過度に高い電圧/電流を生じない限定的な状況で役立ちます。このようなケースは、基本的に電力システム内の小さなサージであるスイッチングイベント中のオーバーシュートやスパイクの場合です。大きな過渡現象にはより大きなキャパシタが必要であり、これは電力にとってはより良い戦略ですが、信号にとってはそうではありません。ESDの他の形態には、他のコンポーネントがESDに対する包括的な保護を提供する上でより良い仕事をします。

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