--- title: 保護回路 url: https://doc.liz6.com/ja/hardware/08-power-and-protection/03-protection-circuits locale: ja area: hardware tags: - hardware - power-and-protection date: 2026-06-30 modified: 2026-07-16 description: 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 --- # 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！ ``` ```text 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 | 種類 | 溶断速度 | 典型的应用 | |------|----------|----------| | 早熔断 (Fast) | ms 級 | 半導体保護 | | 遅熔断 (Slow/T) | 数百 ms~s | モーター/トランス/容量性負荷 | | 自己回復 (PTC) | 溶断せず、電流制限 | USB 出力/バッテリーパック | | SMD ヒューズ | ms 級 | PCB 上の小電流 | ### 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*