静電気放電（ESD）：エレクトロニクスに対する隠れた脅威

あなたの次の電子機器が、高電圧や静電気にさらされる可能性のある場所に設置されるかもしれません。そのような場合、システムのESDに対する脆弱性は、テストとシミュレーションを通じて判断されるべきです。静電気放電（ESD）とは、静電気がある物体から別の物体へと突然移動する現象です。この現象は、2つの表面間に電位差が生じ、エネルギーが急激に放電されることで発生します。電荷は物体に寄生的に蓄積され、回路が完成したときに転送または接地されると、非常に低い電流を伴う巨大な電圧スパイクが別の物体に現れ、小さな衝撃のように感じられます。

また、システムをESDから保護し、高電圧パルスに耐えられるようにするために必要な部品もあります。ESDは、敏感な電子部品に重大な損傷を与え、製品の故障、寿命の短縮、製造コストの増加を引き起こす可能性があります。エレクトロニクスとPCB設計の詳細については、PCBのインピーダンス制御に関する最近のブログをご覧ください。

• 帯電した物体と電子機器との直接的な物理的接触により、電荷が即座に移動すること。
• イオン化した空気を通じて電荷が移動し、しばしば目に見える火花を発生させること。
• 静電界が、直接接触することなく、近くの回路に不要な電流を誘導すること。
• プラスチック、布、ガラスなどの素材が互いに擦れ合う摩擦によって発生すること。

静電気放電（ESD）の背後にある物理学とは？

静電気放電（ESD）は、異なる電荷を持つ2つの物体が十分に近づくか、または十分に帯電して、それらの間の誘電体を絶縁破壊（イオン化）させるときに発生します。民生用製品の場合、ESDと空気中の絶縁破壊は、通常、2点間の電界が40 kV/cmを超えると発生します。気圧、温度、湿度などの要因は、この電界強度に影響を与えます。例えば、一部の環境で空気の湿度が高いと、空気の導電性が高まり、一部の電荷が散逸し、ESDイベントを発生させるために必要な電圧が上昇します。

よくある誤解は、ESDを引き起こすには固定電圧が必要だというものです。実際には、ESDに必要な電圧は、2点間の電位差とそれらを隔てる距離に依存します。これが、PCBがIPC-2221規格で定義された導体間の絶縁距離（沿面距離と空間距離）の制限に従う理由です。

ESDがPCBと電子部品に与える影響は？

プリント回路基板は、大きな電位差を生じさせる可能性のある人、包装材、ケーブル、その他の物体に触れたり、近づいたりすると、ESDの影響を受ける可能性があります。この電圧差が十分に大きくなると、あらゆる部品を介して電流が流れる導電経路が形成され、巨大な電流パルスが発生します。この電流パルスは、搭載されているデバイスの定格電流を超える可能性があります。極端な電界強度と発生電流では、PCBが損傷し、部品が破壊される可能性があります。ESDは電子機器に壊滅的な影響を与える可能性があります。例えば、以下のようなものがあります。

• 即時故障：部品が即座に機能しなくなります。
• 潜在的な損傷：部分的な劣化が発生し、デバイスが将来の故障を起こしやすくなります。
• パラメータシフト：デバイスの電気的特性が変化し、性能と信頼性が低下します。

ESD保護を実装するには？

PCBにESD保護を実装する目的は、ESD電流が回路に流れ込むのを防ぎ、代わりに低リアクタンスの接続を介してグランドに迂回させることです。ESD保護回路または部品は、ESDイベントが発生した場合にのみ応答し、その立ち上がり時間内にESDパルスを迂回させるために、非常に高速に応答する必要があります。一般に、ESD保護はコネクタに実装されます。なぜなら、コネクタは最初の接触点であり、ESDに対してより脆弱だからです。

ESD保護ダイオード：

ESD保護ダイオードは、ツェナーダイオードの一種です。ダイオードが逆バイアスされると、カソードからアノードへはほとんど電流が流れません。しかし、逆バイアスがある点（逆降伏電圧と呼ばれる）を超えると、逆電流が突然増加します。逆バイアスが増加するにつれて、ダイオードは、流れる電流に関係なく、一定の電圧領域に達します。ツェナーダイオードの降伏電圧（ツェナー電圧）特性は、定電圧レギュレータを構成し、サージ電圧を抑制するために利用されます。ツェナー電圧レギュレータダイオードは一定電圧を維持するために使用されるのに対し、ESD保護ダイオードは電子回路を保護するためにESDエネルギーを吸収するために使用されます。これは、電流をすぐにグランドにバイパスできるように、ソースの非常に近くに配置する必要があります。

一般的なオプション：Littelfuse SMAJ、STMicroelectronics SMAJシリーズ。

USB、イーサネット、I2C、RS-485、RS-232、およびその他のデジタルインターフェースのESD保護は、一般的に、コネクタとそのインターフェースを含むICとの間にTVSダイオードを使用します。コンポーネントのデータシートには、ESD保護を確実にするために従うべきガイドラインが記載されていることがよくあります。

TVSダイオードの特性：

最も一般的な回路保護デバイスは、過渡電圧抑制（TVS）ダイオードです。これらは双方向（背中合わせ）ダイオードの場合もあれば、一方向にのみ電流の流れを許可する単方向ダイオードの場合もあります。ツェナーダイオードもESD保護部品として使用でき、単方向TVSダイオードと同等の機能を提供します。

ESDパルスを受信すると、パルスの高電圧が保護ダイオードを逆降伏が発生するまで深く逆バイアスに駆動します。ダイオードは導通状態になり、保護されたコンポーネントの端子間に短絡回路が形成されます。これにより、受信したパルスがグランドに迂回され、電流が保護されたコンポーネントに到達するのを防ぎます。

回路内でESDを防止するためのその他の手順：

PCBレベルでのESD保護を確実にするために、設計者は以下の戦略を実装する必要があります。

1. グランドプレーンとシールド：大きな銅のグランドプレーンは、ESDエネルギーを効率的に散逸させるのに役立ちます。

2. 適切なトレースルーティング：高速信号トレースを端から遠ざけ、ガードトレースを使用して感受性を低減します。

3. フェライトビーズとフィルターの使用：ESDイベントによって発生する高周波ノイズを抑制するのに役立ちます。

結論：

静電気放電（ESD）は、電子設計において重要な懸念事項であり、敏感な部品に即時または潜在的な故障を引き起こす可能性があります。ESDがどのように発生するか、PCBへの影響、および適切な保護対策を実装することの重要性を理解することは、電子機器の信頼性と寿命を確保するために不可欠です。ESD保護ダイオードを組み込み、適切な接地とシールドを備えたPCBを設計し、IPC-2221などの業界標準に従うことにより、エンジニアはESDリスクを効果的に軽減できます。技術が進歩し、電子機器がより洗練されるにつれて、ESDを防止するための積極的な対策を講じることは、ハードウェアの設計と製造において重要な側面であり続けるでしょう。