過渡電圧抑制ダイオード回路に関するアプリケーションのヒント

AND8230/D
電ダイオードに
関するアプリケーションのヒント
はじめに
(TVS)ダイオードは、
のEMIおよ
びESDレベルをめるなソリューションを
しますが、なサージを
するため
にうのあるガイドラインは"#が$されて
いるのみです。この%では、アプリケーションで
(する)*のアバランシェTVSとダイオード・ア
レイにするいくつかのな-.について/0し
ます。さらに、123と423の5TVSデバイスの
8と8をする9も:しています。
にする;<の=>を/0します。
• IC?と@のTVS
のA
• TVSダイオードのターンオン
• ダイオード・アレイにするアプリケーションの
ヒント
• Eオフセット
• バックドライブ
• KLMNOアプリケーションのガイドライン
IC部と
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APPLICATION NOTE
の1aでいをbしています。cdのデバ
イスをICに?(することは#Xはではないの
で、ICよりサイズの)が*やかな@TVSダイオ
ードは、ICよりいレベルのサージ"Oを
します。さらに、ほとんどのICの?
はわ
ずか#
のESD%をe+するようにされてい
るのにfし、@TVSデバイスはg,-のサージへ
のをhiします。
ICの?サージ
について./は、!Tな
Ojkとターンオンを
する@TVSデバ
イスを0lするのにm1ちます。noなことに、
ほとんどのICのデータシートはESDjkを:する
のみで、?
にするpqを$していま
せん。ICの?
は、トランジスタ、
ツェナ・ダイオード、ダイオード・アレイ、サイリ
スタ、および=Nスイッチを(してuで
きます。Figure 1に、?サージを
する で(される2つのv2なIC
を3します。
サージ%が?
のOjkをw
らない
ことをするためのガイドラインを、;<のセク
ションで4xします。
部のTVS!"の#$
(TVS)ダイオードを(して、ICのサ
ージレベルをPQすることができます。ほとん
どのICは、アセンブリ?でするおそれのある
ESDRをSする で!TにU"する?
をVしています。ただし、Wくの)*は、
#Xの$Y(Zにするサージ%からICを
するにはこのような?
は[\/です。
シリコンTVSダイオードのサージ"Oは、そのサ
イズに&_に'しており、@デバイスは#
X、IC?のTVSデバイスにAべて"なくとも10`
Transceiver IC
Logic IC
VDD
VDD
Transmitter
D_High
I/O
Receiver
D_Low
VSS
Internal IC
Protection
Circuits
GND
Figure 1. Zener Diodes are a Popular Choice for the Internal Protection Circuit of a Transceiver IC that
Requires Power Surge and ESD Protection. Diode Arrays are a Frequent Choice for the Internal ESD
Protection Circuit of a Logic IC
© Semiconductor Components Industries, LLC, 2016
May, 2016 − Rev. 2
1
Publication Order Number:
AND8230JP/D
AND8230/D
Wくの)*、CMOS ICはグランド・ノイズへの
をPQするために、VTが0.7 VよりcきいMOSFET
ダイオードをDするようにされています。し
たがって、@アレイは#X、これより…いターン
オンを つ$Yをします。v2、…IC
のVTはこれよりかなり…い†になっていることがあ
るため、MOSFETダイオードのターンオンが、
¡¢なダイオードの0.7 Vという†よりzさくなる
おそれがあります。この£Eにfする1つのF‹G
は、Figure 3に3すようにショットキ・ダイオード・
アレイを(することです。ショットキ・ダイオー
ドではv2にターンオンは)0.3 Vです。
TVSダイオード・アレイのターンオン電
@TVSデバイスのyなU"は、サージのc
きさをzさくする-により、ICに{れる{を
,することです。+|な@TVSデバイスは、IC
の?
より}にターンオンし、サージ・パルス
のエネルギーを‚ƒします。5には、サージ
%がしたときは#Xは、@と?„2の
がターンオンします。?
に{れる
{が…い†に,されている)*、ICの‡6はˆ
7を‰けません。また、TVSデバイスのa8は、
サージ・エネルギーのcŠが@
によって
‚ƒされるかどうかを‹jするな9です。
Œ:%[4]に、ICの?
ではなく@TVS
デバイスによってサージを
するのにm1つ
PCBレイアウトのガイドラインが:されていま
す。
W#のICがESDダイオード・アレイを?(
しているので、?および@
はしばしば
;トポロジをしています。これをFigure 2に3
します。0.7 Vおよび0.3 Vという†を(して、@
スイッチング・ダイオードとショットキ・ダイオー
ドそれぞれのターンオンを“jすることができ
ます。IC?
のターンオンは、バイポ
ーラ・プロセスの)*は#X0.7 Vです。ただし、
CMOSデバイスの†は<#のプロセス”#の#で
あり、;<に3すMOSFETダイオードの•で=
されます。
VMOSFET_Diode + VT )
Ǹ
IDS
ǒ Ǔ
1
m C W
2 o ox L
VDD
VDD
VDD
IC
ESD
Circuit
I/O
Input
GND
Figure 3. The Low Turn-on Voltage of a Schottky
Diode can be Used to Provide Surge Protection
for Low Voltage ICs
(eq. 1)
Figure 4に3す
は、?および@アレイのタ
ーンオンが;している)*にするおそれ
がある、¤¥な£EをF‹するための¦の0lH
です。これら2つのアレイ>に§¨をDすると、
サージ・エネルギーのcŠが@
で©Iされる
ようになります。ICの?ダイオードもターンオン
しますが、これらのデバイスを{れる{は、@
ダイオード{にAべてAzさくなります。
ここで、
9VT = スレッショルド
9IDS = ドレイン-ソース>
9mo = –?L—
9Cox = 1a@A˜たりのゲートBQšのC›9W/L = œとさのž
VDD
VDD
VDD
VDD
IC
Input
VDD
VDD
ESD
Circuit
I/O
I1
IC
ESD
Circuit
I2
I/O
Input
R
I1 >> I2
GND
GND
Figure 2. An External Diode Array often has a Similar
Topology to the IC’s Internal ESD Protection Circuit;
however, the Turn-on Voltages of the Two Arrays can
be Different
Figure 4. R Forces I1 >> I2, which Ensures that the
Majority of the Surge Energy is Diverted by the
External Diode Array rather than by the IC’s Internal
ESD Circuit
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ダイオード・アレイ・アプリケーションのヒント
Figure 5に3します。¬のサージ・パルスはª
(VDD)にK23ダイオードL<を­えたに
クランプされます。#XVSS ピンはグランドに_M
します。したがって、Nのパルスはグランドaよ
りダイオードL</だけ…いにクランプさ
れます。
電(のデカップリング
ダイオード・アレイはªレールに{れJむサー
ジ{にfeします。ダイオード・アレイで
パルスのエネルギーが©Iされます。この«–を
VDD
P1
+V
IP1
0V
I/O
IP2
−V
0.01 mF
D1
D1 Clamps Positive Voltages
VC = VDD + VF
D2 Clamps Negative Voltages
VC = −VF
Z1
D2
Z1 Provides Surge Protection for VDD
VBR_Z1 > VDD
P2
Figure 5. Adding a Decoupling Capacitor and Avalanche TVS to a Diode Array Enhances the Ability to Clamp
the Surge Voltage to a Diode Drop above or below the Power Rails
デカップリング・コンデンサとアバランシェ・ダ
イオードは、サージのˆ7が°んでいる>にªの
ロード・レギュレーションを±²する2つのソ
リューションです。ªピンの„Oに)0.01〜0.1 mF
のRFセラミック・コンデンサをP8すると、サージ
・パルスの´œを…µできます。ブレークダウン
がVDDよりわずかにいアバランシェ・ダイオー
ドを¶えたダイオード・アレイを(することによ
って、Q­サージをできます。TVS IC?に
アバランシェ・ダイオードをRAすると、デバイス
_Mに'するインダクタンスがえられ、
V = L (DI/Dt)の•にS·するサージ・パルスの´œ
を…µできます。
ダイオード・アレイのクランプにする•は、
ªレールVDD とVSS がjをiTすると|jし
ています。これは…¸¹NU”Lの)*はVºな|
jですが、サージ・パルスのNUWが¸¹で”
Lしている>はbでないおそれがあります。9え
ば、IEC 61000−4−2のESDパルスの1ちwがりZ>が
1.0 ns»¼で、ピーク{は30 Aです。ESDパルスの
cきいピーク・エネルギーのために、ªのNOイ
ンピーダンスが½­するおそれがあります。インピ
ーダンスの”Lが¾·で、ピーク・クランプは
Figure 5の•による¿Àをcœにw
る´œに
しま
す。Œ:%[4]に、ダイオード・アレイのクランプ
"をÁcQするために(できるQ­の“Â>
を3します。
ダイオード・アレイのサージ/0
サージjkはテストÄにÅÆするので、ダイオ
ード・アレイのデータシートÇ«をÈÉÊく=す
るがあります。ダイオード・アレイには、VDD
ピンにË­したOを(してOjkをÀjする
ものや、サージ・テストÌにªピンをフロートさ
せるものがあります。この£Eは、ショットキ・ダ
イオードを(する)*、OがË­されていない
アレイのjkはOがË­されているアレイよりは
るかに…くなるので、-にです。OがiTさ
れていないショットキ・アレイのサージfe"Oが
…いのは、¡¢なダイオードとAしてXバイア
スjkがA…いためです。
ダイオードのXバイアス・サージjkは、アレイ
にOがË­されている)*は#X、£Eになりま
せん。ダイオードD2のXバイアスÍÎがするの
は、VDDがインピーダンスまたはフローティング
ÏÐにあるときに、I/OピンにNのサージ・パルスが
Ë­される)*のみです。アレイにOがË­され
ている)*、DCªは¸¹AC‡Ñにfするグ
ランドとしてU"し、サージ・パルスがXÒÓÄ
をした2ÔのダイオードにYにË­されま
す(Figure 6をŒÕ)。これらのダイオードの1つはK
23にバイアスされるので、このダイオードのター
ンオンはÖのダイオードのÁcX23バイアス
より\/…い†になります。
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VDD
I/O
D1
D2
I/O
D2
D1
D1 is Forward Biased for Positive Voltages
D2 is Forward Biased for Negative Voltages
A DC Voltage Source
Functions as a Ground to
an AC Signal
VDD = Float
D1
I/O
I/O
D2
D2
D2 is Reverse Biased for Positive Voltages
D2 is Forward Biased for Negative Voltages
Figure 6. The Power Pin (VDD) Functions as a Ground for High Frequency AC Signals.
The Diodes will be Exposed to a Reverse Biased Voltage only if VDD is Floating
12オフセットの5題
×#グランドを(し、いケーブルを#じて<
#のリモート・モジュールが_Mされているシステ
ムでは、¤¥にEオフセット£EがÆ¥しま
す。Z‡ノードと‰‡ノードのグランドÚ¢>にc
きなaKがÆ¥する)*、Eがされま
す。Eオフセットとは、データ・ラインのに
fしその$[レベルに#ボルトの¬またはNの
オフセットが­わるÜ"があることをÉÝしま
す。
5V
5V
CAN_H
CAN
Transceiver
CAN
Transceiver
CAN_L
GNDA
Signal GNDB
VCM = ±2 V
Chassis GNDA
Chassis GNDB
Figure 7. Bidirectional TVS Devices Solve the +2.0 V Common Mode Offset Voltage (VCM)
Requirement of CAN Transceivers
ます。\jされているE`á?でデータ・ライン
のオフセットがした)*に、デバイスがク
ランプされないようにするには、423TVSデバイ
スを(するがあります。123アバランシェ
およびダイオード・アレイを(するのは、グラン
ドÚ¢にfするaKがzさいシステムのみに,j
するがあります。
Figure 7に3すコントローラ・エリア・ネットワー
ク(CAN)は、EÇ«が\jされているシステ
ムの9です。CANは]および^ßàアプリ
ケーション3けのv2なシリアル#‡ネットワー
クです。CANのEÇ«が¾·で、<#のデー
タ・ライン>のKLが”Qすることはありませ
ん。ただし、Figure 8に3すように、CAN_H‡Ñと
CAN_L‡Ñの_f†がÁc2V”LするÜ"があり
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VCM = +2 V
7
6
CAN_H
5
5
4
4
3
Voltage (V)
Voltage (V)
6
DV
2
1
0
CAN_H
3
DV
2
1
0
CAN_L
−1
VCM = −2 V
7
CAN_L
−1
−2
−2
Recessive
Dominant
Recessive
Recessive
Dominant
Recessive
Bus Logic States
Recessive DV ≤ 0.5 V
Dominant DV ≥ 0.9 V
Figure 8. CAN Data Lines have a Normal Voltage Range of 0 to +5.0 V; However, the Common
Mode (VCM) Requirement can Shift the Level of the Signals by +2.0 V
ュール>の{aをなくします。ただし、モジュ
ール1のICに?ダイオード・アレイが?(されてい
る)*は、aはÅéとしてÆ¥しています。2e
のオプションは、Figure 11に3すように、ダイオ
ード・アレイにfしてアバランシェ・ダイオードと
ブロッキング・ダイオードをQ­する2žでDで
き、バックドライブ£EをF‹できます。アバラン
シェ・ダイオードを(してサージµ"の{を‚
ƒするとEZに、ブロッキング・ダイオードはVDD1
へのaをfSします。I/Oコネクタのgくに@ダ
イオードをP8すると、IPU2 < IPU1のãをでき
るようになります。IPU1 の{aのインピーダン
スがzさくなると、サージ%Zのエネルギー
のcŠがhに@ダイオード・アレイで©Iされ
るようになります。
バックドライブ!"
Figure 9に、ダイオード・アレイでするÜ"
のあるバックドライブ£Eを3します。バックドラ
イブがするのは、データ・ラインabでダイオ
ード・アレイに{が{れるaがÆ¥するときで
す。VDD2がVDD1よりcきい)*は、2Ôのモジュー
ルを_Mするデータ・ラインはcÉâにモジュー
ル1にOをiTするおそれがあります。このÏÐ
は、<#のロジックICがãするパワーアップ£E
と、ユニットにOがiTされていないときでもモ
ジュール1の=3æのçæなどのdXLuをèきS
こすおそれがあります。
バックドライブ£Eは、Figure 10とFigure11に3す
2つの
でF‹できます。Figure 10の
は、
アバランシェTVSダイオードを(して、2つのモジ
Module 1
Module 2
VDD1
VDD2
VDD2
0V
IPU
Logic IC
Logic IC
Data Line
Figure 9. A Diode Array Creates a Back Drive Current Path (IPU) to Provide Power
through a Data Line when VDD2 > VDD1
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Module 1
Module 2
VDD2
VDD1
VDD2
0V
Logic IC
Logic IC
Data Line
Figure 10. A TVS Avalanche Diode Eliminates the Current Path (IPU) for
Back Drive; However, the Problem will Still Exist if Module 1’s Logic IC
Uses a Diode Array for ESD Protection
Module 1
Module 2
VDD1
VDD2
VDD2
IPU1
0V
Logic IC
Logic IC
Data Line
IPU2
Figure 11. Back Drive Protection can be Implemented by Adding an Avalanche and Blocking Diode to the Diode
Array. The Blocking Diode Eliminates the IPU1 Current Path; However, Current Path IPU2 will Exist if the IC has a
Diode Connected between the Output and Power Supply Pins
:;アンプ
123と423のTVSデバイスでクランプが
dなることが¾·で、KLMOまたはKLNOを
した
のノイズ"にiいがじることがあり
ます。2ÔのTVSデバイスのiいは、Figure 12に3す
ように、ノイズ‡Ñを´œのcきい¬ê¹として=
し、それぞれのクランプ-をhjすることでx
3できます。123および423TVSデバイスは¬
ê¹を2ë¹に”ìしますが、それぞれのDCíîは
およそVBR/2と0 Vになります。アンプがよりVºな
ノイズkïÇ«を3すのは、v2にMO‡Ñのíî
が0 Vにlしい)*です。また、ノイズ‡Ñのíîが
0 VになるようにバイアスをiTすると、オーデ
ィオ・アンプでDCバイアスに'するハムを…
µすることができます。
Unidirectional TVS Diode
Voltage
Bidirectional TVS Diode
Noise
Signal
Voltage
VBR
Noise
Signal
VBR
0V
VF
0V
VBR
TVS
Clamping
Voltage
TVS
Clamping
Voltage
VClamp_Avg = (VBR − VF) / 2 ^ VBR / 2
VClamp_Avg = 0 V
Figure 12. The Average Clamping Voltage of a Unidirectional TVS Diode for a Sine Wave Input is VBR/2.
The Symmetrical Breakdown Voltages of a Bidirectional Device has an Average Clamping Voltage
that is Biased at 0 V
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にをnóするとôõされるö÷をÁz,にえ
ることができ、またコネクタにフィードスルー・コ
ンデンサを?(すると、MOラインの‡ÑがPCBに
Mるøにノイズを…µできます。ùに、アンプを(
してKL½œをoし、センサ‡Ñを½œしノイ
ズ‡Ñをµpさせます。
Figure 13に3すリモート・センサ・アンプの
は、f[dクランプのñçを3しています。リモー
ト・センサはいPmをabしてアンプに_Mされ
ていますが、このような_M2žはしばしば–
にノイズを ちJむことになります。シールド・
ツイストペア・ケーブルを(すると、‡Ñライン
Remote Sensing
PCB
SENSOR
AMPLIFIER
Connector
PCB
VREF
+VDD
Sensor
+
−
Amplifier
−VSS
Shielded Cable
Figure 13. Remote Sensor Circuits are an Example of an Application that Can Benefit from
the Symmetrical Clamping Feature of a Bidirectional TVS Diode
+|なアンプはg,cのEkïA(CMRR)を
し､2úのMOピン>のKのみを½œします。
それにfし、5のアンプは…¸¹ではいCMRR
を
しますが、¸¹#がくなるとCMRRは…<
します。+|なアンプ-からのûKによりじ
るrKは、
ÚüにMりJむノイズをできるだけ
…µし、423TVSデバイスを(することでÁz
Qできます。+|アンプは、2úの‡Ñラインに×
#なすべての‡Ñをkïします。v2、5のアン
プは#X、‡ÑがªのÌ>çをベースにして
いる)*にVºな½œ-とCMRR-を3しま
す。これはデュアルª(+VDDと−VSS)デバイスの)
*は、グランドのaに˜します。v2、1v
ª(+VDDとVSS = 0 V)アンプの)*は、ノイズ‡Ñの
Á!なバイアスçは#X、VDD/2となります。
このリモート・センサ
では、TVSデバイスの
¸¹#ýsが+|でない)*のv2なF‹Gも
3します。フィードスルー・コンデンサのようなRF
コンデンサをTVSデバイスとÒÓにP8すると、ダ
イオードのパッケージでされるþインダクタ
ンス/を打ち©すことができます。TVSダイオー
ドの¸¹#ýsは、Figure 14に3すように、§¨、
インダクタ、コンデンサを_Mすることによって
モ デ ル Q で き ま す 。SMT パ ッ ケ ー ジ の ) * 、
500〜800 MHz;<の…¸¹ではインダクタンス/
はAzさく、›-インピーダンスがcきくな
ります。したがって、デバイスはほぼ+|なコン
デンサとしてU"します。¸¹では、インダクタ
ンス/がcきく、›-/がzさくなるので、デ
バイスはインダクタとしてU"します。このように
インピーダンスのYが”Qするので、MO‡Ñは
µpされるのではなく、整{および½œされるt
になります。
NZQA6V8
SOT−553
1
Frequency
Response Model
RS
0.8 W
5
CS
84 pF
2
3
LS
650 pH
4
Figure 14. The Frequency Response of an Avalanche TVS Diode can be Modeled by a Resistor, Inductor
and Capacitance that are Connected in Series. This Model is Valid for Signals that are Smaller in
Magnitude than the Clamping Voltage
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<=>?
[1] −; “AP−209 – Design Considerations for ESD
Protection Using ESD Protection Diode Arrays”,
California Micro Devices, 1998.
[2] −, “App. Note 0007 – TVS Device Selection,
Location and Connection for EMC Design”,
Protek, 1997.
[3] Lepkowski, J., “AND8031 − Circuit Configuration
Options for Transient Voltage Suppression Diodes”,
ON Semiconductor, 2005.
[4] Lepkowski, J., “AND8032 − PCB Design Guidelines
that Maximize the Performance of TVS Diodes”,
ON Semiconductor, 2005.
ON SemiconductorびONのロゴはSemiconductor Components Industries, LLC (SCILLC) しくはそののび/または
のにおけるです。SCILLCは、
、、トレードシークレット()と
のに する!を"します。SCILLCの#$/の%& 'リストについては、)*のリンクからご,いただ
けます。www.onsemi.com/site/pdf/Patent-Marking.pdf.SCILLCは-.なしで、/012の#$の34を5うことがあります。SCILLCは、いかなる6の7での#$の%89に
ついて":しておらず、また、お;<の#$において=>の?&や@&からAじたBC、に、DE、FE、GHなIJに して、いかなるBCもKうことはできませ
ん。SCILLCデータシートやM<0にNされるOP9のある「Q」パラメータは、アプリケーションによってはWなることもあり、XYの9PもZFの[\により3]するO
P9があります。「Q」パラメータを^むすべての_パラメータは、ご@&になるアプリケーションに?じて、お;<の`abcdにおいてefg:されるようおhいi
します。SCILLCは、そのやその
の!の*、いかなるライセンスもjしません。SCILLC#$は、klへのmnopを7とするシステムへの@&、Arstを7
としたアプリケーション、また、SCILLC#$のuv8によるwxyのz{が|こり}るようなアプリケーションなどへの@&を~した€はされておらず、また、これらを
@& 'としておりません。お;<が、このような~されたものではない、Oされていないアプリケーション&にSCILLC#$を‚ƒまたは@&した„8、たとえ、SCILLC
がその…$の€または#†に‡して\ˆがあったと‰Šされたとしても、そのような~せぬ@&、また‹Oの@&に‡Œしたwxyから、DE、はFEにAじるすべ
てのクレーム、Ž&、IJ、[Ž、および‘’などを、お;<のBCにおいて“”をおhいいたします。また、SCILLCとその•–、—–、、‡Œ、˜™šに
して、いかなるIJも›えないものとします。SCILLCはœ&žy/Ÿ ¡¢œ&‰です。この£’は%&されるあらゆる¤の 'となっており、いかなる¥¤によっ
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