通信機器におけるサージ保護：TVSダイオードの役割

I. 通信機器が直面するサージ脅威

ルーターや光トランシーバー、ネットワークスイッチなどの現代の通信システムは、様々なサージ現象にさらされる複雑な環境に頻繁に設置されています。これには、静電気放電（ESD）、雷による電磁パルス（LEMP）、および電源線を介して誘導された過電圧が含まれます。このようなサージは信号伝送を中断するだけでなく、敏感な集積回路に不可逆的な損傷を与える可能性があり、システムのダウンタイムや高価な機器の交換を引き起こすことがあります。

II. TVSダイオードの動作原理と利点

過渡電圧抑制（TVS）ダイオードは、過渡的な過電圧を抑制するために特別に設計された半導体部品です。その動作メカニズムは、線路電圧がデバイスの降伏電圧を超えると、通常はナノ秒単位で急速に導通するというものです。保護対象の回路から余分なエネルギーをバイパスして安全に放散することにより、電気的過ストレスを防止します。

バリスタやセラミックコンデンサなどの従来の保護素子と比較して、TVSダイオードは応答速度が速く、リーク電流が小さく、小型パッケージで提供されます。このような特性により、データライン、USBポート、LANトランシーバー、HDMIコネクタ、その他の高速伝送インターフェースの保護に特に適しています。

III. 使用例：RJ45イーサネットポート保護

ギガビットおよび10ギガビットイーサネットネットワークでは、PHY層の差動信号ピンは落雷や周辺の電力サージによって誘導されたサージ電圧の影響を受けやすくなっています。TVSダイオードはPHYチップとRJ45ポートの間に配置され、第1線の防御を形成し、過渡電圧が精密な論理層に到達する前にクランプして効果的に保護します。

通常1ピコファラッド未満の容量値を持つ低容量TVS素子を使用することで、数百メガビット乃至数ギガビット毎秒のデータ伝送速度においても信号の完全性を維持できるようになっています。

IV. ユースケース：光モジュールおよびUSBポートの静電気放電（ESD）保護

SFP+やQSFPなどの光モジュールには高感度のレーザー発光素子および駆動回路が含まれています。保守または設置作業中に、これらのポートは人体由来の静電気放電（ESD）にさらされることがあります。並列構成で設置されたTVSダイオードは、このような電荷を迅速に放電し、モジュールのピン端子における絶縁破壊や熱損傷を防ぎます。

同様に、民生機器および組み込みシステムで広く使用されているUSBインターフェースには多線保護が必要です。各電源およびデータラインを、USB 2.0/3.0の仕様とESD耐性の両方を満たすために、低寄生容量および高速スイッチング特性を持つTVS素子で個別に保護する必要があります。

V. 選定基準と今後の開発動向

エンジニアはTVSダイオードを選定する際に、いくつかの重要なパラメーターを評価する必要があります：

クランプ電圧：チップの最大許容電圧以下かつ、通常動作電圧以上でなければなりません；

ピークパルス電力：エネルギー吸収容量を決定します；

接合容量：高速データ通信応用において重要な要素です；

パッケージタイプ：SOD-123、SOT-23、DFN0603など、PCBの密度および熱設計に応じて選択してください。

5G、オートモーティブイーサネット、エッジコンピューティングシステムの採用が進むにつれ、TVS技術は統合型多チャネルアレイ、超低容量設計、統一されたESD／雷保護アーキテクチャへと進化しています。

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