TVSダイオードの産業用イーサネットインターフェースにおけるサージ保護への応用

アプリケーションの背景

産業用オートメーションシステムが高速通信にますます依存するにつれ、EtherCAT、PROFINET、Modbus TCPなどのイーサネットプロトコルはPLC、サーボドライブ、産業用ゲートウェイ、リモートI/Oユニットの標準となっています。これらのインターフェースは、落雷によるサージ、誘導スイッチング過渡、およびケーブル取扱い時の静電気放電（ESD）によって信頼性に深刻な脅威を与える、電気的にノイズの多い環境で使用されることが多いです。TVS（過渡電圧抑制）ダイオードは、超高速応答と強力なエネルギー吸収能力を備えているため、イーサネットインターフェース保護に広く採用されています。

動作原理と利点

TVSダイオードは通常、信号線とグラウンドの間に接続されます。過渡的な電圧スパイクが発生すると、このダイオードはナノ秒単位で低インピーダンスモードに切り替わり、イーサネットPHYやSoCなど、感度の高い下流部品から不要なエネルギーをバイパスして電圧をクランプします。

主な利点には以下が含まれます：

ナノ秒未満の反応時間

RJ45またはマグネティクス内部への組み込みに適した小型パッケージ

低容量モデルは差動ペア上で信号の完全性を維持します

IEC61000-4-2およびIEC61000-4-5規格への準拠

設計ガイドライン

設計上の注意点：

信号歪みを防ぐため、差動ペアには超低容量のTVSアレイ（<1pF）を使用してください

電源ピン（PoE、48V）にはサージ耐量>30Aの高エネルギーTVSを選定してください

パラサイトインダクタンスを最小限に抑えるため、RJ45に近い位置にTVSデバイスを配置してください

ケース

各RJ45ポートに統合されたTVS保護機能を備えたEtherCATおよびModbus TCP対応産業用ゲートウェイ。2本の差動線は低容量TVSアレイで保護し、PoE電源ピンには高エネルギーTVSデバイスを使用しました。この装置は±15kVのESD試験および±2kVのEFT試験に合格し、スマート工場に無事導入されました

結論

TVSダイオードは、サージや静電気から産業用イーサネットインターフェースを保護するために不可欠です。これによりEMC規格への適合性が確保され、ミッションクリティカルな通信機器の耐久性が向上します。ネットワークが高速化・小型化するにつれ、TVS保護は今後も主要な設計検討事項であり続けます

TVSサージ保護｜産業用通信保護｜RJ45保護｜EMC妨害防止部品｜ESDサプレッサ装置