ハードウェアエンジニアのためのサージ抑制と接地設計ガイド

トランシーバーが現場から戻ってきたが、ラインドライバがあった場所に穴が開いていた。顧客は、直撃ではなく近くに落雷があったと説明する。IC単体でテストしてみると、すべてのベンチテストに合格する。本当の原因は別のところにあった。サージプロテクタのクランプが遅すぎた、リード線が長すぎた、そしてアースへの経路が設計されていなかったのだ。部品自体は機能していたが、システム全体が機能していなかった。

サージ抑制と接地は、ICベンダーではなく、設計者であるあなたの責任です。これらを怠ると、RMAサイクル、フィールド故障の繰り返し、そして安全上のリスクが発生します。では、IEC 61000-4-5では、過渡電圧はどのように接合部にストレスを与えるのでしょうか？保護ステージはなぜ連携して動作する必要があるのでしょうか？サージ保護デバイスはどこに配置すべきでしょうか？また、接地とレイアウトは、雷/サージ保護が機能するかどうかをどのように決定するのでしょうか？

主要なポイント（要点）

• まずはサージ発生時の環境を把握し、テストレベルを測定してください。これが、その後のあらゆる意思決定の指針となります。

• 保護回路を連携させて動作させる。回路間にインピーダンスを追加することで、サージエネルギーを分散させる。

• サージプロテクタの配線は短くまっすぐにしてください。配線が長いと、余分な電圧が高くなります。

• 基板をレイアウトする前に、アースへの経路を計画してください。インダクタンスの低い短いアース経路が、保護機能を正しく動作させます。

• 沿面距離、空間距離、および設計製造性（DFM）の規則に従ってください。これらの規則は、過渡電流がギャップを飛び越えるのを防ぎます。

取締役会レベルでの急増する脅威

IEC 61000-4-5 試験レベル

IEC 61000-4-5 は、設計対象とするサージ波形を規定しています。最も一般的な発生源は複合波形発生器です。これは、1.2/50 µs の開放電圧と 8/20 µs の短絡電流を出力するため、エンジニアはこれを「1.2/50-8/20 µs」サージと呼びます。その実効出力インピーダンスは 2 Ω で、これは開放電圧のピーク値と短絡電流のピーク値の比です。屋外通信機器は、代わりに 10/700 µs の電圧波形と 5/320 µs の電流波形を持つ、より高エネルギーの発生器に直面します。

波形セット	電圧波形	現在の波形	一般的なアプリケーション
コンビネーションウェーブ	1.2 µs / 50 µs	8 µs / 20 µs	ほとんどのアプリケーション
高エネルギー発電機	10 µs / 700 µs	5 µs / 320 µs	屋外通信ネットワーク

立ち上がり時間と立ち上がり時間は、単純な立ち上がり時間ではなく、仮想的なパラメータです。開放電圧の場合、立ち上がり時間は30%～90%の立ち上がり時間の1.67倍になります。部品を選ぶ前に、製品規格とテストレベルを照合してください。ジェネレータのインピーダンスは、特定の電圧が基板にどれだけの電流を流すかを示します。

サージが半導体接合部に与える影響

落雷やスイッチングサージは、2つの経路で基板に到達します。コモンモード過渡電圧は、インターフェースケーブルを通して電流を押し出し、アースへと戻します。ディファレンシャルモード過渡電圧は、信号ペア自体に現れます。どちらも電気的なサージやスパイクとして配線に結合し、どちらも最初に最も弱い接合部に到達します。

半導体接合部は、電流が極めて小さな領域に集中するため、最初に故障します。逆方向降伏領域を超える過渡電圧が発生すると、エネルギーが小さなシリコン領域に放出されます。その結果、局所的な発熱が生じ、接合部が短絡します。これが、堅牢なICよりもコネクタのサージプロテクタが重要な理由です。クランプは、エネルギーがダイに到達する前に迂回させる必要があるのです。

まず、サージ環境とテストレベルを定義してください。サージ保護段階からレイアウトに至るまで、その後のすべての選択は、その数値に依存します。

段階的サージ抑制アーキテクチャ

単一のデバイスでは、雷サージを吸収しつつICをしっかりと保護することはできません。段階的な保護システムが必要です。各段階はそれぞれ得意とするエネルギーを処理し、各段階間で負荷を分担します。

MOV、GDT、TVSダイオードの協調制御

この3段構成モデルでは、サービス入口にガス放電管（GDT）、中間段に金属酸化物バリスタ（MOV）、保護対象回路付近に過渡電圧抑制ダイオード（TVS）を配置しています。サービス入口のサージ保護段では、大電流を迂回させます。中間段では、通過する電流を吸収します。最終段では、ICピンの残留電圧をクランプします。

	GDT	MOV	TVSダイオード
応答速度	100 ns～1 µs	1～25ナノ秒	サブナノ秒
サージ電流処理	5～100 kA	500 A – 40 kA	10〜500 A
エネルギー吸収	高（アークによるkJ）	10 J – 2 kJ	0.1～50J
クランプ動作	クロウバー	適度な締め付け比	締め付け比が厳しい

協調動作は、各ステージ間のインピーダンス分離に依存します。インダクタンスまたは抵抗を追加することで、サージエネルギーがチェーン全体に分散されます。これがないと、最も高速なデバイスが最初に作動し、イベント全体を吸収してしまいます。TVSはオーバーシュートをピコ秒単位で抑制します。直列インピーダンスの両端の電圧上昇により、MOVがナノ秒単位で作動します。極大電流が数百ナノ秒以内にGDTアークを発生させ、数十キロアンペアの電流を接地します。

クランプ方式とバール方式の違い

金属酸化物バリスタと過渡電圧サプレッサクランプ。これらは電圧を一定のレベルに保持し、エネルギーを自ら放散します。GDTとSIDACtorクローバー。これらはブレークオーバーした後、低電圧導通状態にラッチします。

バールは保持電圧が低いため、電力損失が少なく、より大きな故障電流を流すことができ、クランプよりも長時間、より大きな電流に耐えることができる。

その強度には条件が伴います。回路が追従電流をクリアしない限り、クローバーはラッチされたままになります。保持レベル以下の電流を制限するために、ヒューズ、PTCサーミスタ、またはソースインピーダンスを追加する必要があります。極端な温度範囲でもクリアされることを確認してください。クランプデバイスはクリアを必要としませんが、イベントが発生するたびに自身に負荷がかかります。MOVは繰り返し衝撃を受けると劣化します。TVSダイオードはMOVよりも長持ちしますが、処理できるエネルギーははるかに少なくなります。

バックアップヒューズは、サージプロテクタの短絡から保護します。ヒューズのサイズは、通常の動作電流より大きく、デバイスの故障電流容量より小さくしてください。各部品の故障モードを確認してください。MOVまたはTVSの短絡は、通常、サージが定格を超えたことを意味します。漏れ電流の増加は、繰り返しのサージによる劣化を示しています。繰り返しの故障は、デバイスのサイズが小さすぎることを意味します。データラインの通信エラーは、多くの場合、高容量部品に起因します。コネクタから離れた不適切な配置も、サージ抑制およびフィルタリング方式を弱めます。

サージ保護装置の選び方

サイズ設定とクランプ電圧

まず、スタンドオフ電圧から始めましょう。逆方向スタンドオフ電圧は、最高通常ライン電圧よりも高くなければなりません。これには、電源許容誤差、リップル、オーバーシュート、温度変化などが含まれます。5Vレールは通常動作時に5.25Vまたは5.5Vに達する可能性があるため、5Vスタンドオフは通常使用時にリークしたり、オンになったりする可能性があります。ブレークダウン電圧とスタンドオフ電圧を混同しないでください。低リークはスタンドオフ定格で保証されるものであり、ブレークダウン点で保証されるものではありません。

	意味	選択ルール
逆方向スタンドオフ電圧	規定の低漏洩電圧における最高連続電圧	最大有効線間電圧よりも大きくなければならない
クランプ電圧	定義されたパルス中のデバイスにかかる電圧	保護回路の安全過渡限界値以下に抑える必要がある
ピークパルス電流	特定の波形における最大パルス電流	想定される過渡電流を超える必要がある
ピークパルスパワー	最大短時間パルス電力	定格低減計算パルス電力を超える必要がある

次に、サージ電流を推定し、クランプを確認します。24Vの産業用入力の場合、33Vのスタンオフ電圧で十分です。1000Vの電源、54Vのクランプ電圧、42Ωの電源抵抗の場合、8/20µsのパルス電流は約22.5Aです。保護回路が60Vに耐えられる場合、54Vのクランプ電圧では、PCBがオーバーシュートするまでの余裕はわずか6Vしかありません。クランプ電圧を決して無視しないでください。ダイオードはパルスに耐えられるかもしれませんが、保護対象のICを損傷するのに十分な過渡電圧を通過させてしまう可能性があります。

定格レール電圧のみに基づいて保護電圧を決定しないでください。データシートの波形が想定される脅威と一致していることを確認し、ピークパルス電力に温度によるディレーティングを適用してください。

配置とリード線の長さ

サージ保護装置は、配線が他の場所へ伸びる前に、コネクタの位置に取り付けてください。長い接続リード線はインピーダンスと誘導性電圧降下を増加させます。高周波過渡電流が流れると、そのインピーダンスによって下流機器に到達する残留クランプ電圧が上昇します。保護レベルが低下し、高感度負荷はインパルス耐電圧定格を超える電圧を受けることになります。

配線は短く、まっすぐ、直接接続してください。避雷器と主電源またはアース間の推奨最大配線長は0.5メートルで、これは一般的に50センチメートルルールと呼ばれています。避雷器と機器間のケーブル長は10メートルを超えないようにしてください。それ以上の長さになる場合は、機器の近くに2つ目の連動型サージプロテクタを追加してください。

サージアレスターを機器端子および接地線に接続するためのリード線の長さは最小限に抑え、曲がりを最小限に抑え、できるだけまっすぐに設置する必要があります。

ここでは、DFM（設計製造性）の制約が選択に影響を与えます。ファインピッチの過渡電圧サプレッサパッケージは、パッドサイズとスタンドオフクリアランスに制限があります。部品は、スプリットのサージ入力側に配置し、リターンパスは同じ層に維持してください。認証済みで適切な定格のサージ保護デバイスであっても、組立工場がパッド形状を維持できない場合は、機能しません。

サージ保護のための接地設計

保護接地と信号接地

保護接地と信号接地は異なる役割を果たします。保護接地は故障電流を流し、シャーシを接地電位に保ちます。これにより、筐体に触れた人が安全になります。信号接地は回路の基準点です。シャーシに対して任意の電圧に設定できます。両者の接続点を決定するまでは、それぞれを別々のネットとして扱ってください。

側面	ガイダンス
信号グランドとシャーシグランドの比較	回路グランドはシャーシグランドに接続する必要はありません。USB電源デバイスの場合、GND線は回路グランドに接続され、シールド線はシャーシに接続されます。
一点接合	回路の電源アースは、シャーシの1点のみに接続してください。
高周波ボンディング	回路のGNDからシールドまでの間に数百pF程度の小さなコンデンサを追加して、高周波ノイズをバイパスする。
シールドの取り扱い	シールドと信号リターンは別々の点として保持してください。シールドは電界を遮断するものであり、意図的に電流を流すように設計しない限り、電流を流すべきではありません。
ノイズとループ	回路基準線をシールドから分離することで、ノイズ経路と信号帰還経路が分離されます。これにより、グランドループ、発振、電源ハムノイズが回避されます。

シャーシを信号グランドに一点で接続し、高周波リターン用の小型コンデンサを追加します。これにより、安全接続が確実に維持され、高周波におけるノイズの経路が短くなります。

単一点接地、複数点接地、およびハイブリッド接地

単点接地は、すべての帰線を1つの共通ノードに接続します。これにより、接地ループが制限され、雷雨の間もすべての部品が共通の電位に保たれます。ただし、長い導体がアンテナとして機能してしまうため、約10MHzを超える周波数では機能しなくなります。多点接地は、接地電流に多くの経路を与え、電位を均一化します。しかし、建物の鉄骨を通してループや迷走電流が発生する可能性もあります。ハイブリッド接地は、単点接地を基幹とし、多点接地サブシステムを組み合わせたものです。

1MHz～30MHzの周波数帯域で動作する回路では、ハイブリッド方式が用いられます。接地線の長さが動作信号の波長の1/20未満であれば、一点接地方式を採用します。それ以外の場合は、多点接地方式を採用します。

グランドプレーンの分割と接続は、帰還電流を考慮して計画してください。信号線の下で分割すると、帰還電流が迂回することになり、そのループが放射されます。信号が通過する必要がある場所では、コンデンサまたは狭いブリッジを使用して分割部分を接続してください。サージ保護装置と保護対象機器の接地構成を一緒に設計してください。サージ保護装置には、アースへの短く低インダクタンスの経路が必要です。機器には独自の基準が必要です。接地導体をサージ保護装置から共通のアースポイントまで配線し、その導体を信号帰還線とは分離してください。地域の規定に従って、サービス入口で相、中性線、および機器の接地導体をボンディングしてください。次に、同じポイントでサプレッサを接地してください。長い共有接地線は、すべてのステージで過渡電圧を上昇させ、構築した協調を無効にします。効果的な雷保護は、サプレッサだけではなく、この共有アース基準に依存します。最初にサージ抑制帰還線を配線し、その周囲に信号接地を配置してください。

プリント基板のレイアウトと絶縁技術

沿面距離、空間距離、およびスロット加工

沿面距離とは、2つの導体間の表面に沿った経路のことです。空間距離とは、空気中の直線的な隙間のことです。この距離が短すぎると、過渡電圧がどちらかの導体を飛び越えてしまいます。高電圧パッド間にスロットを設けることで、表面経路を長くすることができます。パッド間に1mm幅のスロットを設けると、表面経路の長さがほぼ2倍になります。これにより、トラッキングやアーク放電が発生する可能性が大幅に低減されます。2mm幅のスロットを設けると、基板を大きくすることなく沿面距離を数ミリメートル長くすることができます。

基板サイズが大きいため沿面距離を十分に確保できない場合は、スロットと物理的な障壁を使用してください。コンパクトな 800V コンバータは、1 mm のスロットと優れた絶縁材で必要な間隔を確保できます。1200V の産業用モータコントローラ (汚染度 2、IPC-2221、グループ II 材料) は、スロットとコンフォーマル コーティングを組み合わせて小型基板に通電します。鋭いトレースの曲がりやエッジは電界を集中させるため避けてください。非常に高い電圧のトレースは内部層から離してください。鋭いエッジを持つ金属パターンは、絶縁体全体に電界を上昇させ、フラッシュオーバーを引き起こす可能性があります。

コモンモードチョーク、Yコンデンサ、および絶縁バリア

コモンモードチョークは、2本以上の電源ラインに共通するノイズを遮断します。その逆向きの巻線は差動電流に対して相殺し合い、コモンモードノイズに対して高いインピーダンスを示します。これを主電源入力付近に配置し、Xコンデンサ、Yコンデンサ、およびサージ保護段と連携させます。Yコンデンサはコモンモードノイズをアースに分流します。Xコンデンサはラインとニュートラル間の差動モードノイズをフィルタリングします。これらの部品は、過渡電圧抑制ダイオードおよびその他のサージ保護デバイスとともに、ICに残留する過渡電圧を除去するサージ抑制フィルタおよび高周波フィルタを構成します。

フェライトチョークは飽和します。高エネルギーのコモンモードサージはコアを飽和させ、そのまま通過する可能性があります。チョークとは別にサージ保護回路を設計し、チョークをサージサプレッサとして扱わないでください。YコンデンサはIEC 60384-14のクラス定格に基づいてサイズを決定し、部品が目標ピーク電圧に耐えられることを確認してください。

DFMはこれらすべてを形作ります。銅は製造ルールの輪郭から約0.3～0.4mm離れた位置にありますが、沿面距離はシャーシまでエッジに沿って伸びています。絶縁スロットにはメッキを施すことができず、配線には約1.0～1.5mmの余裕が必要なため、電気経路はスロットの端を避ける必要があります。絶縁ゾーン内のフラックスやはんだボールは、設置された汚染物質として扱われます。そのベルトは、部品、ビア、シルク、テストポイントの立ち入り禁止区域として扱ってください。コーティングを明示的に指定して検査しない限り、CADで沿面距離を縮小してコーティングを前提としないでください。

制約領域	製造上のトレードオフ
ボード端のクリープ	銅の引き抜きにより、シャーシへの経路が端に沿って残される。
隔離スロット	メッキはできません。ルーティング幅によって、スロット端を迂回する経路が強制されます。
障壁に沿って	狭いマスクダムが表面でパッド同士を縫い合わせる
アセンブリ残渣	フラックスと半田ボールは、隔離ゾーンにおいて汚染物質として作用する。
コンフォーマルコーティング	指定され検査された場合にのみ、汚染度を低減する。

コネクタに短時間の高電圧パルスが流入します。このパルスはチップの最も弱い部分を見つけ出し、破壊します。段階的な保護回路によって、このエネルギーの減衰が行われます。接地とレイアウトによって、クランプが保持されるかどうかが決まります。サージ保護は、単一の部品ではなく、システム全体なのです。

要点をもう一度まとめます。まず、サージ環境を定義し、テストレベルを設定します。MOV、GDT、TVSの各ステージ間にインピーダンスを追加して、連携動作させます。サージプロテクタのリード線は短くまっすぐにします。レイアウトを行う前に、アースへの経路を計画します。沿面距離、空間距離、およびDFM制限に関するルールに従います。各サージサプレッサは、電流がシャーシグランドに分流されるように配置します。

次の建設工事を行う前に、現在のサージ抑制、接地、およびレイアウト計画をこれらのアイデアと照らし合わせて確認してください。

FAQ

サージプロテクタに異常がないように見えるのに、トランシーバーが故障するのはなぜですか？

プロテクタのクランプが遅すぎたか、コネクタから離れすぎていた可能性があります。リード線が長いと誘導性降下が増加するため、ICの残留電圧が許容値を超えてしまいます。部品のせいにする前に、リード線の長さとアースへの帰還経路を確認してください。

TVSダイオード1個だけで基板を保護できますか？

いいえ。TVSはクランプ速度は速いものの、処理できるエネルギーは限られています。雷サージは定格を超えてしまいます。そのため、TVSの前にGDTまたはMOV段を設け、段間にインピーダンスを設けることで、エネルギーを回路全体に分散させる必要があります。

サージプロテクタのケーブルはどのくらいの長さが必要ですか？

主電源または接地への接続は、0.5メートル以内、直線で曲がりが少ないようにしてください。避雷器と機器間のケーブル長は10メートル以内にしてください。それ以上の長さが必要な場合は、負荷に近い場所に2つ目の連動型保護装置を追加してください。

シャーシグランドと信号グランドはどこに接続すればよいですか？

それらを一点で接続し、高周波帰還用に数百pF程度の小型コンデンサを追加します。これにより、安全接続が確実に維持され、グランドループを発生させることなくノイズの経路を短くすることができます。