ESD抑制ダイオード配置の重要性

　過渡電圧抑制（TVS）ダイオードを用いた敏感な電子機器のESD保護は、業界を通じて一般的な回路技術になってきている。人間が触れることのできる回路（USB、HDMIなど）にある信号線では、何らかのICに入力されている敏感な信号線全てにおいてESD保護が必要である。ダイオードが保護しているICに関連する回路基板のESD保護ダイオードの配置は、非常に重要な役割を果たしている。ESDのような過渡的な現象での信号のPCBトレースの動作を理解することは重要である。例として、TVSダイオードを持つI2Cバス機能拡張の回路図を図１に示す。
　ESDの過渡現象を表す現実的な等価回路を図２に示す。
　PCBトレースには、長さに応じて、関連するインダクタンスがある。SDA信号トレース（図１参照）を考えてみよう。下記のポイントに接続するトレースの長さは非常に重要である。

• ノードAからダイオードの陰極に至るトレースの長さ
• ダイオードの陽極からグランド接続に至るトレースの長さ
• ノードAからICの入力ピンに至るトレースの長さ

　言い換えると、ESD保護ダイオードは保護しているピンのできるだけ近くに配置すべきであり、基準面への接続は、陽極ピンにできるだけ近くする必要がある。そうでなければ、上記のどこのポイント間でもトレースのインダクタンスが十分に大きくなり、IC の入力容量とトレースの浮遊容量が原因でタンク回路が生成されることもある。タンク回路は、ICの入力電圧能力を超えうる電圧で振動し、ICに重大な被害を与えかねない。
　このシナリオはLTSpiceをモデルにした。図３はLTSpiceに生成された回路図を示しているが、図には２つのパーツがある。１つ目はIEC 61000-4-2の試験方法に基づくESDの人体モデルである。２つ目は、トレースSDAのための図２の説明である。図３の説明は、上述のポイント全てで非常に短いトレースを保って適切に配置された（10 Vのクランプ）ダイオード用で、それゆえ結果的にトレースインダクタンスは非常に小さい。図４は、CMOSに基づく入力（コンデンサにより表される）での電圧を示す。
　ESD保護ダイオードが可能な限り短いトレースを保って適切に配置された場合、ESDパルスはダイオードによって安全なレベルまで低減される。このダイオードおよび配置は、ICをESDから十分に保護している。
　一方、図５は適切に配置されなかった（10 Vのクランプ）ダイオードの回路である。ノード Aから図２のダイオードの陰極へのトレースは、長さ約１インチ(25.4 mm)で、およそ1 nHと概算できた。陽極からグランドへのトレースは同じく約０．０３インチ(0.762 mm)、およそ250 pH。
　図６は、（コンデンサによる）入力に基づくCMOSでの電圧を示している。
図６が示しているのは、長いトレースがダイオードの陰極から信号線の結節点へ、およびダイオードの陽極からグランドへ与える明らかな影響である。トレースインダクタンス、配線の浮遊容量、ICの入力容量により決まる周波数で、ピーク電圧が21 V の減衰振動が観測された。

【結論】
　I/O線におけるESDが原因の振動を最小に抑え、ICの損傷を避けるには、以下のことに注意すべきである。
• クランプ(TVS)ダイオードは、できるだけICピンの近くに配置する。• ダイオードの陰極へつながるトレースは、できる限り短くする。• ダイオードの陽極からのグランドリターンへつながるトレースは、できる限り短くする。

図1．TVS保護機器の一般的な回路図
図2．トレースインダクタンスと寄生容量を示す一般的な等価回路
図3．適切に配置されたダイオードのLTSpice ES回路モデル
図4．適切に配置されたダイオードのCMOSベースの入力における電圧
図5．適切に配置されていないダイオードのLTSpice ESD回路モデル
図6．適切に配置されていないダイオードの入力に基づいたCMOSでの電圧

2017年4月10日　by Aziz Yuldashev