電子設計 - PCBクランプダイオードと過渡電圧保護

クランプダイオードと過渡電圧保護はPCB設計において非常に重要である。多くの電子製品の初心者はダイオードがPN接合で作られた半導体であることを知っている。正電圧がアノードに接続され、カソードがカソードに接続されると、ダイオードは順バイアスと呼ばれます。印加電圧が接合電圧（通常0.7 V）よりも大きい限り、電流はダイオードを流れる。

しかし、もし電圧が逆方向に印加されていたら？負バイアスでは、端子両端の電圧が破壊電圧を超えない限り、ダイオードは非導通状態になる。この状態では、逆バイアスされたPN接合が電子の流れを妨げるため、ダイオードの役割は開回路のようなものになります。

クランプダイオードは、PCB基板設計回路においてこれら2つの特性を用いて入力電圧を操作する場所である。クランプダイオードはレベルシフタとして用いてもよいし、過渡電圧から素子を保護するために用いてもよい。

クランプ回路のダイオード

PCB正極クランプ回路。

クランプ回路は交流入力、ダイオード、コンデンサ、負荷抵抗からなる。クランプ回路は、正の構成と負の構成に分けられる。上図は、実際には正レベル変換器である正クランプ回路を示しています。

その仕組みは次のとおりです。

最初の正サイクルでは、ダイオードは逆バイアス状態にあり、ダイオードに電流が流れていない。したがって、第1の出力ピークは入力に等しい。

入力が負サイクルに入ると、ダイオードは順バイアス状態になる。電流の伝導を開始し、ピーク電圧の大きさまでコンデンサを充電します。入力電圧が正周期に近づくと、コンデンサは電荷を保持し続ける。負サイクルでは、出力電圧は0 V、またはちょうど0.7 Vであり、これはダイオードの接合電圧である。

次の正サイクルでは、ダイオードは再び逆バイアス状態になる。ダイオードが開回路する。しかし、キャパシタは、前のサイクルの入力電圧振幅に充電される。ここで、電荷は負荷抵抗によって放出され、同時に入力に正電圧ピークが印加されます。入力電圧とコンデンサに蓄積された電荷の両方は、出力電圧で測定された振幅を2倍にすることになります。

しかしPCB負極クランプ回路は？ダイオードの方向を反転するだけで、逆方向に動作する交流レベル変換器が得られます。

クランプダイオードの過渡保護

クランプダイオードはベースライン電圧ドリフトだけではない。これらは過渡的なイベント、特にESDと雷のサージを緩和することができます。例えば、入力電圧がVh以上に上昇すると、D 1は順バイアスされる。そのため、負荷ではなく、過大な電流がD 1を流れる。電流制限抵抗器は通常、ダイオードが限界範囲内で動作することを保証するためにダイオードの前に配置される。

入力電圧がVL以下に低下した場合も同様で、D 2が活性化されます。負荷から余分な電流を取り除き、電圧をVh以下に保つことにより、これらのダイオードはアセンブリの過渡電圧破壊を防止するのに役立ちます。

一般に、PCB ESDまたはサージ保護のために、より大きな電流処理能力、低接合電圧、および高速オン時間を有するダイオードが選択される。大量の電流が通過する場合、電流制限抵抗器は大量の熱を無効にすることもできなければならない。