保護
ESD 保護ダイオード
人体静電気やその他の過渡事象から IC ピンを守る小型ダイオード。
これは何ですか?
ESD(静電気放電)保護ダイオードは、信号ラインとグランドの間に並列接続される低容量 TVS です。通常動作時には信号に対して透明(極低リーク、極低容量)です。ESD ストライクが発生したとき、例えばカーペットを歩いた人が USB コネクタに触れた瞬間、ダイオードはナノ秒オーダーで降伏してサージ電流をグランドへ分流し、下流の IC が破壊される前にラインを安全な電圧にクランプします。
いつ必要ですか?
- 外部に出るすべてのデータライン:USB 2.0 / 3.x / Type-C、HDMI、DisplayPort、Ethernet、オーディオジャック、アンテナポート。
- コネクタ近傍や基板端を通る内部高速バス(PCIe、MIPI、LVDS)。
- 組み立て時に露出するセンサライン(タッチパネル、加速度センサのブレイクアウト、デバッグヘッダ)。
- IEC 61000-4-2 システムレベルテストに耐えるオンチップ ESD を持たない MCU/SoC のあらゆるピン(シリコン HBM 等級は IEC ±15 kV よりはるかに弱い)。
正しい部品の選び方
- VRWM(逆方向動作電圧)
- 該当ラインの最大 DC 電圧以上である必要があります。一般的な選択肢:3.3 V、5 V、12 V、24 V。
- Cj(容量)
- 高速信号で極めて重要。USB 2.0 は約 3 pF まで許容、USB 3.x / HDMI 2.1 は 0.5 pF 未満、PCIe Gen 4+ は 0.3 pF 未満が望ましい。容量は低いほど信号インテグリティに有利ですが、ダイ面積コストが上がります。
- VC(クランプ電圧)
- サージ時に実際に保護対象 IC に到達する電圧。低いほど良好。スナップバック型は 5-7 V、従来型 TVS は 10-20 V にクランプ。
- IPP(ピークパルス電流)
- IEC 61000-4-5 の 8/20 μs で測定される、ダイオードが破壊されずに吸収できるサージ電流。IPP が高いほど実環境のサージ(ケーブル放電など)に強い。
- チャンネル数(単線/多線アレイ)
- 単一信号には単線、差動ペアやバスでは基板面積を節約するためアレイ(2/4/6/8 ch)。
- パッケージ
- 最も狭いスペースには 01005 と CSP0402-2L、最も一般的なのは DFN0603-2L(0201)と DFN1006-2L(0402)、多ラインアレイには DFN2510-10L や SOT23-6L。パッケージが小さいほど寄生インダクタンスが低く、クランプ性能が良好です。
Magnias の提供製品
Magnias は幅広い ESD ポートフォリオをご用意しています。動作電圧 1 V〜60 V、容量は最小 0.09 pF(PZ0101B-F2、PZ0301B-F2)、サージ定格は数 A から 290 A(8/20 μs、PT0485J-F22)まで。パッケージは 01005 と CSP0402-2L から SOD123-FL、SOP-8 まであり、シングルライン品に加えて USB、HDMI、Thunderbolt、Ethernet、アンテナポート向けの多ラインアレイもあります。最も低いクランプ電圧にはスナップバック品を。多くの製品に AEC-Q101 対応品があります。その型番のデータシートに記載の -A 型番をご注文ください。
よくある質問
なぜ ESD ダイオードの容量が高速信号で重要なのですか?
容量が信号ラインに負荷を与え、高周波成分を減衰させます。3 pF のダイオードを USB 3.0 ラインに付けるとアイダイアグラムが顕著に閉じますが、0.3 pF ならほとんど影響なし。1 Gbps を超える信号には予算が許す限り低い容量を選んでください。
MCU のデータシートに ESD 保護が内蔵と書いてあります。それでも外部ダイオードは必要ですか?
オンチップ ESD は製造ハンドリング用の JEDEC HBM(約 2 kV 人体モデル)で評価されており、システムレベルではありません。IEC 61000-4-2 システム試験(±8〜±15 kV)を通過するには、外部に露出するすべてのピンに外付け ESD ダイオードが必要です。
ESD ダイオードと TVS の違いは?
同じファミリです。ESD ダイオードは極低容量と高速応答に最適化した TVS で、8/20 μs 定格は多くが数 A〜数十 A、高サージ品では 290 A(PT0485J-F22)に達します。電源ライン用 TVS(例:DO-218 のロードダンプ TVS)は 10/1000 μs で約 100 A〜300 A 超の定格を持ちますが、容量がはるかに高く、信号ラインではなく DC レール向きです。
単方向と双方向、どちらを使うべき?
DC 給電された信号(例:3.3 V のセンサライン)には単方向。AC 信号や正負両方に振れる差動ペア(オーディオ、RS-485、アンテナライン)には双方向。
ESD ダイオードをコネクタからどれくらい近くに配置すべき?
できるだけ近く。理想のレイアウトは「コネクタパッド → ESD ダイオード → IC へのトレース」。ダイオードより手前のトレースインダクタンスは効果を減じ、ダイオードより先のトレースインダクタンスは無害。
ESD 仕様書の「snapback」とは?
スナップバックダイオードはトリガ電圧 > ホールディング電圧。一度発火すると低い電圧(1-3 V)まで引き下げ、電流を分流しながら非常に低くクランプします。保護対象 IC にかかる電圧を最小限に抑えたい信号ラインに最適。
Magnias の ESD ダイオードは AEC-Q101 認証取得済みですか?
多くの製品に AEC-Q101 対応品があります。その型番のデータシートの注文情報で、末尾が -A の型番(例:PZ0303P-F10-A)を確認してください。-A 型番の記載がない場合は FAE までお問い合わせください。