TVSダイオードの動作原理：アバランチブレークダウンによる超高速クランプ

過渡現象に対してナノ秒単位で応答するアバランチブレークダウンの物理的原理

TVSダイオードは、逆バイアスをかけられたシリコンにおける制御されたアバランチブレークダウンという巧妙な仕組みを活用することで、わずか数ナノ秒という極めて短い時間で電子回路を損傷から守ります。ダイオードが耐えられる電圧（VBR）を超える急激な電圧サージが発生すると、原子レベルで興味深い現象が起こります。インパクトイオナイゼーション（衝突電離）によって、電子と正孔が急速に増倍し、過剰なエネルギーを瞬時にショートさせ、外部へ逃がす導電性パスが形成されます。応答時間は1ナノ秒未満であり、これが静電気放電（ESD）などの、他の保護素子では対応しきれないほど急峻な過渡現象に対してTVSダイオードが非常に有効である理由です。その精度は、製造工程における半導体材料へのドーピング（不純物添加）の仕方に大きく依存します。この精密な調整により、設計者は通常±5～10％程度の狭い範囲内でVBR値を設定することが可能です。MOV（金属酸化物バリスタ）やガス放電管といった他の保護素子と比べてTVSダイオードが際立つ点は、熱の蓄積や可動部に依存しないことです。代わりに、固体中の量子現象を活用しているため、温度変化や長期間の運用後においても極めて安定した性能を維持できます。

ESDおよびサージイベント中のリアルタイムクランプ動作

アクティブ化されると、TVSダイオードは急激な電圧スパイクを「クランプ電圧（VC）」まで制限します。このVCは通常、ブレークダウン電圧（VBR）よりも約20～30％高い値です。たとえばIEC 61000-4-2で規定される静電気放電（ESD）イベントでは、立ち上がり時間が5ナノ秒という極めて高速な電圧変化が発生しますが、この場合、ダイオードはほぼ瞬時に、実際には最初の1ナノ秒以内にクランプ動作を開始します。これにより、感度の高い後段の集積回路（IC）に危険なピーク電圧が到達するのを防止します。また、IEC 61000-4-5規格で規定される8／20マイクロ秒波形のような、持続時間の長い電源サージに対しても、これらのダイオードは数千アンペア（IPP）規模の大電流を安全にアースへ分流させながら、接続された部品を損傷させない範囲内でVCを維持します。TVSダイオードには主に2種類あり、双方向型は極性が問題とならないAC接続に非常に適しています。一方、単方向型はDCシステムにおいてより優れた性能を発揮し、クランプ時の順方向電圧が低いためです。しかし、TVSダイオードが特に有用なのは、その自己復帰（セルフレセット）特性にあります。電圧スパイクが通過した後、ダイオードは外部からの干渉や手動リセットを一切必要とせず、自動的に元の高抵抗状態へと復帰します。これは、他の保護デバイスでしばしば問題となるラッチアップ現象などの対応を不要にするため、信頼性の高い保護機能を提供します。

エンジニアが必ず理解すべきTVSダイオードの主要パラメータ

VRWM、VBR、VC、およびIPP — データシート仕様を堅牢な保護マージンに変換する

TVSの適切な選定およびシステムレベルの信頼性を左右する4つのパラメータは以下のとおりです：

• V _RWM （逆方向スタンドオフ電圧） これは回路の最大動作電圧を超える必要があり、正常動作時の漏れ電流や誤動作を回避するため、理想的には10～15％の余裕を確保します。
• V _BR （破壊電圧） これはアバランシェ導通が始まる電圧を定義します。最適なマージンを得るには、Vの1.2～1.5倍となるよう設定します。 _RWM .
• V _C （クランプ電圧） これは、規定のIPP（ピークパルス電流）が流れた際に下流の部品に印加される最大電圧です。 _PP これは、保護対象のICの最小破損閾値を確実に下回っていなければなりません。
• わかった _PP （ピークパルス電流） 標準化された波形（例：8／20 μs）におけるサージ耐性容量を定量化する。数値が大きいほど、エネルギー吸収能力が高くなる。

エンジニアは、Iに対して20％の減額（デレーティング）を適用する必要がある _PP 周囲温度が25°Cを超えて50°C上昇するごとに、Vを確認する _BR 温度変化に対する許容範囲を確保し、一貫した保護マージンを維持します。

高速インタフェース（USB、HDMI、Ethernet）における静電容量の考慮事項

接合部静電容量（C _J ）は、高速データライン上の信号整合性に直接影響を与えます。わずかな追加静電容量であっても、高周波成分を減衰させ、エッジレートを歪めることになり、ビットエラーまたはリンク障害を引き起こす可能性があります。目標値は厳しく定められています：

• USB 3.2 Gen 2（10 Gbps）：≤1.0 pF
• HDMI 2.1（48 Gbps）：≤0.3 pF
• 10GbE Ethernet：≤0.8 pF

双方向TVSダイオードは、この二重接合構造を採用しているため、単方向TVSダイオードと比較して自然と静電容量が高くなります。厄介な寄生効果を低減しようとする際には、低静電容量のTVS部品をコネクタや集積回路（IC）パッドから約12.7 mm（約半インチ）以内に配置することが合理的です。また、配線パターンを広くまっすぐに引き、少なくとも20ミル（約0.5 mm）の幅を確保することも重要で、これはほとんどの用途において十分に機能します。さらに、グランドパッドの適切な接続も不可欠です。単一のビアではなく、複数のビアを用いて、良好で堅固な基準グランドプレーンに直接接続してください。これにより誘導性インピーダンスが低減され、放置した場合に電圧オーバーシュート問題を悪化させてしまうのを防ぐことができます。

標準化された脅威シナリオにおけるTVSダイオードの適合性および性能

IEC 61000-4-2（静電気放電：ESD）、-4-4（電気的ファスト・トランジェント：EFT）、および-4-5（サージ）規格への適合

TVSダイオードは、厳しい耐性要件に対応するよう設計されており、通常はその要求を上回る性能を発揮します。IEC 61000-4-2規格において、これらの部品は30kVの接触放電ESDパルスという極めて強い静電気放電を、非常に短時間で吸収・遮断し、感度の高いマイクロコントローラやインタフェースICへの即時的あるいは経時的な損傷を防ぎます。また、IEC 61000-4-4に準拠した5kHz～100kHz程度の周波数で発生する反復的なEFT（電気的ファストトランジェント）バーストにも優れた対応が可能です。高速な回復時間と低い動的抵抗を兼ね備えたこのダイオードは、データラインに流れる数アンペア規模の過渡サージ電流を効果的にシャント（分流）させ、通信品質を損なうことなく保護します。IEC 61000-4-5規格に基づく高エネルギー雷サージ試験では、適切に認証されたTVSダイオードは、線間および大地間で最大6kV／3kAのサージを耐え抜き、性能を安定して維持し、重大な故障を引き起こしません。独立機関による試験結果によると、これらの部品は極端な温度範囲（-40°Cから+125°Cまで）においても確実に動作し、Class 4の耐性基準を満たしています。設計エンジニアは、従来のように複数段階のフィルターや他のクラミング素子を組み合わせる必要なく、信頼性の高い単一の部品で保護機能を統合できる点を高く評価しています。この簡素化により、部品表（BOM）に必要な部品点数が削減され、認証プロセスも容易になり、製品が実際に現場で運用される際の信頼性も全体的に向上します。

実用的なTVSダイオードの選定およびPCBレイアウトのベストプラクティス

双方向型と単方向型TVSダイオード：極性、アース接続、故障カバレッジとのマッチング

双方向型と単方向型のTVSダイオードのどちらを選択するかを判断する際、エンジニアは信号がシステム内でどのようにルーティングされるか、およびどのような種類の障害が発生し得るかを考慮する必要があります。双方向型は、2つのアバランチダイオードを背中合わせに接続した構造と同様に動作し、RS-485、HDMI、Ethernetなどにおいて見られるAC結合またはフローティング接続（電圧スパイクがどちらの方向からも発生しうる）に対して不可欠です。一方、単方向型はDC回路における電圧クランプ性能がより優れており、正の過渡現象に対してより効率的に電流を導通させるとともに、負のスパイクが発生した場合には電流の流れを遮断します。ただし、この選択を誤ると重大な影響を及ぼします。双方向通信ラインに単方向型ダイオードを配置すると、下流側の感度の高い部品を損傷する可能性のある負のサージに対する保護に隙間が生じてしまいます。また、グラウンド接続も同様に重要です。最良の実践法としては、TVSダイオードのカソード（あるいは双方向型の場合の共通接点）から、熱的安定性を確保するために複数のサーマルビアを備えた堅固なグラウンドプレーンへ、短く太い銅箔パターンを直接引き込むことです。不適切なグラウンド接続は、厄介なグラウンドバンス現象を引き起こし、サージ保護の有効性を著しく低下させます。業界における過渡応答に関する各種試験では、その効果が最大で約半分まで低下することが確認されています。

最適な配置：トレースインダクタンスを最小化し、保護効果を最大化

PCBのレイアウト方法は、単に部品の仕様を見るよりも、TVSの性能においてはるかに重要です。ダイオードは、コネクタまたは保護対象のICピンから約0.5 cm以内に配置する必要があります。1 cmごとに追加される配線長は、直列インダクタンスを約10ナノヘンリー増加させ、クラミング動作を遅らせ、ESDイベント時に危険な電圧スパイクが発生する可能性があります。トレースをルーティングする際は、直線を優先し、幅を広く（最低20ミル）保ち、インピーダンス問題を引き起こす直角カーブを避けます。高速インタフェースでは、TVSをコネクタそのものにできるだけ近接して配置します。グランドパッドは、3個以上均等に配置されたビアを用いてリファレンスプレーンに直接接続します。これにより、インダクタンスの低い優れた帰還パスが形成され、サージ電流の90％以上を精密な回路から遠ざけます。IEC 61000-4-2規格に基づく実世界の試験では、これらのレイアウト手法を採用した場合、従来のドレインチェーン型グランド接続や厄介な長いスタブ接続を用いた手法と比較して、過渡現象への曝露時間が約半分に短縮されることが確認されています。