JP2012503928A

JP2012503928A - 静電放電（ｅｓｄ）保護回路および方法

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Publication number: JP2012503928A
Application number: JP2011528987A
Authority: JP
Inventors: ハンスエイ．ジュニアトロエメル、; ブライアンアール．マクルーア、
Original assignee: パナソニックオートモーティブシステムズカンパニーオブアメリカディビジョンオブパナソニックコーポレイションオブノースアメリカ
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: KR20110059785A; KR101478870B1; EP2329573A1; CN102165662A; WO2010036218A1; JP5209119B2; EP2329573A4

Abstract

静電放電（ＥＳＤ）保護回路および方法が開示される。本発明の例示的実施形態を採用する電子デバイス（１００）は、信号入力導体（３０２）を有する電子コンポーネント（１０６）からなる。例示的ＥＳＤ保護回路（２００）は、ハイパス１／４波長変成器（２０８）と直列のスパークギャップ（２０４）を含む。例示的ＥＳＤ保護回路（２００）は、電子コンポーネント（１０６）の信号入力導体（３０２）から接地面（３０４）へスパークギャップ（２０４）および／またはハイパス１／４波長変成器（２０８）を介してＥＳＤパルスを放電するように適応されている。

Description

本発明は全体的に、電子デバイスを保護するためのシステムと方法に関する。特に、本発明の例示的実施形態は、静電放電（ＥＳＤ）保護回路に関し、それはＥＳＤパルスが電子コンポーネントを損傷する前にＥＳＤパルスが接地面まで従うための経路を提供することによって電子コンポーネントをＥＳＤパルスから保護する。

このセクションは、以下で記載されおよび／または請求される本発明の様々な側面に関連し得る技術の様々な側面に読者を紹介することが意図されている。この説明は、本発明の様々な側面のより良い理解を容易にするための背景情報を読者に提供するのに有益であると信じられている。従って、これらの言明は、従来技術の承認としてではなく、この観点で読まれるべきものであることが理解されるべきである。

いくつかのマイクロ波無線周波数（ＲＦ）装置は、ＥＳＤショックに対して非常に低い耐性を持つ。事実、１００または２００ボルトよりも少ない大きさを有するＥＳＤパルスは、いくつかのＲＦ装置の敏感なコンポーネンツを損傷することができる。いくつかのＲＦ応用は、１５ｋＶまでかそれ以上もの、より大きなＥＳＤ放電に対する抵抗性を要求するので、これは不運なことである。加えて、多くのＲＦ装置は、それらの動作周波数のために分路キャパシタンスに非常に敏感である。この分路キャパシタンスに対する敏感さは、恐らく１ピコファラッドより少ない、非常に低いキャパシタンスを有することというＥＳＤ保護回路についての追加の要求を提示する。

典型的なシステムアプローチは、信号経路に接続されたあらゆるＥＳＤ感応コンポーネントをＥＳＤ信号から遮蔽するために、ＥＳＤエネルギーを可能な限り素早く信号経路から離して戻り（接地）経路に導くことである。特に、一つの既知のアプローチは、グラウンドへの分路装置を採用することである。それらの分路装置は、インダクター、ポリマーデバイス、およびスパークギャップデバイスを含んでいても良い。分路インダクターアプローチは、ＲＦチョークとして利用されることができ、そこではＲＦインピーダンスはＲＦ性能に影響を与えないほど十分に大きい。

インダクターについての基本的過渡式が以下に示される：

ここでＶ（ｔ）は時間ｔにおけるインダクターに跨る電圧であり、Ｌはインダクターのインダクタンスである。この式によると、インダクターは瞬時電圧変化に応答することが可能であるが、瞬時電流変化に応答することは可能ではない。インダクターは、（ポリマーおよびスパークギャップＥＳＤデバイスがそうであるように）トリガー電圧を有していないので、インダクターは、その巻回の最大電流に支配されながら、直ちにグラウンドにエネルギーを戻し始める。この理由から、低キャパシタンスのポリマーおよびスパークギャップＥＳＤデバイスは、ＥＳＤ保護回路全体の電流容量を増加することを補助するために、典型的にはインダクターと並列に置かれる。しかしながら、そのような典型的なＥＳＤ保護回路は、厳しいＥＳＤ環境中のＲＦコンポーネンツのために十分に強健な保護を提供しないかも知れない。

ＥＳＤ保護回路を有する電子デバイスが提供される。例示的電子デバイスは、信号入力導体を有する電子コンポーネントからなる。例示的ＥＳＤ保護回路は、ハイパス１／４波長変成器と直列のスパークギャップを含む。例示的ＥＳＤ保護回路は、電子コンポーネントの信号入力導体から接地面へスパークギャップおよび／またはハイパス１／４波長変成器を介してＥＳＤパルスを放電するように適応されている。

本発明の上述したおよびその他の特徴と利点とそれらを達成するやり方は、添付の図面との関係で発明の一実施形態の以下の記載を参照することによって明らかとなりより良く理解されるであろう。

対応する参照符号はいくつかの図を通して対応する部分を指し示す。ここに説明される例示は発明の好ましい実施形態を一つの形で描写するが、そのような例示は発明の範囲をいかなるやり方でも限定していると解釈されるべきものではない。

図１は、本発明の例示的実施形態に従った電子デバイスのブロック図である。図２は、本発明の例示的実施形態に従ったＥＳＤ保護回路の概略回路図である。図３は、本発明の例示的実施形態に従ったＥＳＤ保護回路を構築するのに有用なスパークギャップ回路の上面図である。図４は、本発明の例示的実施形態に従ったＥＳＤ保護回路を構築するのに有用なハイパス１／４波長変成器の概略回路図である。図５は、本発明の例示的実施形態に従ったＥＳＤ保護回路を構築する方法のプロセスフロー図である。

本発明の１つ以上の特定の実施形態が以下に記載される。それらの実施形態の簡潔な記載を提供するための努力として、実際の実装の全ての特徴が明細書中に記載されるわけではない。あらゆるエンジニアリングまたはデザインプロジェクトにおいてのように、あらゆるそのような実際の実装を開発する際には、一つの実装から別のもので変動し得る、システム関連のおよびビジネス関連の制約との整合のような、開発者の特定のゴールを達成するために、数々の実装特定の決定がなされなければならないことが認識されるべきである。しかも、そのような開発努力は複雑で時間のかかるものであるかもしれないが、それにも拘わらずこの開示の恩恵を有する当業者にとってはデザイン、作製および製造のルーティン作業であろうことが認識されるべきである。

図１は、本発明の例示的実施形態に従った電子デバイスのブロック図である。電子デバイスは全体的に参照番号１００によって参照される。図１に描かれた例示的電子デバイス１００は、ＲＦオーディオ信号等を受信するためのＲＦ受信デバイス（例えば、自動車ラジオのような）である。他の例示的実施形態では電子デバイス１００は、いくつかの例を挙げるとコンピューターシステムまたはコンポーネンツ、テレビ、テレビセットトップボックス、ＤＶＤプレーヤー、パーソナルオーディオプレーヤー、カメラ等のような他のタイプのデバイスからなっていても良いことを当業者は認識するであろう。しかも、本発明の例示的実施形態は、ＥＳＤパルスを放電することによる損傷に晒されるあらゆる種類の電子デバイスを保護するために有用であり得ることを当業者は認識するであろう。加えて、図１に示された様々な機能的ブロックは、ハードウェアエレメンツ（回路を含んだ）、ソフトウェアエレメンツ（機械読み取り可能な媒体上に格納されたコンピューターコードを含んだ）、またはハードウェアおよびソフトウェアエレメンツ両方の組み合わせからなっていても良いことを当業者は認識するであろう。

図１に描かれた例示的電子デバイス１００は、信号入力１０２からなる。信号入力１０２は、ＲＦアンテナまたはその他の信号源からの入力からなっていても良い。以下で十分に説明されるように、ＥＳＤ保護回路１０４は、処理エレクトロニクスブロック１０６のような電子コンポーネントをＥＳＤパルスの放電から保護するように適応されている。電子コンポーネント１０６は、信号入力１０２から入力信号を受信するように適応されたＲＦ処理回路からなっていても良い。電子デバイス１００は更に、オーディオ出力信号をユーザに配送するための１つ以上のスピーカー１０８（それはヘッドホンからなっていても良い）からなる。

図２は、本発明の例示的実施形態に従ったＥＳＤ保護回路の概略回路図である。ＥＳＤ保護回路は全体的に参照番号２００によって参照される。信号入力２０２は、例えば、ＲＦオーディオプログラム等に相当する入力信号を受信するように適応されている。

以下で詳細に説明されるように、ＥＳＤ保護回路２００は、ＥＳＤ感応ＲＦ装置２１０にＥＳＤ保護を提供するために、ハイパス１／４波長変成器２０８と直列のスパークギャップ２０４を採用する。本発明の例示的実施形態は加えて、ＥＳＤ感応ＲＦ装置２１０に追加のＥＳＤ保護を提供するために、スパークギャップ２０４およびハイパス１／４波長変成器２０８と並列の低キャパシタンスＥＳＤエレメント２０６からなっていても良い。

図３は、本発明の例示的実施形態に従ったＥＳＤ保護回路を構築するのに有用なスパークギャップ回路の上面図である。スパークギャップ回路は全体的に参照番号３００によって参照される。図３に示されたスパークギャップ回路３００は、電子デバイスのプリント回路基板コンポーネント上に配置されたＲＦコネクターの一部のレイアウトを表わすことを当業者は認識するであろう。

スパークギャップ回路３００は、ＲＦオーディオ入力信号等のような信号を搬送するように適応された信号入力導体３０２を含む。図３では、信号入力導体３０２は、プリント回路基板のコネクターパッドとして実装されている。本発明の例示的実施形態では、信号入力導体３０２は、信号入力２０２（図２）を介して受信された入力信号を搬送するように適応されていても良い。スパークギャップ回路３００は接地面３０４を含む。本発明の例示的実施形態では、スパークギャップ回路３００は、閾値電圧を越えるＥＳＤパルスが信号入力導体３０２に衝撃を与える時に、信号入力導体３０２と接地面３０４の間に電気的経路を提供するように適応されている。

スパークギャップ回路３００は、１つ以上のスパークギャップパッド３０６からなる。図３に示されたスパークギャップ回路３００の例示的実施形態では、スパークギャップパッド３０６は全体的に三角形の形状であり、接地面３０４の一体的な部分として形成されている。スパークギャップパッド３０６が接地面３０４の一体的な部分として形成されているので、スパークギャップパッド３０６の分路キャパシタンスは正に最小であって、およそ４ＧＨｚまでの動作周波数に対して透明である。加えて、全体的に三角形のスパークギャップパッド３０６の各々の頂点は、信号入力導体３０２の全体的方向に向くように向き付けられている。スパークギャップパッドの単一セットの使用に対してスパークギャップ回路３００の寿命を引き延ばすために、スパークギャップパッドのバックアップセットを設けることが望ましくても良い。

スパークギャップパッド３０６を、信号入力導体３０２に対して電流密度が実質的に高い点に位置させることによって、望ましい結果が得られ得ることを当業者は認識するであろう。この位置は、個別のシステムデザイン考慮に依存して変動しても良い。スパークギャップパッド３０６の正確なサイズと形状をデザインするために幅広い様々な判断基準が採用されても良いことを当業者は認識するであろう。そのようなデザイン判断基準の例は、信号入力導体３０２と接地面３０４の間の分離のミリメーター当り３０ボルトの空気放電値を仮定することである。一実施形態では、信号入力導体３０２は接地面３０４からおよそ４ｍｍに位置している。そのような実施形態では、スパークギャップ回路３００は、およそ１２０ボルトの起動電圧を有するであろう。言い換えると、およそ１２０ボルトの閾値電圧を超えるＥＳＤパルスが、スパークギャップパッド３０６を介して接地面３０４に放電されるであろう。

信号入力導体３０２とスパークギャップパッド３０６の間のプリント回路基板上の一般エリアは、望ましくは、はんだマスクから自由であることを当業者は認識するであろう。図３に描かれた例示的実施形態では、はんだマスク負ライン３０８（破線として示される）によって囲まれたエリアは、はんだマスクから自由である。

図４は、本発明の例示的実施形態に従ったＥＳＤ保護回路を構築するのに有用なハイパス１／４波長変成器の概略回路図である。図４に示された例示的ハイパス１／４波長変成器は全体的に参照番号４００によって参照される。上述した通り、本発明の例示的実施形態に従ったＥＳＤ保護回路は、ハイパス１／４波長変成器４００のようなハイパス１／４波長変成器と直列のスパークギャップ回路３００（図３）のようなスパークギャップ回路からなる。

例示的ハイパス１／４波長変成器４００は、図４に示されるように、（キャパシティブエレメント４０２の第一の端子に接続された）第一のインダクティブエレメント４０４と並列に、且つ（キャパシティブエレメント４０２の第二の端子に接続された）第二のインダクティブエレメント４０６と並列に接続されたキャパシティブエレメント４０２からなる。以下の式が、キャパシティブエレメント４０２と、第一のインダクティブエレメント４０４と、第二のインダクティブエレメント４０６の値を選ぶのに有用であり得ることを当業者は認識するであろう：

ここでＬは第一のインダクティブエレメント４０４と第二のインダクティブエレメント４０６のインダクダンス、Ｚ_０はハイパス１／４波長変成器４００の特性インピーダンス、Ｆ_０は中心周波数である；および

ここでＣはキャパシティブエレメント４０２のキャパシタンス、Ｆ_０は中心周波数、Ｚ_０はハイパス１／４波長変成器４００の特性インピーダンスである。キャパシティブエレメント４０２と、第一のインダクティブエレメント４０４と、第二のインダクティブエレメント４０６の特性インピーダンスは、以下の式を使って計算され得ることを当業者は更に認識するであろう：

ここでＺｓはソースインピーダンス、Ｚｌは負荷インピーダンスである。

ハイパス１／４波長変成器４００の性質は、それがＥＳＤ衝撃を軽減するのに有用になるようにする。例えば、第一のインダクティブエレメント４０４と第二のインダクティブエレメント４０６の各々は、ハイパス１／４波長変成器４００がより多くのＥＳＤエネルギーを接地面３０４（図３）に転送することを許容するように、より低いインピーダンスを有する分路インダクティブエレメントとしての役目を果たす。加えて、本発明の例示的実施形態のキャパシティブエレメント４０２は、保護されているＥＳＤ感応ＲＦ装置２１０（図２）に高インピーダンス直列経路を提供するように、小さな値を有する。キャパシティブエレメント４０２の高いインピーダンスは、より多くのＥＳＤエネルギーが第一のインダクティブエレメント４０４と第二のインダクティブエレメント４０６を介して接地面３０４（図３）に分路されることを強制する。

本発明の例示的実施形態では、ハイパス１／４波長変成器４００は、ハイパス１／４波長変成器４００によって受け取られたエネルギーの大半が反射されてソースに戻るように、相対的に狭い帯域幅を有する単段変成器である。本発明の例示的実施形態に従ったハイパス１／４波長変成器構造が、望ましくは変成器の出力において起こる−９０°位相を採用することを当業者は認識するであろう。このようにして、ＥＳＤパルスからのＥＳＤエネルギーは、信号入力導体３０２（図３）から大幅に除去され、接地面３０４（図３）を通して戻される。

本発明の例示的実施形態に従ったＥＳＤ保護回路中でのハイパス１／４波長変成器の使用は、実際のソースインピーダンスから実際の負荷インピーダンスへのマッチングを提供する。加えて、１／４波長変成器は、最大パワー転送が１／４波長の奇数倍においてのみ起こるので、ソースから負荷インピーダンスへの無損失のＲＦ分離のために使われる。本発明の例示的実施形態では、分離はＥＳＤ保護回路２００（図２）と保護されているＥＳＤ感応ＲＦ装置２１０（図２）の間に提供される。しかも、ハイパス１／４波長変成器２０８が、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を犠牲にすることなく広帯域エネルギーからの分離を提供する。ハイパス１／４波長変成器２０８によって提供された広帯域エネルギーからの分離は、ＥＳＤパルスのフーリエ変換の性質に部分的に関連している。ＥＳＤパルスの信号波形は指数関数形崩壊と同様であることを同業者は認識するであろう。指数関数形崩壊のフーリエ変換はスペクトラムに跨った非常に広帯域なエネルギーと同様であることを当業者は更に認識するであろう。

図５は、本発明の例示的実施形態に従ったＥＳＤ保護回路２００（図２）のようなＥＳＤ保護回路を構築する方法のプロセスフロー図である。プロセスは全体的に参照番号５００によって参照される。ブロック５０２において、プロセスが始まる。

上述したように、プロセス５００から結果として得られるＥＳＤ保護回路は、信号入力導体３０２（図３）を有する電子デバイス１００（図１）での使用のために適応されている。ブロック５０４において、スパークギャップ２０４（図２）のようなスパークギャップが設けられる。ブロック５０６において、スパークギャップがハイパス１／４波長変成器２０８（図２）のようなハイパス１／４波長変成器と直列に接続される。結果として得られるＥＳＤ保護回路は、ＥＳＤパルスを信号入力導体３０２（図３）から接地面３０４（図３）にスパークギャップ２０４（図２）および／またはハイパス１／４波長変成器２０８（図２）を介して放電するように適応されている。ブロック５０８において、プロセスが終わる。

発明は、様々な変形や代替形に受け入れることができても良い一方で、特定の実施形態が例として図面に示されて、ここで詳細に記載される。しかしながら、発明は開示された特定の形に限定されることを意図されていないことが理解されるべきである。むしろ、発明は、以下の添付の請求項によって規定される発明の精神と範囲内に入る全ての変形、等価形および代替形をカバーするものである。

Claims

信号入力導体（３０２）を有する電子コンポーネント（１０６）と、
ハイパス１／４波長変成器（２０８）と直列のスパークギャップ（２０４）を含む静電放電（ＥＳＤ）保護回路（２００）であって、ＥＳＤ保護回路（２００）は、信号入力導体（３０２）から接地面（３０４）へスパークギャップ（２０４）および／またはハイパス１／４波長変成器（２０８）を介してＥＳＤパルスを放電するように適応されているものと、
を含む電子デバイス（１００）。
スパークギャップ（２０４）およびハイパス１／４波長変成器と並列に接続された低キャパシタンスＥＳＤエレメント（２０６）を含む、請求項１記載の電子デバイス（１００）。
スパークギャップ（２０４）は、ＥＳＤパルスが電圧閾値に達する時に、スパークがＥＳＤパルスを信号入力導体（３０２）から接地面（３０４）へ放電することを許容するように適応された少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）を含む、請求項１記載の電子デバイス（１００）。
少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）は、接地面（３０４）の全体的に三角形の部分を含み、少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）の頂点は信号入力導体（３０２）の全体的方向に向くように向き付けられている、請求項３記載の電子デバイス（１００）。
少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）と信号入力導体（３０２）の間の経路は、はんだマスクから自由である、請求項３記載の電子デバイス（１００）。
少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）は、信号入力導体（３０２）に対して電流密度が実質的に高い点に位置する、請求項３記載の電子デバイス（１００）。
少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）は、少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）のバックアップとして働く第二のスパークギャップパッド（３０６）を含む、請求項３記載の電子デバイス（１００）。
ハイパス１／４波長変成器（２０８）は、キャパシティブエレメント（４０２）と、キャパシティブエレメント（４０２）の第一の端子を介してキャパシティブエレメント（４０２）と並列に接続された第一のインダクティブエレメント（４０４）と、キャパシティブエレメント（４０２）の第二の端子を介してキャパシティブエレメント（４０２）と並列に接続された第二のインダクティブエレメント（４０６）とを含む、請求項１記載の電子デバイス（１００）。
ハイパス１／４波長変成器（２０８）は、単段変成器を含む、請求項１記載の電子デバイス（１００）。
電子デバイス（１００）は、自動車ラジオを含む、請求項１記載の電子デバイス（１００）。
静電放電（ＥＳＤ）保護回路（２００）を構築する方法（５００）であって、ＥＳＤ保護回路（２００）は信号入力導体（３０２）を有する電子コンポーネント（１０６）中での使用のために適応されており、
スパークギャップ（２０４）を提供すること（５０４）と、
スパークギャップ（２０４）をハイパス１／４波長変成器（２０８）と直列に接続すること（５０６）であって、ＥＳＤ保護回路（２００）は、電子コンポーネント（１０６）の信号入力導体（３０２）から接地面（３０４）へスパークギャップ（２０４）および／またはハイパス１／４波長変成器（２０８）を介してＥＳＤパルスを放電するように適応されていることと、
を含む方法。
低キャパシタンスＥＳＤエレメント（２０６）をスパークギャップ（２０４）およびハイパス１／４波長変成器と並列に接続することを含む、請求項１１記載の方法（５００）。
スパークギャップ（２０４）は、ＥＳＤパルスが電圧閾値に達する時に、スパークがＥＳＤパルスを信号入力導体（３０２）から接地面（３０４）へ放電することを許容するように適応された少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）を含む、請求項１１記載の電子デバイス（１００）。
少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）は、接地面（３０４）の全体的に三角形の部分を含み、少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）の頂点は信号入力導体（３０２）の全体的方向に向くように向き付けられている、請求項１３記載の方法（５００）。
少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）と信号入力導体（３０２）の間の経路は、はんだマスクから自由である、請求項１３記載の方法（５００）。
少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）は、信号入力導体（３０２）に対して電流密度が実質的に高い点に位置する、請求項１３記載の方法（５００）。
少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）は、少なくとも１つのスパークギャップパッド（３０６）のバックアップとして働く第二のスパークギャップパッド（３０６）を含む、請求項１３記載の方法（５００）。
ハイパス１／４波長変成器（２０８）は、キャパシティブエレメント（４０２）と、キャパシティブエレメント（４０２）の第一の端子を介してキャパシティブエレメント（４０２）と並列に接続された第一のインダクティブエレメント（４０４）と、キャパシティブエレメント（４０２）の第二の端子を介してキャパシティブエレメント（４０２）と並列に接続された第二のインダクティブエレメント（４０６）とを含む、請求項１１記載の方法（５００）。
ハイパス１／４波長変成器（２０８）は、単段変成器を含む、請求項１１記載の方法（５００）。
信号入力導体（３０２）を有する電子コンポーネント（１０６）を保護するように適応された静電放電（ＥＳＤ）保護回路（２００）であって、ＥＳＤ保護回路（２００）は、
スパークギャップ（２０４）と、
スパークギャップ（２０４）と直列に接続されたハイパス１／４波長変成器（２０８）であって、ＥＳＤ保護回路（２００）は、電子コンポーネント（１０６）の信号入力導体（３０２）から接地面（３０４）へスパークギャップ（２０４）および／またはハイパス１／４波長変成器（２０８）を介してＥＳＤパルスを放電するように適応されているものと、
を含む静電放電保護回路。