保護回路で静電破壊、ノイズに強い製品を作る

2005年8月号

保護回路で静電破壊、ノイズに強い製品を作る

あらゆる電子機器でLSIチップの高集積化が進み、静電磁界やノイズなどの障害を受けやすくなってきた。比較的安価で簡単な対策によりこのような障害を避け、頑強な製品を作ることができる。静電磁界やノイズなどの障害に強い製品を作りだすことは、自社の評判を上げるだけでなく、顧客にとっても重要なことである。

Joshua Israelsohn

　CMOSの高集積化により、信号処理能力や演算能力、エネルギー効率、コストパフォーマンス、そしてコンパクト化が進められてきた。と同時に、避けられない過渡パルスに対するIC自体の耐久性が低下してきている。
　過渡パルスの発生要因は、雷、スイッチング、EMP（electromagnetic pulse：電磁パルス）、およびESD（electrostatic discharge：静電破壊）の4つに大別できる。このうちEMPは核爆発により起こることが知られているが、常識ではありえない。しかし実質的にはEMPと同様で、過渡パルスはすべて蓄積されたエネルギーを急激に放出することで発生する。雷やESDは静電気の急激な放電により起こる。つまりスイッチングによる過渡現象は、一般には静電界あるいは電磁界が崩れることによって起きる。コイルや寄生リアクタンスにおける電流や電圧が急激に変わるためだ。
　過渡パルスの発生要因はそれぞれの要因ごとに同じような時間特性を持っている。例えば、スイッチングによる過渡現象は振幅や反復性など、周期特性を持つ傾向がある。それは、デバイスの設置状況に応じて変化する。雷や静電破壊は非周期的である。また、広範囲にわたるためどこでいつ起きるかは予測不可能である（図1）。（図1の動画バージョンは地理的条件を関数とした平方キロメートルあたりの年間落雷数を表している。http://www.edn.com/contents/images/edn050414_techflick1.mpg・出典：NASA National Space Science and Technology Center Lightning Team）
　雷や静電気放電によって発生する過渡パルスは、測定が困難である上に振幅が大きく変化する。これに対してさまざまな評価基準や試験方法が開発され、推奨されてきた。例えば電荷蓄積やソース・インピーダンスなど、重要な物理量の測定基準は異なるものの、「過渡パルスによる障害はどうやって予想しなかった回路で起きるのか」と誰しも考える傾向がある（表1）。この表のデータは完璧というわけではない。過渡パルスは矩形波ではなく、立ち上がりは指数関数的に高速で、振幅のピークは鋭くとがっており、その後比較的ゆっくりとした指数関数的に減衰する。
　過渡パルスの障害を受けやすいあるノードについては、いくつかの要件を同時に満たす保護回路が必要である。まず保護すべきノードを安全な電位にクランプする必要がある。保護すべき回路によって適切な保護用デバイスは異なる。保護デバイスは過渡パルスの立ち上がり速度よりも十分に高速に応答し、ノードの電圧を破壊閾（しきい）値以下に保たなければならない。保護回路のプリント基板回路設計が十分に高速対応できるレイアウトをしていれば、低インダクタンスのシャント素子と低容量の直列素子で回路保護はできる。その保護方式は過渡パルスのエネルギーを吸収するか、過渡パルスのソース・インピーダンスに吸収させなければならない。
　このため、半導体のオンチップ保護回路だけに頼ることはできず、プリント基板レベルでの保護回路を設けなければならないことも多い。したがって、過渡パルスから保護する方式を決めるには、まず回路が吸収すべき全破壊エネルギーを計算する必要がある。また、発生周期や熱時定数を想定し、クランプ素子が過渡パルスで過熱しないようにしなければならない。
　一般的には、電源ラインの引き込み口や信号の入出力部など、システム内で露出しているポートが、過渡パルスの影響を受けやすい。キーボードやディスプレイのケースのように表面が絶縁体で覆われているところの近くにあるノードは、内部であっても過渡パルスの影響を受けやすい。過渡パルスは特定のリード線上で発生してその周辺回路にダメージを与えるとは限らない。あるサブシステムに接続されたリード線が、他のサブシステムに接続されているリード線と容量結合していると、電界破壊により過渡パルスを生じることがある。また電流の立ち上がり時にサブシステムに接続されたリード線に誘導結合すると即、電界破壊が起きる可能性がある。そのような場合には、電界破壊が起きる部分だけを保護しても十分ではない。例えば、信号リード線と電源ラインとを一緒に束ねていると、モーターから発生した電源ラインの過渡パルスが、振幅は小さいものの信号ノードに誘起することがある。
　高速回路は、保護するのが難しい。シャント用のコンデンサを加えるとそれが負荷となり、高速回路がこのコンデンサの影響を受けるからだ。この負荷状態はクランプ方式が保護されたノードに追加された形になる。ラック間接続などの短距離アプリケーション用であっても言える事だ。この理由は、光ファイバが高速通信に好まれる理由のひとつだ。
　工業用あるいは医療用の信号処理アプリケーションでは、普通に見られる絶縁されたフロントエンドは大きなコモンモード電圧をブロックし、信号の差動入力成分のみを通す。コモンモード成分は絶縁バリア全体にわたって現れ、多くは500Vから2kVの範囲の限られた絶縁破壊電圧を示す。絶縁バリアの絶縁破壊電圧を超える過渡パルスがESDなどによって加わると、システム側のグランドに放電される。このとき絶縁バリアを設計したパスを通る（図2）。そのようなパスの予測は、光学的、あるいは容量性、磁気的など、バリアの種類によって異なる。

GDTで落雷から守る

　落雷は、ピーク電圧とピーク電流ともに最も大きな電界破壊の要因となるため、落雷から回路を保護する必要がある。落雷場所から相当離れた距離でも、雷により誘起されたサージ電流はかなりのエネルギーを持つ。ほとんどの保護デバイスは持ちこたえることができない。取り付けたノードを保護するには全く十分でない。表2は、表1の雷の特性をさらに詳細に示している。
　落雷による電界破壊の影響を最も受けやすいノードは、電源ラインの引き込み口、アナログ電話回線、POTS（plain-old-telephone-system）、デジタル加入者線DSL（digital-subscriber-line）、そしてケーブルテレビ・システムなどの屋外の回路を信号ラインに接続されている。POTSの給電に対して帯域幅はそれほど厳しく要求されないが、DSLはPOTSのインフラを利用する。このため保護デバイスは、ケーブルテレビのようにシャント容量をできるだけ小さくする必要がある。GDT（gas-discharge tubes）は、ガスプラズマ避雷器としても知られているが、最初の入力ラインに設置して大規模に電荷を分散させるのに最も適したシステムである。
　通常の動作環境では、GDTのシャント・インピーダンスは容量1pF以下で1TΩ台である。GDTのリーク電流は通常1pA以下と小さい。リーク電流と容量が低いため、ガスがイオン化する電圧以下、つまりグロー電圧以下の印加電圧では印加電圧ほとんど変化しない。いったんGDTがグロー電圧に達するとインピーダンスは急激に低下し、ガス中を電流が流れる。電流が増大すると、大量のガスが誘起されてプラズマを生成する。それによりデバイス間の電圧が15V付近にまで低下する。ソースがプラズマに電流を供給できなくなるとプラズマは自動的に消滅する。ここで起きていることは、過渡パルスの電圧を1μs以下で15V近くまで制限できることである。過渡パルスのソース・インピーダンス内でほとんどのエネルギーを放出させることがGDTのひとつの特徴で、保護デバイスや保護対象回路内でエネルギーを放出させない。信号電圧の立ち上がり速度（dV/dt）、GDTの電極間隔、ガスの種類およびガス圧の組み合わせが、作動電圧を決定する。このデバイスは20kAまでの大電流に耐えられる。
　GDTには単極管および三極管の形がある（図3）。三極管のGDTは一見簡単な構造のデバイスに見える。差動間の差動ペアのバランスを保つ。非対称性が少しでもあると、過渡パルスはどちらか一方と結びつき、バランスが崩れ、大きな差の信号となっていく。二つの保護デバイスにおいて応答性能にわずかな違いがあると、破壊的な振幅がシステムの入力端子に現れてしまう。例え過渡パルスがバランスよく対称的に入ったとしてもである。三極管GDTは一つのチューブの中に体積が同じガスを入れてあり、一つの差動デバイスと二つのシャント素子がある。端子対の間で導通する場合は三つのすべての端子間の導通を引き起こす。それは、絶縁、イオン化、プラズマというガスの状態がチューブの動作を決めるからである。

MOVで保護する

　MOV（metal-oxide varistors：金属酸化物バリスタ）は非線形の電圧可変抵抗である。焼結金属酸化物が、互いに逆向きに直結した対のツェナー・ダイオード構造を形成する。MOVのリーク電流は通常10μAオーダーでシャント容量は45pF程度である。電圧が上昇しMOVの閾値を超えると、分布している等価ダイオードの一つがアバランシェ降伏を起こし、デバイスは保護対象ノードをクランプする。電流が増大すると結果的に、デバイス全体にわたって電圧を上昇させる。これはバルク材料に共通した限界の要因であることが多い。
　クランプデバイスとして、MOVはGDTとは反対に、過渡パルスのエネルギーを大部分吸収する。エネルギーのほとんどが、過渡パルスのソース抵抗や過渡パルス発生カ所と保護対象ノード間の抵抗で消費される。電力やPOTS、工業用センサーなどは、MOVのリーク電流およびシャント容量の影響を受けにくい。
　これらのアプリケーションにおいて、MOVはGDTと一緒に用いることで、落雷により誘起された過渡パルスに対する適切な二次保護回路になる。MOVはGDTよりもはるかに高速に作動するからだ。MOVが加熱しすぎると、熱によるストレスが蓄積し、性能が劣化する恐れがある。このため、避けようとしている過渡パルスの特徴を十分に解析する必要がある。また、MOVに吸収させたいエネルギーの総量を計算し、最悪ケースの過渡パルスの回数を考慮する必要がある。デバイスは安全に安全を重ねて仕様を規定しなければならない。

指先からの放電

　電子機器でよく起きる過渡パルスの要因は、ESDである。ESDダメージを防ぐ保護方式を設計するには、次の3つのことに気をつける必要がある。まず、「いろいろな標準規格があるということは、ソース・モデルも多数ある」ということだ。どのソース・モデルと評価方法が所要のアプリケーションに最も適切かを、設計の初期段階で決定しなければならない。考えていたのとは違うソース・モデルをLSIメーカーが指定した場合、そのソース・モデルとテスト方法にどの程度信頼性があるかを評価する必要がある。ESDに対する耐久性が顧客にとって重要な場合には、I/Oポートのサブシステムやヒューマン・インターフェースの部品を試作して試験する必要があるかもしれない。次に、最新の高速I/Oポートはかなりの信号劣化を伴うため、ACの負荷がかけられない。このため、保護デバイスにはシャント容量はほとんど追加できない。I/Oポートに加えたシャント容量に対するアプリケーションの感度を評価するといい。その時、ポートに必要なバンド幅で、通常の動作条件下の信号源インピーダンスを考える。最後に、高速I/Oを可能にするシリコン・プロセスのダメージに対する閾値は低いため、保護対象ノードを十分高速にクランプし、十分低い電圧に固定する必要がある。ほとんどすべてのLSIはESD保護用のセル持っている。しかし、すべてのLSIメーカーが同じソース・モデルやテスト方式を採用しているわけではない。したがって、アプリケーションに組み込んで設計する前に、開発対象のLSIがどのぐらい頑強であるかを調べておかなければならない。製造委託メーカーの自由にさせずにESDに敏感なノードに使うLSIを置き換えてしまうこともできる。もし、このLSIを選択する基準が耐久性や信頼性を考慮に入れていなければの話だが。
　ESDのソース・モデルはその発生要因によって、HBM（human-body model：人体モデル）、CDM（charged-device model：帯電デバイス・モデル）、MM（machine model：マシン・モデル）の三つに大別される。CDMとMMは、製造環境内で発生しうるESD故障のモデルである。あるいは、電荷が最終製品の絶縁表面に集まることによって発生しうるESD故障のモデルである。摩擦で帯電した電子が移動することで起きるものが良く知られている。HBMは、製品が製造後に直面する典型的なESD故障である。これらESDのソース・モデルの分類は全く別々に起こるというものではない。製品が受けそうな各三つの要因のソースやシナリオを考慮しなければならない。例えば、MMは、帯電している人間がちょっと導体に触れたときに放電することによって起こる。このため作業者が小さな道具を使う時は、まず最初に蓄積された電荷を近くのグランド端子に放電しなければならないが、これを怠ると起きてしまう。
　HBMモデルの評価基準として、LSI業界で最もよく引き合いに出されるものはIEC-64000だ。これは気中放電や直接接触試験方式を含む。ソース・モデルには330Ωのソース抵抗と150pFのコンデンサを規定している（図4）。ESDモデルは高インピーダンスの電荷通過パスを含むことが多い。このため充電回路はテストするデバイス側には影響を及ぼさない。
　MIL-STD-883の例では100pFのコンデンサと1.5kΩのソース抵抗を使用している。全エネルギーとピーク電流はIEC-64000が許容する振幅の数分の1に制限している。ESDの規格が試験電圧しか与えていない場合、これらの二つのソース・モデルでは不十分だ。メーカーは、ソース・モデルとテスト方法を特定し、ESD仕様を評価するための詳細を明らかにする必要がある。その他の一般的なESD基準には、MMに対するEIAJ IC121、CDMに対するUS ESD DS 5.3などがある。
　大気中での放電試験方式はよりなじみがある。しかし米Semtech社のアプリケーションズ・エンジニアリング・マネジャーであるBillRussell氏は次のように指摘する。「直接接触方式のほうがより再現性がある。直接接触方式は最も厳しい試験条件をモデル化しており、現実的な放電に近い。設計時に、直接接触試験方式だけを使うユーザー（電子機器メーカー）は多い。彼らは気中放電方式を考えたこともない。直接接触試験方式はまた、高密度の実装基板上の特定のノードを試験することができるのに対し、気中放電は制御しにくい。IEC 61000-4-2レベル4は8kVの接触放電を要求しているが、今日ではその要求以上を目指すメーカーが多い。携帯機器メーカーでは10～12kVで試験をしているところがある。」ESD電圧は高いかもしれないが、全エネルギーはそれほど大きなものではない。例えば、IEC 61000-4-2のHBMモデルを使った場合、10kVをかけると7.5mJとなり、電圧の二乗により変化する。
　TVS（transient-voltage suppressors：過渡電圧抑圧器）は、アバランシェ型ダイオードである。従来、TVSのシャント容量は数10pFであったが、最近のデバイスでは10pF未満のものもある。リーク電流は、低電圧部品では100μA以上である傾向があるが、12Vあるいはそれ以上で動作する部品では5μAにまで下がる傾向がある。
　最新のTVSの傾向は、集積化が進み高密度の携帯型デバイスをサポートするようになってきている。チップスケールパッケージ内の複数のデバイスがノードの間隔を設定し、保護対象ICやインターフェース・コネクタにあわせている。集積化されたTVSとEMIフィルタにより、一つのパッケージで二つの重要な課題に対応している。バスをI/Oに引き回すのが簡単になる。マルチTVSパッケージは小さいため、高集積回路の最も一般的な保護デバイスとなってきた。

安全第一

　携帯機器用バッテリーの歴史において、リチウムイオンの化学的性質を応用するという発想は、最大の発見の一つといえる。リチウムイオン電池は、その軽量さに似合わない容量電力密度の高さがあり、デジタルカメラから携帯電話、ノートパソコンまでさまざまな携帯機器に使用されている。その化学的性質によって携帯機器にさまざまな性能向上をもたらしたものの、電源として採用する際には、厳しい条件下における動作保証が不可欠だった。
　リチウムイオン電池を用いたシステムでは、過電流状態は急速に壊れていくなど、重大な事故を招きかねない（過電流状態におかれたリチウムイオン電池の動画2本を、http://www.edn.com/circuitprotectionで見ることができる（出典：米Texas Instruments社））。しかし、換気や充電/遮断制御、機構設計を適切に行なうことで、リチウムイオン電池において発生する事故を防ぐことは可能である。
　残念なことに、交換用バッテリーパックの価格が高いため、模造バッテリーのメーカーが続出した。彼らは、純正メーカーが開発で行なってきたさまざまな注意など必要としない。その結果、数多くのリコールを招く結果となってしまった。例えば、Verizon Wireless社は2004年6月、LG社の携帯電話機用の模造バッテリー5万台を、京セラ社は2004年10月に携帯電話用の模造バッテリー100万台をリコールした＊A）、＊B ）。事故も数多く発生しており、米国消費者安全委員会（Consumer Product Safety Commission）が2002年以降調査しただけでも100件以上を数えている。
　リチウムイオン電池の仕様を策定するメーカーは、顧客の安全や自らの社会的地位を確保するために、数々の取り組みを行なってきた。そしていくつかのメーカーは、より安全な電池となるような設計標準および製造標準を策定した。それらのメーカーの1つである米マイクロパワー（Micro Power）社は、リチウムイオン電池の設計および製造における規定を体系化し、「SecuraPack」と名づけた。SecuraPackは、認定されたメーカーが製造した、高品質のセルを使用し、また入荷の際にはサンプルテストを行う。バッテリーパックの筐体は、超音波で溶接する。製品は細部まで検査可能で、規定温度範囲での正常動作のための設計は確実に行ない、さらに携帯型計算機器用2次電池の規格IEEE 1625-2004規格にも準拠している。それに加えて、バッテリーシステム設計や製造プロセスに関する故障モードや故障解析も実施している。
　さらなる安全保護の手法として、周辺機器認証チップが挙げられる。米Maxim社の子会社である米Dallas Semiconductor社や米Texas Instruments社などが製品を販売している。これらのデバイスを用いれば、システムはバッテリーを含むリムーバル・デバイスへの認証処理を行なうことができる。さらに電子機器が、自社製品を使用するメーカーに対して、安全基準を満たしていることの認証も行なっている。

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用語解説 / 会社情報

＊A）
"CPSC, Verizon Wireless Announce Recall of Counterfeit Cell Phone Batteries," Recall Alert, US Consumer Product Safety Commission, June 24, 2004, revised Nov 16, 2004, www.cpsc.gov/cpscpub/prerel/prhtml04/04559.html

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＊B）
"CPSC, Kyocera Wireless Corp. Announce Recall of Counterfeit Cell Phone Batteries," CPSC, Kyocera Wireless Corp Announce Recall of Cell Phone Batteries, Kyocera, Oct 28, 2004.

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