APDahlen Applications Engineer
概要
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耐パルスチップ（PWC）抵抗器は、高エネルギーの静電気放電（ESD）のアプリケーションで動作するように設計されています。
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PWC抵抗器は、過渡電圧サプレッサダイオード（TVS）とともに、繊細なロジック回路の入力を保護するために使用することができます。
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ケーススタディとして、Analog Devices（Maxim）のMAX22199ATJ+を使用します。このICは、過酷な産業環境におけるPLCの耐久性を高めるために使用されます。
はじめに
ミネソタ州北部の住民として、静電気の痛みとショックに対処することを学びました。特に真冬は寒さで大気中の水分が奪われるため、大変です。実際、かつてピックアップトラックを持っていましたが、その座席は静電気が発生しやすいように完璧に設計されていました。パチン！指から1インチほどの放電が起きると、運転席がまぎれもなく青い光で照らされたのです。痛みを軽減するために金属製のキーを使うことを学びました。
技術的なことですが、静電気放電（ESD）と電子部品の耐久性について検討します。具体的には、Analog Devices (Maxim) MAX22199ATJ+を使用した産業用アプリケーションについて見てみましょう。これは、8つの24V DC入力を受け入れ、SPIインターフェースを介してマイクロコントローラとインターフェースするように設計されたデジタル入力ICです。ESD保護は、この高インピーダンス入力回路の中心的な設計要素です。関連するプログラマブルロジックコントローラ（PLC）の信頼性と耐久性は、ICの設計とPCB実装に依存します。これは、頑強で侵入不可能なESDの保護シェルと、素晴らしい繊細なロジックを内蔵したキャンディのようなものです。
耐パルスチップ（PWC）抵抗は、現実世界と入力回路との間のインターフェースに配置されます。この抵抗器には、過渡電圧抑制（TVS）ダイオードが付随していることがよくあります。これらの抵抗器は、自己破壊やフラッシュオーバーを起こすことなく ESDエネルギーを吸収し、クッションとして機能することでTVSダイオードの能力を拡張するために特別に作られています。
ESDの簡単な紹介
人体の静電気放電は、ESD損傷のよくある原因です。人体は、帯電したコンデンサと直列抵抗としてモデル化できます。コンデンサのエネルギーは、直接的な接触またはエアギャップを介して回路に放電されます。
エネルギーはすべての利用可能な経路を通り、繊細な電子機器に破壊を引き起こします。例えば、ESDはMOS のゲート構造を簡単に突き破り、瞬間的に電子機器を破壊し、寿命を著しく短くし ます。また、間隔の狭いプリント基板の配線、間隔の狭いICピン間、さらには小さなSMD抵抗やコンデンサを容易に飛び越えます。
技術的なヒント： ESDは、私たちが思っている以上に広く発生しています。 よくやるデモは、小さなネオンランプを使うことです。ネオンランプの片方の足をアースに接続し、もう片方をそのままにしておきます。オシロスコープのアースクリップが便利です。足を引きずって歩き、ランプに触れてみてください。オレンジ色に光れば、人体は少なくとも90ボルトに帯電しています。履物や床の種類によっては、足を引きずるだけでネオンを点灯させることができます。
PCBレベルのESD保護に関する簡単な紹介
基本的なレベルでは、ESD対策は、極小のオンチップシリコン構造の破壊を防ぐための、封じ込め、クランプ、電流制限がすべてです。
封じ込め
電気は、よく言われるような「最も抵抗の少ない経路」にとどまらず、利用可能なすべての経路を通ります。高電圧放電は回路基板のトレースやコンポーネントを容易にブリッジします。つまり、ESDにさらされるセクション間には、物理的に大きなデバイスを使用し、大きなギャップを設けるか、あるいはPCBトレンチを設けるべきです。これにより、放電は制御された単一の経路に制限されます。
電圧制限クランプ
高速動作ダイオードを使用したクランプは、ICを保護するための最後の防衛手段です。ガス放電管、間隔が狭い（レーキ、raked）PCB構造、高速ダイオードやTVSダイオードが使用できます。
クランプは電流制限に依存していることに注意してください。結局のところ、インパルス電流を超えたり、パルスエネルギーを超えたりすると、クランプはその役割を果たせません。電流制限がないと爆発する可能性があります。
電流制限
電流制限は抵抗器と関連しています。具体的には、耐パルス抵抗器です。
耐パルス抵抗器の特性はどのようなものでしょうか？
この文脈では、耐パルス抵抗器は、高エネルギー（高電圧）のマイクロ秒幅のパルスで動作するように設計されています。高い（E^2）/Rに起因する絶縁破壊（クランプの破壊につながる抵抗の急激な低下）、フラッシュオーバー、または爆発なしに、確実にこれを行わなければなりません。また、インパルスの状況を悪化させる寄生インダクタンスなども避けなければなりません。
PWC抵抗器は、パルスアプリケーション用に最適化された面実装の抵抗器です。数年前であれば、炭素ソリッド抵抗器を指定していたでしょう。この古い技術は、バルク（内部質量が大きい）抵抗材料でインパルスを吸収するのに優れていました。今日、PWC抵抗器は通常、このStackpoleの例のように、0402（1.0mm x 0.5mm）から2512（6.4mm x 3.2mm）までのサイズのセラミック面実装チップに厚膜を使用して製造されています。
PWC抵抗器を検討する際には、激しいパルス動作に対する耐久性を考慮してください。抵抗器は、特性を変化させることなく、維持し続けなければなりません。
MAX22199ATJ+を使用したアプリケーションの例
MAX22199ATJ+はインターフェースチップです。PLCに取り付けると、入力は外部に露出し、ESDの影響を受けます。8個の24V DC入力/SPIコンバータのブロック図を図1に示します。入力チャンネルが双方向TVSダイオードを備えていることに注目してください。このダイオードは高速であることが期待できますが、32ピンTQFNパッケージのチップサイズが小さいため、限界があります。
電流制限抵抗を使用すると、TVSダイオードの効果が高まります。これは、1.5kΩ 1WのCMB0207、RPC2512、CRCW2512-IFもしくはこれらと同様のPWC抵抗器を組み込んだものを図2 に示しています。インパルスエネルギーは、内部のPWC抵抗と直列抵抗で消費されます。抵抗の間隔が離れていれば、単一経路、電流制限、クランプといった3つの基準が満たされます。
余談ですが、図3は、さらなる絶縁レベルが望ましいことを示唆しています。例えば、MAX14483AAP+は、MAX22199ATJ+のICとマイクロコントローラの間をガルバニック絶縁しています。キャンディの話に戻りますが、これは堅牢なフィールドデバイス側と、おいしくて繊細なロジック側の責任分界点です。
技術的なヒント： 多くのPLCエンジニアがこの入力ガルバニック絶縁に遭遇したことがあります。PLCの入力ブロックが独自の電源接続とリターン接続で設計されている場合（図2のGNAとGNB）、これはすぐにわかります。
図1： Analog Devices（Maxim）のMAX22199ATJ+の機能ブロック図
図2： 各入力に1.5kΩの耐パルス抵抗器を備えたAnalog Devices（Maxim）のMAX22199ATJ+の典型的な実装
代替案
MAX22199ATJ+を検討している間に、PWC抵抗器に代替するものがあることに触れておく必要があります。図3は、双方向TVSであるLittelfuse SMAJ33CAを使用した実装を示しています。これは比較的大型のTVSで、10uSのインパルスに対して最大400Wを消費させることができます。クランプ電圧50ボルトの範囲です。図3の回路図には、MAX22199ATJ+の各入力チャンネルに直列抵抗が含まれていることに注意してください。これにより、内部TVSダイオードへのエネルギーを電流制限することでき、さらなる保護が可能になります。
図3： 各入力に大型TVSダイオードを使用したAnalog Devices（Maxim）のMAX22199ATJ+の典型的な実装
ブレークアウト基板
図4に示すMIKROE-6072は、MAX22199ATJ+を搭載した低コストのブレークアウト基板です。この設計では、図3に示すようにTVSダイオードの代替品を使用しています。このMIKROEの製品は、MAXシリーズのドライバチップを低コストで実験する方法を提供します。
図4： MAX22199ATJ+とLittelfuseのTVSダイオードを搭載したMIKROE-6072の画像
開発キット
最後に、図5に示すMAX22199ATJ+の開発キットをAnalog Devicesが提供していることに触れておきます。このキットを使えば、PWC抵抗器とTVSダイオードの両方のソリューションを検討することができます。抵抗は上位4入力に使用され、TVSダイオードは下位4入力に使用されています。
入力にESD放電ガンを試してみるのも面白いかもしれません。
図5： MAX22199ATJ+の開発キットの画像
おわりに
耐パルスチップ（PWC）抵抗器は、ESD保護に重要な部品です。適切に設計されたシステムでは、この抵抗器が電流を制限し（インパルスエネルギーを消費し）、ICのダイオ ードクランプが繊細な電子機器に印加される電圧を制限できるようにします。
従来の抵抗器をPWC抵抗器の代わりに使用しないでください！
より小さい抵抗器は、ESDにさらされたときに（爆発的に）ばらばらになったり、絶縁破壊したり、フラッシュオーバーしたりする可能性があります。ヒューズを保護するために回路が燃えるようなものです。
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ご健闘をお祈りします。
APDahlen
関連資料
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著者について
Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間教壇に立ったことによってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいます。