保護回路

エンジニアリングと実験の違い：保護回路により、基板が最初の通電時に生き残る

ESD 保護

問題

人体静電気: 最大 15kV (人間が感知できない放電)
素子耐圧: MOSFET ゲート ~20V, CMOS IC ~2kV (HBM)

冬場の乾燥した環境で、スリッパを履いてカーペットの上を歩き → 基板に触れる → IC が破損
症状: 「昨日は動いていたのに、今日は動かない」

保護素子

TVS ダイオード (最も一般的)

選定基準:
  動作電圧 Vrwm > 保護対象信号の最大通常電圧
  クランプ電圧 Vcl < 保護対象素子の最大耐圧
  定格電力: ESD レベル (IEC 61000-4-2) に基づく

レイアウトの鉄則:
  TVS は IC の近くではなく、コネクタの隣に配置すること！

  配線: コネクタ → TVS (可能な限り近い) → 直列抵抗/フェライトビーズ → IC
  TVS から GND までのループは極力短くする

USB シグナル線の ESD 保護

USB 2.0 (D+/D-): 専用 USB ESD チップを使用
  例: USBLC6-2, SRV05-4
  静電容量 < 2.5pF (それ以外だと高速信号に影響する)

USB 3.x (SuperSpeed): 極低静電容量 TVS が必須
  例: TPD4E05U06 (< 0.5pF)

VBUS: 5V~24V の TVS を使用 (PD 電圧による)

GPIO / 低速信号

簡易的な解決策: 直列抵抗 + グラウンド側 TVS
  GPIO ── 100Ω ──┬──  TVS → GND
                  └──  外部へ

抵抗が ESD 電流を制限し、TVS が電圧をクランプ
100Ω ~ 1kΩ、信号速度に応じて選択

逆接保護

問題

DC ジャック / ターミナルブロック → 極性を間違えると → 基板全体が焼損
特に注意: 深夜、納期に追われている時、他人に配線させる時

案1: 直列ダイオード (最も簡易)

Vin ──▸├── システム
         │
      (順方向電圧降下 Vf)

利点: 最も簡単
欠点: 電圧降下が 0.3~0.7V、大電流時に発熱が激しい
      P_loss = Vf × I → 3A×0.7V=2.1W の純粋な損失

適用: 1A 未満の小電流 / 電圧降下が許容できる場合

案2: PMOS による逆接保護 ★ 推奨

         S   D
Vin ────┬── P-MOSFET ──── システム
        │   G
        │   │
        └───┤├── GND
            Rgs (10k~100k)

通常時: Vin+ を S に接続、G を R を介して GND に接続
      → Vgs = -Vin → PMOS がオン → ほぼ電圧降下なし

逆接時: G が R を介して Vin+ に接続 → Vgs ≈ 0 → PMOS がオフ
      → バディダイオードが逆バイアス → システムに電流流れず

電圧降下 = I × Rds(on) → 典型値 3A 時 < 0.1V (Rds(on)=30mΩ)
損失 = I² × Rds(on) = 0.27W @ 3A (ダイオードの 2.1W と比較して大幅に低い)

MOSFET の選定: Rds(on) が低いほど良い。Vgs(th) は Vin より低くすること。
       Vds > Vin (余裕を持たせる)

案3: 整流ブリッジ (全自動)

極性に関係なく動作するが、電圧降下が 2×Vf (ダイオード2個分)
適用: コストに敏感でない場合、電流が小さい場合

ヒューズの選定

種類

選定パラメータ

定格電流 In: 通常動作電流 × 1.25 (余裕を持たせる)
        例: 動作 2A → 2.5A を選定

定格電圧: 回路の最高電圧以上でなければならない
遮断容量: 故障時に遮断できる最大電流
        バッテリー給電: 少なくとも 50A (短絡電流は非常に大きい！)

I²t: エネルギー積分、溶断に必要なエネルギー
    ヒューズ選定時、I²t(ヒューズ) < I²t(MOSFET 耐量) であることを確認
    そうしないと、MOS が先に焼損し、ヒューズが溶断しない

自己回復ヒューズ (PTC)

原理: 過電流→発熱→抵抗値の急増→電流制限
回復: 電源を切り冷却すると自動的に回復

利点: 再利用可能、交換不要
欠点: 動作が遅い (ms~s)、リーク電流が大きい、抵抗値が温度に敏感

典型的应用: USB ポート保護 (500mA/1A/2A 仕様)
        バッテリーパック出力
不適: 高速遮断が必要な精密回路

サージ抑制

通電サージ

容量性負荷通電直後:
  キャパシタ初期電圧 0V → 短絡と同等 → 電流スパイク

       ┌── R ──┬──
  Vin ─┘       ┌┴┐
               │C│ (大容量コンデンサ)
               └┬┘
                │
               GND

I_peak = Vin / (配線抵抗 + ESR)
通常電流の数倍に達する可能性 → ヒューズが飛ぶ/過電流保護がトリガー

解決策

1. NTC サーマミスター (最も簡易):
   冷時高抵抗 → 電流制限 → 自身が発熱 → 抵抗値低下 → 通常導通
   欠点: 温時でも残留抵抗があり、頻繁なスイッチング時には無効 (冷却されていないため)

2. ソフトスタート (アクティブ):
   MOSFET ゲートにゆっくり充電 → 徐々にオン → 電流勾配を制限
   追加の RC + MOSFET が必要

3. 電流制限 IC:
   専用ホットスワップコントローラ (Hot Swap Controller)
   例: TPS2490, LM5069
   サーバー/テレコム基板 (ライブプラグイン) 向け

過電圧保護

TVS クランプは瞬時現象 (μs 級)
持続的な過電圧には異なる解決策が必要:

1. ゾーナダイオード + ヒューズ (クラバー):
   Vin ── ヒューズ ──┬── システム
                 ├── ゾーナダイオード → GND
   Vin > Vz → ゾーナダイオード導通 → 大電流 → ヒューズ溶断
   シンプルだが、ヒューズ交換が必要

2. OVP IC:
   電圧が閾値を超えると検知 → MOSFET を遮断
   例: NCP346, AP9101C
   回復可能で、ヒューズ交換不要

3. LDO 入力端での OVP:
   多くの LDO には入力過電圧保護が内蔵されている
   範囲外になると自動シャットダウン

実戦チェックリスト

□ 外部コネクタにはすべて ESD 保護 (TVS をコネクタ近くに配置)
□ DC 電源入力には逆接保護 (PMOS またはダイオード)
□ 各電源レールには適切なヒューズ
□ VBUS/USB 給電には PTC 自己回復ヒューズ
□ 大容量コンデンサ入力にはサージ抑制対策
□ 電力ループ面積を小さくする (寄生インダクタンスによるスパイクを低減)
□ リレー/モーターなどの誘導性負荷にはフリーホイールダイオード
□ MOSFET ゲートには保護 (TVS または ゾーナダイオード + 直列抵抗)

キーワード: ESD, TVS, 逆接保護, PMOS, ヒューズ, PTC, サージ, ソフトスタート, 過電圧保護, フリーホイール