負電圧 EOS：電源が自分のグランドより下に落ちた

どんな基板か

民生機器の静電容量式タッチパネルです。タッチコントローラは COF（フレキシブル基板上のチップ）に実装され、4 本の配線がホスト側へ戻ります。I²C の 2 本、割り込み、リセット、これに 3.3V 電源とグランドが加わります。ホスト側にはごく普通のプルアップがあります。この 4 本には低容量の ESD アレイが入っており、3.3V 電源とグランドを基準にしています。部品の選定も配置も、まったく正しいものです。

同じ基板はスピーカーも駆動しています。この一文が、ここまでの内容すべてより重要になります。

市場から返品されたもの

これは生産上の問題ではありませんでした。基板は検査に合格して出荷され、数週間後にタッチ機能が死んだ状態で戻ってきました。解析するとコントローラが破壊されており、電源ピンとバスピンの両方に損傷がありました。

自然な読み方は ESD です。利用者は一日中この製品に触れるので、タッチコントローラの破壊は保護素子をすり抜けた放電のように見えます。この読み方は調査全体を保護素子へ向かわせます。応答は十分速いか、クランプ電圧は十分低いか、コネクタに十分近いか。どれももっともな問いですが、どれも間違った部品についての問いでした。

すべてを変えた手がかり

ある人が「どう壊れたか」を問うのをやめ、返品された実機を動作状態のまま測定しました。得られた波形は、製品が最大音量で音楽を再生し、しかも誰もパネルに触れていない状態で取得されたものでした。

ここで、それが何を示し何を示さないかを慎重に分ける必要があります。「再生中だけ異常が起きる」ことは証明されていませんし、破壊自体をベンチで再現できた人もまだいません。証明されたのは、利用者がまったく関与しない状態で、製品自身がコントローラの定格を大きく超える電源変動を発生させているという事実です。

それだけで、調査の対象を保護素子から外すには十分です。放電には帯電した物体がポートに近づくことが必要ですが、ここではポートに何も近づいていません。誰も製品に触れていないのに擾乱が存在するなら、そのエネルギーは製品の内側から来ています。音楽の再生は、どこから来ているかを示す手がかりであって、問題の定義ではありません。

波形が示したもの

4 チャンネル。3.3V 電源、バス 2 本、割り込み 1 本。最大音量で再生中、誰もどこにも触れていません。

この波形の中の 2 点が、以降のすべてを決めます。

• 振れ幅が -3.26V に達しています。小さなアンダーシュートではなく、ほぼ電源電圧そのものがグランドより下に出た形です。
• それが 3.3V 電源と信号線に、同じ瞬間に、同じ振幅で現れています。

重要なのは 2 点目です。信号線への静電気放電は、その信号線に現れます。電源に同じ瞬間、同じ振幅で現れることはありませんし、音楽に合わせて繰り返すこともありません。この波形が示しているのは、測定基準となるグランドに対して、ローカル電源全体が下へ動いているという状態です。

見るべき数値は -3.3V ではなく -0.3V

この不良に関する議論はすべて「3.3V ±5%」を使っていました。それは動作範囲であり、不良の議論には間違った数値です。部品が生き残るかどうかを決めるのは絶対最大定格で、このコントローラでは -0.3V から 3.63V です。

この範囲がどれほど非対称かに注目してください。電源より上には 330mV の余裕がありますが、グランドより下は 300mV、それだけです。これは特定品種の癖でもありません。ほぼすべての CMOS のデータシートで、負側の絶対最大定格は正側の定格がどれだけ高くても -0.3V か -0.5V です。

つまり安全動作領域はもともと非対称で、狭い側は誰も確認しない側です。実測された変動は、それをおよそ 10 倍超えています。

チップ内部で何が起きるか

CMOS チップのすべてのピンには、回路図に描かれていないダイオードが 2 つあります。1 つはピンから電源へ、もう 1 つはグランドからピンへ向きます。通常動作ではピンはグランドと電源の間にあるので、どちらも逆バイアスで何も起きません。

ここでグランドを 0V に保ったまま、電源とピンを -3.26V にします。導通する箇所が 2 つあります。

1 つ目は下側のパッドダイオードです。アノードがグランド、カソードがピンなので、3V 以上の順バイアスがかかります。ループ上にたまたま存在する抵抗だけに制限されて、激しく導通します。

2 つ目はさらに深刻です。p 型基板の CMOS プロセスでは基板がグランドに、n ウェルが電源に接続され、この接合はアノードがグランド側にあるダイオードそのものです。電源がグランドより下がると、この接合がチップ全体で順バイアスされます。チップは 1 本のピンにスパイクを受けているのではなく、逆向きに給電されているのです。

だから損傷が 1 本のピンに限られなかったのであり、保護部品の話が出る前に顧客自身の解析が正しい結論に達していた理由もそこにあります。逆電圧がおよそ 0.3V を超えると、チップ内部のトランジスタとダイオードが順方向導通に入ります。それをオーディオの速さで数週間繰り返せば、返品されたとおりの結果になります。

最初の提案

最初に出てきた提案は、配線に低容量の単方向保護素子を入れることでした。理由は単純で、もっともらしく聞こえます。単方向素子は負方向では単なる順方向ダイオードなので、約 -0.7V を下回れば導通し、配線は -3.26V ではなく -0.7V に保たれる、というものです。約 5 分の 1 への改善で、しかも部品は安く、容量もほとんど増えません。

なぜ -0.7V のクランプでは -0.3V 定格のチップを救えないか

それを崩す前に、単方向素子の言い分をきちんと述べておく必要があります。本物の負方向のESD 過渡に対して、正電圧しか流れない配線であれば、単方向素子は確かにより良い選択です。理由もそのとおりで、約 -0.7V で導通するのに対し、5V 耐圧の双方向素子は約 -6V まで動きません。これは一社の見解ではなく業界共通の指針であり、通常の設計では従う価値があります。

問題は、その論理がこの不良に持ち込んでも成立するかどうかです。成立しません。理由は 3 つあり、どれも一般論の欠陥ではありません。一般論が考慮する必要のなかった条件というだけです。

1 つ目は目標値です。順方向電圧は記憶ではなくデータシートから取ってください。この種の超低容量の単方向素子の規格は 最小 0.6V、標準 0.85V、最大 1.0V、しかも 15mA という条件でのみ規定されています。よく使われる「0.7V」は教科書上の近似であって規格ではありません。-6V と比べれば 0.85V は優秀な結果ですが、-0.3V の絶対最大定格と比べればそうではありません。必要だった数値のおよそ 3 倍でクランプすることになり、チップは依然として定格外で、自身の接合も導通したままです。しかも働くほど悪化します。順方向電圧は電流とともに上昇するからで、同じデータシートに順方向クランプ電圧対電流のカーブが載っているのはまさにそのためです。より良いことと安全であることは同じではありません。

2 つ目は見落とされやすい点です。外付けダイオードはオンチップダイオードの手前にあるのではなく、それと並列に入っています。

両方ともアノードがグランド、カソードが配線側です。ダイオードの隣にダイオードを足しても、最初の 1 つから電流を取り去るのではなく、両者の順方向特性に応じて電流が分配されるだけです。外付け側がほぼ全部を負担するには、チップ内部のダイオードより明らかに低い電圧で導通する必要がありますが、小さな低容量ダイは必ずしも先に導通する側ではありません。これは頼りにする前にベンチで一度比べておく価値のある比較です。比べるまでは「外付けが内部を守っている」は結論ではなく仮定にすぎません。

3 つ目は継続時間で、これが 2 つの状況を完全に分けます。あの素子の特性は、100 ナノ秒で終わる放電、あるいは数十マイクロ秒のサージに対して規定されています。-0.7V に 100 ナノ秒、数回だけ保たれるのなら、素子は完璧に仕事をしています。音楽に合わせて製品寿命のあいだずっとそこに保たれるなら、それはデータシートのどの行にも書かれていない動作です。

当社の答えも同じく効かない

この種の記事では普通なら省く部分なので、あえて前の方に置きます。

3.3V バスで当社が選ぶのは耐圧 5.5V の双方向素子で、当社の製品では PS0522G-F4 にあたります。他のほぼすべての場面ではこれが正解です。しかしこの不良に対しては、まったく何もしません。降伏電圧は最小 6.2V なので、早くても配線が -6.2V に達するまでオフのままです。実際の変動は -3.26V。ウィンドウの内側にあり、素子は一度も導通せず、変動は 0.1µA の漏れ電流のまま素通りしていきます。

つまり単方向素子はチップを壊す水準までしかクランプできず、双方向素子はそもそもクランプしません。誰もが交わしていた単方向か双方向かという議論は、問い自体が間違っていたのです。どちらの答えもこの不良に対処していません。当社品を薦めれば部品は売れますが、顧客の返品率は変わらないままです。

この回路図にはもう 1 つ注目すべき点があります。この基板の ESD アレイは 3.3V 電源を基準にしており、通常はそれこそが望ましい構成です。しかし電源そのものが -3.26V まで落ちると、アレイがクランプする基準も一緒に落ちてしまいます。電源基準のアレイは、その電源の良し悪しがそのまま性能になります。

ESD、EOS、サージは 3 つの別々の問題

3 つとも同じ部品が同じ場所に入るため、ひとつの話題として扱われがちです。しかしひとつの話題ではありません。

• ESD はナノ秒の事象です。立ち上がり約 1ns、およそ 100ns で終わり、エネルギーはせいぜい数ミリジュール、製品の一生に数回しか起きません。IEC 61000-4-2 の ±8kV 接触放電は 150pF の電源から来るので、蓄積エネルギーは 4.8mJ です。
• サージはマイクロ秒の事象です。8/20µs 波形で、ミリジュールではなくジュール級、そしてまれにしか起きません。
• EOS は事象ですらなく、状態です。数マイクロ秒のこともあれば永久に続くこともあり、エネルギーは供給側だけに制限され、誰かが基板を直すまで繰り返します。

3 つ目を数値にしてみます。オンチップダイオードが 3.26V で 100mA しか流さないと仮定します。実際の電流は誰も測っておらず、100mA は意図的に控えめな見積もりです。それでも 0.33W あり、1 秒で 0.33J、これは ±8kV 接触放電 1 回のおよそ 70 倍のエネルギーです。しかも毎秒、音楽が鳴り続けるかぎり。

保護素子のデータシートが記述しているのは最初の 2 種類です。3 つ目は記述されておらず、そこに載っているどの数値の組み合わせも、規定されたことのない状態でその部品が生き残るかどうかを教えてはくれません。

負電圧はどこから来るか

電源が自分のグランドより下に落ちる原因は、ほぼ必ず次の 3 つのどれかです。

1. 誘導性のものがオフされること。インダクタの電流は瞬時には止まりません。スピーカーのコイル、モーター、ソレノイド、リレーは、駆動がオフになるとき駆動側のノードをグランドより下へ押し下げます。どこまで下がるかは、駆動がどれだけ速く止まるか、そしてそれを受け止めるものが何かで決まります。
2. 共有されたリターン経路。デジタルグランドを兼ねる銅箔に大きな負荷電流が流れると、その銅箔に電圧が生じます。遠端にある回路は基準そのものが動きます。回路図にはその手がかりが一切ありません。回路図ではすべてのグランドが同じノードだからです。
3. 電源が引き下げられて振動すること。大きな電流ステップが終わるとき、バルクコンデンサが少なく電源までの経路が長い電源はアンダーシュートします。そのループのインダクタンスが十分大きければ、アンダーシュートはゼロを下回ります。

これは最初に見たのと同じ図で、何ひとつ動かしていません。加えたのは銅箔 1 か所への印だけです。そしてそれこそが、この不良が隠れていられる理由です。回路図ではすべてのグランド記号が同じノードなので、2 番目のメカニズムは見えません。文字どおり見るものがないのです。物理配置では一目瞭然です。タッチモジュールは大きなオーディオ電流が流れる銅箔の遠端に座っており、遠くに座るほど基準の動く量は大きくなります。

4 つ目の可能性、つまりコネクタから入ってくる事象は、誰もが最初に想定するものであり、この波形が排除したものでもあります。音楽に合わせて繰り返し、誰も製品に触れていない状態で起きているからです。

最初の 3 つのどれであるかが対策を決めますが、ひとつのグランド基準で取った 1 枚の波形では見分けられません。これは次にやるべき作業であって、推測で済ませるものではありません。

どの製品で起きるか

今回はタッチパネルで起きましたが、タッチに固有の話はひとつもありません。スイッチング負荷や誘導性負荷を低電圧ロジックの隣に置く基板なら、どれでも同じことが起こり得ます。よく見かけるのは次のものです。

• オーディオ。テレビ、サウンドバー、スマートスピーカー、タブレット、スマートフォンのスピーカー出力と D 級アンプ。スピーカーのコイルはインダクタで、電流も大きくなります。
• モーター駆動。家電、電動工具、ロボット掃除機、産業機器のブラシ付きおよび BLDC モーター、ファン、ポンプ。転流のたびに誘導性のスイッチングが起きます。
• リレーとソレノイド。スマートメーター、入退室管理、自動販売機、空調、工場自動化のコイル。典型的な負方向のキックであり、典型的なフリーホイールダイオードの入れ忘れです。
• LED バックライトと LED ドライバ基板。モニタ、サイネージ、メータークラスタの昇圧および昇降圧段。とくに PWM 調光がある場合は、負荷全体を毎秒数千回オンオフすることになります。
• 活線挿抜とケーブル接続。USB、Type-C、ドッキングコネクタ、バッテリーパックなど、通電したまま接続され、電源が落ち着くまで動く場面です。
• 車載および産業用の 12V、24V 基板。長いハーネス、モジュール間で共有されたグランド、同じ電源上の誘導性負荷。

これらをつないでいるのは用途ではなく、その下にある配線の問いです。大きなスイッチング電流が、あなたのロジックの基準となるグランドと銅箔を共有していないか。共有していれば電源は動き得ますし、基板が生き残るかどうかを決めるのはデータ線上の保護素子ではありません。

次に測るべきこと

4 つの測定を、この順番で。どれも新しい機材は要りません。

1. スコープのグランドを移す。同じ波形を、グランドリードをホスト側ではなくタッチモジュール自身のグランドに付けて取り直します。-3.26V が消えるなら、電源はどこへも動いていません。2 つのグランドが互いに離れたということで、これはリターン経路の問題です。
2. 2 つのグランド間を直接測る。1 チャンネルをモジュールのグランドに、ホストのグランドを基準にします。そこに現れるものが、信号線上のどんな素子も届かない部分の問題です。
3. スピーカー電流をもう 1 チャンネル追加する。負方向の変動が最大音量の瞬間ではなく、駆動電流の変化が最も速い瞬間と一致するなら、メカニズムは誘導性でオフのタイミングで起きています。
4. 同じ瞬間にアンプ自身の電源も見る。そこに鏡像が現れるなら、擾乱は電源側から来ており、タッチモジュールは巻き添えです。

半日ほどの作業ですが、これで下の対策のどれが本物かが決まります。省くと、3 回の改版で 3 種類の保護部品を載せ替えて、最後まで返品率が変わらない製品ができあがります。

本当に効く対策

効果の大きい順に並べます。

1. 2 つのグランドを相対的に動かさないこと。スピーカーに電源までの専用リターンを与え、オーディオ電流がデジタルグランドと銅箔を共有しないようにします。モジュールがフレキシブル基板なら、グランド導体を増やしループを短くします。これは配線の作業で、次の改版なら費用はかかりません。
2. バルクコンデンサはアンプのそばに置くこと。コネクタ側ではありません。落ち込まない電源には、跳ね返るものがありません。
3. 信号線に直列抵抗を入れる。これは電源を直すものではなく、上の 2 つの代わりにもなりませんが、電源が実際に動いたときオンチップダイオードが負担する電流を制限できます。キロオーム級のプルアップを使うバスなら、100 オーム程度の代償はごくわずかです。値を決める前に、L レベル出力の余裕とバスのタイミングを確認してください。
4. それでもグランドより下へ引かれ得るなら、連続電流用に作られた部品で受け止める。グランドから電源へ、カソードを電源側にしてショットキーを入れると、ゼロより数百ミリボルト下で導通し始めます。それでも 0.3 から 0.5V あたりに落ち着くので、致命的な変動を生き残れる変動に変える最後の防波堤と考えてください。上の 2 つを省いてよい理由ではありません。

このリストに載っていないものに注目してください。別の ESD アレイです。当社のものであれ他社のものであれ、-3.26V の電源を -0.3V に変える保護素子は存在しません。保護素子はそのためのものではないからです。

ESD 素子が守るのは ESD です

これは同語反復ではなく、核心そのものです。保護素子は特定の波形、特定の継続時間、特定の繰り返し回数について規定されています。その外側では、動作はまったく定義されていません。ピンに起きる不都合すべてを受け止める万能の安全網ではないのです。

ですから基板が壊れ続けているとき、問うべきは「どの保護部品を載せるか」では決してありません。別の 3 つの問いです。それは何の事象か、どれだけ続くか、エネルギーはどこから来ているか。これに答えれば、正しい部品あるいは正しい配線はたいてい自明になります。飛ばせば、最初から経路上になかった部品を 1 年かけて変え続けることになりかねません。

この基板では、3 つ目の答えは「製品の内側から、自分自身のスピーカーから」でした。タッチ配線上のどんな部品もそれを直すことはできませんし、それをはっきり伝えることのほうが、部品を 1 つ売るより顧客にとって価値がありました。