TVSダイオードを用いた過電圧保護回路
TVS（Transient Voltage Suppression）ダイオードを用いた過電圧保護回路は、サージや過渡的な過電圧に対する保護のための、一般的かつシンプルで応答の速い受動型ソリューションです。これは、産業用制御、車載用電子機器、通信インターフェース、および電源入力ポートに広く採用されており、電力系統や信号線に発生する突発的な過電圧やサージを吸収する役割を果たしています。
TVSダイオード回路は、極めて高速な応答時間（1ns未満）を特徴とし、ESD、落雷、電源サージなどによる非常に短い高電圧パルスを抑制することができます。高いエネルギー吸収能力を備えており、モデルによってワットからキロワット（例：600W、1500WのTVS）までのパルスエネルギーに対応し、低い導通電圧と正確な保護特性を有しています。モデルに応じてさまざまなクランプ電圧が用意されており、双方向または単方向の構成が選択可能で、DC、AC、信号線、または電源ラインに適しています。さらに、TVSダイオードはコンパクトで実装が容易であり、SMA、SMD、またはDO-15パッケージで提供されるため、PCBへの組み込みが容易です。
TVSダイオードを用いた過電圧保護回路の回路図例
上記の例では、TVSダイオード SMBJ3.3A が使用されています。このダイオードの逆方向スタンドオフ電圧は3.3V、最大クランプ電圧は7.2V、ブレークダウン電圧は4V、10/1000µsにおけるピークパルス電流（Ipp）は42Aです。通常動作時、TVSダイオードは高インピーダンス状態を維持しており、回路に影響を与えません。過電圧が発生した場合（ESDやサージなど）、TVSダイオード両端の電圧はスタンドオフ電圧からブレークダウン電圧まで上昇し、TVSダイオードは高インピーダンス状態から低インピーダンス状態に切り替わります。これにより、過電流をグランドへ逃がし、下流の回路にとって安全なレベルに電圧をクランプします。過電圧が解消されると、TVSダイオードは高インピーダンス状態に戻り、回路は通常動作に復帰します。
TVSダイオード回路を設計する際は、誤動作を回避するために、TVSダイオードの動作電圧（VRWM）が通常の動作電圧よりも高いモデルを選択してください。通常、ブレークダウン電圧（VBR）は最大動作電圧より10～20%高く設定し、クランプ電圧（VC）は下流回路の最大耐電圧よりも低く設定する必要があります。また、ピーク電力定格（PPP）は、予想されるサージエネルギー（例：IEC 61000-4-5で規定されるもの）を吸収するのに十分な値である必要があります。
応答速度に影響を与える配線インダクタンスを最小限に抑えるため、TVSダイオードを保護対象の入力の近くに配置してください。高速信号ラインには、低静電容量のTVSダイオード（1pF未満）を使用してください。さらに、サージ電流を制限してTVSダイオードの寿命を延ばすために、TVSダイオードに直列抵抗またはフェライトビーズを組み合わせ、高周波干渉を抑制して相乗的なフィルタリング効果を得るために、フィルタコンデンサを追加してください。また、TVSダイオードの故障後の短絡リスクを防ぐため、過電流保護用にヒューズ（PTCまたは速断型）を使用してください。
一方、EMC規格や産業規格（例えば、ESDに関するIEC 61000-4-2やサージに関するIEC 61000-4-5など）に準拠させるためには、必要な保護レベル（例えば、ESDの場合は±8kVの接触放電）を満たすTVSダイオードを選択してください。IEC 61000-4-5（サージ）規格では、TVSが1kV～6kVのパルスに耐えられることが求められています。選定はグレードに基づいて行う必要があります。車載用途では、 LittelfuseのPESDシリーズやBournsのSMAJ-Qシリーズなど、AEC-Q101に準拠したTVSダイオードを使用してください。
| 比 較 項 目 | PNP+PNPトランジスタによる保護 | LM393+リレーによる 保護 |
TVSダイオードによる 保護 |
|---|---|---|---|
| 保護原理 | アナログ電圧検出および自動遮断の模擬動作 | コンパレータが過電圧を判定し、リレーを駆動して回路を遮断 | 過渡電圧が閾値を超えると、瞬時に導通してエネルギーを吸収 |
| 構成部品 | PNPトランジスタ2個（検出用1個、スイッチング用1個） | コンパレータ（LM393）、基準電圧源、リレー、分圧器 | TVSダイオード （単方向または双方向） |
| 主な保護対象 | 低速または中速程度で変化する過電圧 | 定常的または連続的な過電圧 | 瞬時過電圧 （サージ、ESD、落雷） |
| 電源要件 | 不要（完全アナログ、電圧によってトリガ） | 必要（LM393の動作電圧を供給する電源が必要） | 不要（受動部品） |
| 応答速度 | 高速（数ms以内） | 中速（リレー駆動速度の影響、msレベル） | 超高速（nsレベル、ESD/落雷に対応） |
| 長時間の過電圧への適合性 | 不可（保護動作後も、電源遮断やヒューズとの協調が必要） | 可（リレーによる継続的な電源遮断が可能） | 不可（長時間導通でTVSダイオードが発熱、故障） |
| 閾値調整機能 | あり（バイアス電圧および分圧抵抗によって設定） | あり（基準電圧または分圧比を微調整可能） | なし（TVSダイオードの選択で対応） |
| ヒステリシス制御機能 | なし（追加設計が必要） | あり（フィードバックによりコンパレータのヒステリシスを調整可能） | なし |
| 電気的絶縁 機能 |
なし | あり（リレーを使用して負荷と制御間の絶縁を実現） | なし |
| サージ/ESD 保護の有効性 |
標準的（主に長時間の過電圧から保護） | 標準的（中速程度で変化する過電圧に適合） | 良好（サージ、静電気放電、その他の過渡現象に適合） |
| 自動復帰機能 | なし（手動復帰または外部制御が必要） | 設計によっては実現可能 | あり（過電圧が解消されると自動復帰） |
| 消費電力特性 | 中（バイアス抵抗および導通中のトランジスタによる消費電力） | 大（リレーコイルが電力を消費） | 極小（通常動作時には電力を消費しない） |
| 一般的な用途 | 電源入力ポート、簡易な過電圧遮断、携帯型機器 | 産業用電源、バッテリ充電システム、電源遮断による保護が必要なシステム | 通信インターフェース（RS485/CAN）、USB、電源入力、車載用電子機器 |
| 回路の複雑さ | 低～中程度（バイアス条件および導通条件の設計が必要） | 中～高程度（コンパレータ、リレー制御、および基準電圧源が必要） | 最小限（TVSダイオードが1個のみ必要） |
| コスト | 低 | 中（リレー、コンパレータ、および追加部品） | 低～中（TVSダイオードの電力定格およびパッケージタイプによる） |
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