保護のかけすぎ：保護した途端に動かなくなったポート

事例：保護した途端に動かなくなったポート

量産基板上の 12 Gbps リンクです。保護部品のフットプリントを空にした状態でコンプライアンスを通しました。チャネル自体が健全であることを確かめる通常のやり方です。

そこでチームが ESD 保護を強化しました。新しい部品はピークパルス定格が高く、キロボルトの数字も大きく、クランプも良い。誰も手を抜いていません。選定表では皆が見ていたどの列でも良く、実際その後の ESD 認証結果も優秀でした。

そしてリンクはアイマスクを通らなくなりました。基板の他は何も変わっていません。

ここからこのノート全体の一文が出てきます。その部品は買われた目的の仕事では優れていて、そのポートが本来していた仕事を壊しました。

誰も読まなかった列

その選定表には、高速リンクが生き残るかどうかを決める列がひとつあり、それは保護のパラメータではありません。接合容量です。

見落としやすいのは、それが保護をまったく記述していないからです。その行の他の数値はすべて放電の最中に何が起きるかの話で、放電とは百ナノ秒続き製品の一生で数回起きる事象です。容量はそれ以外のすべての時間にその部品が何をしているかを記述します。つまり全時間です。

メカニズム：速い信号にとってその部品はコンデンサ

信号線に載った保護素子は、整合されたペアに並列に入るシャント容量です。モデルはそれで全部であり、ここで起きたことをすべて予測するのに十分です。

数値は思ったより速く厳しくなります。30 pF では 250 MHz より手前でリンクはすでに 3 dB 落ちています。5 GHz でも 1 GHz でもなく、4 分の 1 ギガヘルツより手前です。そういう部品は I²C バスやボタンには何の問題もなく、シリアライザが後ろにいる線には使えません。

そして 12 Gbps リンクの 6 GHz ナイキスト周波数では、クラスの差が容赦なく開きます。0.45 pF が約 0.7 dB、3 pF が約 9.5 dB。イコライザで取り返せる劣化ではありません。

逆から読む：容量の上限

役に立つのは「この部品はいくら損させるか」ではありません。「このラインレートが背負える容量の上限はいくつか」を、誰かがカタログを開く前に出しておくことです。ナイキスト周波数で 1 dB の損失を許すとすると：

• 480 Mbps、USB 2.0 ハイスピードで上限は約 13.5 pF
• 5 Gbps で上限は約 1.3 pF
• 12 Gbps、HDMI 2.1 で上限は約 0.54 pF

こうすると冒頭の故障は謎ではなく算数になります。新しい部品は 0.54 pF の上限に対して 3 pF でした。実装される前からおよそ六倍の予算超過であり、どれほど優秀な ESD 性能でも埋め合わせにはなりません。

当社の部品がどこに落ちるかも書いておく価値があります。PZ0303P-F10 の 0.45 pF は 12 Gbps の上限のちょうど内側であり、はるか下ではありません。この仕事に対して正しく寸法を取った部品であって、英雄的に過剰なわけではない、というのが正直な言い方です。

正しく選んだ部品が実際にいくら食うのか

上限の内側で選ぶことは、その部品がタダだという意味ではありません。代償が小さく、かつ既知だという意味です。そして当社はそれを印刷するほうを選びます。誰かに発見させるよりも。

実際の 12 Gbps HDMI 2.1 リンクで、PZ0303P-F10 の有無を測ったもの：

• アイ幅が 69.92 ピコ秒から 66.48 ピコ秒へ。代償は 3.44 ピコ秒、4.9 パーセントです。
• ジッタが 11.18 ピコ秒から 14.04 ピコ秒へ。代償は 2.86 ピコ秒、25.6 パーセントです。
• どちらのアイもマスクを通ります。

アイ幅とジッタはまさにシャント容量が劣化させる二つのパラメータであり、どちらもモデルが言うとおりの向きにおおよその量だけ動きました。この一致は個々の数値より重要です。まだ実装していない部品を上のモデルで予測してよい、ということだからです。

三つ目の数値について正直に書きます

あの測定には三つ目のパラメータがあり、それについては取り繕いません。アイ高は素の状態より、素子を実装したときのほうが高く測れました。

それを改善として主張するつもりはありません。改善ではないからです。シャント容量がアイ高を増やす機構はありません。同じリンクを二度測ったときのばらつきの中に収まっており、正直な読み方は「アイ高は動かなかった」です。

それでもデータシートには載せ、そのように書いています。自分に都合のよいときだけ公表する測定は、誰にとっても信用に値しないからです。

対処：データレートに容量クラスを選ばせる

この故障を防ぐ選定の順序は二段階で、順序そのものが要点です。

1. まずデータレートに容量クラスを選ばせる。型番がひとつも机に載る前に、ラインレートと配線インピーダンスから上限を出します。これはシグナルインテグリティの決定であり、答えはひとつです。
2. 次にそのクラスの中で最良のクランプを取る。上限の下に収まる部品の中で、そこで初めて保護のパラメータを最適化します。接触定格、ピークパルス電流、クランプ電圧、ダイナミック抵抗。

この順序でやれば、そのリンクが背負える最良の保護が得られます。逆の順序でやると、このノート冒頭の故障が得られます。一行で言えば、そのクラスが許す以上のクランプを買うことが、保護されたポートがコンプライアンスに落ちる理由です。

遅い線では、逆をやってください

この誤りの鏡像も同じくらい高くつき、しかもはるかに語られません。必要のない容量にお金を払わないでください。

約 480 Mbps より下では上限は 13 pF を超えます。つまり超低容量の部品は信号に対して何も買っていないのに、お金がかかり、さらに重要なことに接合面積を失っています。代わりに大きい接合と良いクランプを取ってください。遅い線では、それが端的により良い部品です。

超低容量は品質の証ではありません。特化です。それを必要としない線に載せるなら、二度払っていることになります。一度は発注書で、もう一度は得られなかった保護で。

当社が印刷するもの、そしてその理由

たいていの ESD データシートは容量の数値で止まります。その数値は必要ですが十分ではありません。シグナルインテグリティの技術者が実際に問われるのは、その部品がチャネルに何をするかだからです。

ですから PZ0303P-F10 では、10 GHz までの実測 S21 と、実装ありなし両方の 12 Gbps HDMI 2.1 アイを、データシートそのものに載せています。求められるのはその二つであり、載せてあるということは、容量の数値を当社の言葉だけで信じる必要がないということです。

実務的な申し出も。データレートと配線インピーダンスをお知らせいただければ、部品を推薦する前に容量の上限をお返しします。後ではなく先に、です。二分の計算であり、その後の会話に意味があるかどうかを決めるのはこれです。