TVSダイオードはどんなときに使う？サージ・ESD対策での役割を解説

電子機器には、静電気放電や雷サージ、電源の開閉などによって、瞬間的に高い電圧が加わることがあります。こうした過渡的な電圧から回路を守るために使われる代表的な部品が「TVSダイオード」です。

TVSダイオードは、通常時には回路への影響を抑えながら、一定以上の電圧が加わったときに電流を逃がして、後段のICや電子部品を保護します。

ただし、どの回路でも同じTVSダイオードを使えばよいわけではありません。電源電圧や信号の種類、想定するサージ、静電容量などを確認して選ぶ必要があります。

この記事では、TVSダイオードを使う場面や、サージ・ESD対策での役割、選定時に確認したいポイントを解説します。

TVSダイオードは瞬間的な過電圧から回路を守る

TVSは「Transient Voltage Suppressor」の略で、瞬間的に発生する過渡電圧を抑えるための保護部品です。

通常の動作電圧ではほとんど電流を流しませんが、一定以上の電圧が加わると急激に電流を流し、電圧の上昇を抑えます。

これにより、高い電圧がそのまま後段のICや半導体へ加わるのを防ぎます。

TVSダイオードは、特に外部と接続される端子の保護に使われます。電源入力やUSB、通信端子、各種I/Oなどは外部からノイズが侵入しやすいため、保護部品を検討する代表的な場所です。

ESD対策でTVSダイオードを使う

TVSダイオードがよく使われる用途の一つが、ESD対策です。

ESDは静電気放電を意味し、人がコネクタやスイッチなどに触れたときに、高い電圧が瞬間的に加わることがあります。

放電時間は短くても電圧が非常に高くなる場合があり、そのエネルギーがICへ直接入ると誤動作や破損につながる可能性があります。

そこで、外部端子の近くにTVSダイオードを配置し、ESDによる電流をグラウンド側へ逃がします。

特に、ユーザーが直接触れる端子や、ケーブルを頻繁に抜き差しする部分では、ESD対策の必要性が高くなります。

サージ対策にも利用できる

TVSダイオードは、ESDだけでなくサージ対策にも使われます。

サージとは、雷や電源の開閉、誘導性負荷の動作などによって発生する一時的な過電圧です。

たとえば、車載機器や産業機器では、電源ラインに大きな電圧変動が発生することがあります。

こうした回路では、TVSダイオードによって過電圧を一定範囲に抑え、後段の電源ICや制御回路を保護します。

ただし、サージのエネルギーが大きい場合は、TVSダイオードだけでは対応できないこともあります。

その場合は、バリスタやヒューズ、フィルタなどを組み合わせた多段構成を検討します。

単方向と双方向を使い分ける

TVSダイオードには、大きく分けて単方向タイプと双方向タイプがあります。

単方向タイプは、主にDC電源ラインなど、電圧の極性が決まっている回路に使われます。

一方、双方向タイプは、正負両方向に電圧が変化する信号線や交流的な信号を保護するときに使われます。

どちらを使うかは、保護する回路の電圧波形によって決めます。

誤ったタイプを使用すると、通常の信号まで制限してしまう可能性があるため、回路条件を確認することが重要です。

高速信号では静電容量にも注意する

USBや高速通信ラインにTVSダイオードを使用する場合は、静電容量にも注意が必要です。

TVSダイオードには寄生容量があり、容量が大きい製品を高速信号ラインへ接続すると、信号波形が鈍ったり、通信品質に影響したりする場合があります。

そのため、高速通信には低容量タイプのTVSダイオードが使われます。

一方、電源ラインでは信号品質への影響をあまり考える必要がないため、より大きなサージエネルギーに対応できる製品を選ぶこともできます。

つまり、電源用と信号用では重視する特性が異なります。

動作電圧とクランプ電圧を確認する

TVSダイオードを選ぶ際は、通常時の電圧より高い電圧で動作する製品を選ぶ必要があります。

通常電圧に近すぎる製品を選ぶと、正常動作中にも電流が流れてしまう可能性があります。

一方、動作する電圧が高すぎると、保護対象のICが耐えられる電圧を超えてしまう場合があります。

そのため、スタンドオフ電圧やブレークダウン電圧、クランプ電圧などを確認し、保護したい回路の絶対最大定格と比較して選定します。

単に「5V回路だから5V用」と判断するのではなく、実際の動作電圧や過渡電圧まで考慮することが大切です。

TVSダイオードは端子の近くに配置する

TVSダイオードは、部品選定だけでなく基板上の配置も重要です。

外部からESDやサージが入ってくる場合は、コネクタなどの侵入口にできるだけ近い位置へ配置します。

TVSダイオードまでの配線が長いと、その間にある配線のインダクタンスによって、瞬間的な電圧上昇を十分に抑えられないことがあります。

また、TVSダイオードからグラウンドへ流れる電流経路もできるだけ短くします。

保護電流が基板内部を長く流れると、ほかの回路へノイズが回り込む可能性があるためです。

まとめ

TVSダイオードは、ESDやサージなどの瞬間的な過電圧から電子回路を守るために使われる保護部品です。

特に、電源入力、USB、通信端子など、外部と接続される場所で活用されます。

選定する際は、通常動作電圧、クランプ電圧、許容できるサージエネルギー、単方向・双方向の違いを確認しましょう。

高速信号ラインでは静電容量にも注意が必要です。

さらに、TVSダイオードは外部端子の近くに配置し、サージ電流が短い経路でグラウンドへ流れるようにすることも重要です。部品の仕様だけでなく、回路や基板全体で過電圧の流れを考えながら設計しましょう。