JP7746151B2 - 過渡電圧保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、過渡電圧保護回路に関する。

半導体等を含む電子回路において、素子を静電気放電（ＥＳＤ：Electrostatic Discharge）等の各種サ－ジ（過渡電圧）から保護する目的で、バリスタが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６－２６７７１３号公報

本発明の一側面は、過渡電圧保護特性の向上が図れる過渡電圧保護回路を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る過渡電圧保護回路は、信号ラインとグランドとの間に接続される過渡電圧保護回路であって、信号ラインとグランドの間に接続されているコイル部を備え、コイル部は、信号ラインを流れる信号電圧よりも高い電圧が印加されたときに磁気飽和するように構成されている。

本発明の一側面に係る過渡電圧保護回路は、コイル部を備えている。コイル部は、高い周波数成分を有する信号に対しては高抵抗（インピーダンス）であるが、ＥＳＤのような大電圧（負荷）に対しては磁気飽和を生じる。このように、コイル部では、磁気飽和が生じると、低抵抗となるため、電流を流す。そのため、過渡電圧保護回路では、信号ラインに入力されたＥＳＤ等の大電圧をグランドに逃がすことができる。これにより、過渡電圧保護回路では、クランプ電圧の低減が図れる。したがって、過渡電圧保護回路では、過渡電圧保護特性の向上が図れる。

一実施形態においては、第一過渡電圧保護部を備え、コイル部及び第一過渡電圧保護部は、信号ラインとグランドとの間に並列に接続されていてもよい。この構成では、ＥＳＤ等によるエネルギーをコイル部と第一過渡電圧保護部とに配分することができる。そのため、過渡電圧保護回路では、過渡電圧に対する耐性の向上を図れる。したがって、過渡電圧保護回路では、過渡電圧保護特性の向上をより一層図れる。

一実施形態においては、第二過渡電圧保護部を備え、第一過渡電圧保護部とコイル部及び第二過渡電圧保護部とは、信号ラインとグランドとの間に並列に接続されており、コイル部及び第二過渡電圧保護部は、信号ライン側から第二過渡電圧保護部及びコイル部の順に直列に接続されていてもよい。この構成では、ＥＳＤ等によるエネルギーをコイル部、第一過渡電圧保護部及び第二過度電圧保護部に配分することができる。そのため、過渡電圧保護回路では、過渡電圧に対する耐性の向上をより一層図れる。

一実施形態においては、コイル部が磁気飽和する磁気飽和電圧は、第一過渡電圧保護部が動作する動作電圧よりも小さくてもよい。この構成では、第一過渡電圧保護素部及び第二過渡電圧保護部が動作する前に、コイル部において磁気飽和を生じさせることができる。

一実施形態においては、電流電圧特性において、第一閾値電圧において特性が切り替わると共に、第一閾値電圧よりも小さい第二閾値電圧において特性が切り替わってもよい。

本発明の一側面によれば、過渡電圧保護特性の向上が図れる。

図１は、第一実施形態に係る過渡電圧保護回路を示す図である。 図２は、コイル及びバリスタのそれぞれの電流－電圧特性の一例を示す図である。 図３は、図１に示す過渡電圧保護回路の電流－電圧特性を示す図である。 図４は、クランプ波形を示す図である。 図５は、第二実施形態に係る過渡電圧保護回路を示す図である。 図６は、図５に示す過渡電圧保護回路の電流－電圧特性を示す図である。 図７は、変形例に係る過渡電圧保護回路の電流－電圧特性を示す図である。 図８は、変形例に係る過渡電圧保護回路の電流－電圧特性を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、第一実施形態に係る過渡電圧保護回路１を示す図である。図１に示されるように、過渡電圧保護回路１は、信号ラインＬ１とグランドラインＬ２との間に接続される。過渡電圧保護回路１は、ＥＳＤ等に起因して大電圧（サージ電圧）が信号ラインＬ１に流入した場合に、保護対象となる機器（たとえば、ＩＣ（Integrated Circuit））を保護するための回路である。信号ラインＬ１は、保護対象となる機器に接続されている。グランドラインＬ２は、グランドＧに接続されている。過渡電圧保護回路１は、コイル（コイル部）３と、バリスタ（第一過渡電圧保護部）５と、を備えている。

過渡電圧保護回路１において、コイル３とバリスタ５とは、信号ラインＬ１とグランドラインＬ２との間において、電気的に並列に接続されている。

コイル３は、たとえば、チップビーズである。コイル３は、たとえば、素体と、外部電極と、素体内に配置されているコイルと、により構成されている。コイル３は、所定電圧以上が印加された場合に磁気飽和が生じるように構成されている。所定電圧は、磁気飽和電圧であり、信号ラインＬ１を流れる信号電圧の最大値よりも高い電圧である。信号電圧は、信号ラインＬ１を流れる制御信号等の電圧である。

バリスタ５は、たとえば、チップバリスタである。バリスタ５は、たとえば、素体と、外部電極と、素体内に配置されている内部電極と、により構成されている。バリスタ５は、所定電圧以上が印加された場合に動作するように構成されている。所定電圧は、バリスタ電圧（動作電圧）である。バリスタ電圧は、ブレイクダウン電圧であるともいえる。

過渡電圧保護回路１において、コイル３が磁気飽和する磁気飽和電圧は、バリスタ５が動作するバリスタ電圧よりも小さい。すなわち、過渡電圧保護回路１において、コイル３の磁気飽和の方が、バリスタ５の動作よりも先に生じる。

図２は、コイル３及びバリスタ５のそれぞれの電流－電圧特性の一例を示す図である。図２では、横軸は電圧（Voltage）［Ｖ］、縦軸は、電流(Current)［Ａ］を示している。図２では、コイル３の特性を実線で示し、バリスタ５の特性を破線で示している。図２に示されるように、コイル３では、磁気飽和電圧（スナップバック電圧）においてスナップバック動作し（スナップバック現象が発現し）、磁気飽和する。すなわち、コイル３は、スナップバック動作を有しているともいえる。コイル３では、磁気飽和が生じることで低抵抗になり、電流が流れる。バリスタ５では、バリスタ電圧以上になるとブレイクダウンする。バリスタ５では、バリスタ電圧以上になると低抵抗になり、電流が流れる。

図３は、過渡電圧保護回路１の電流－電圧特性を示す図である。図３では、横軸は電圧（Voltage）［Ｖ］、縦軸は、電流(Current)［Ａ］を示している。図３では、ＴＬＰ（Transmission Line Pulse）測定によって測定した結果を示している。

図３に示されるように、過渡電圧保護回路１の電流－電圧特性（電流電圧特性）では、特性（インピーダンス）が切り替わる部分（以下、「切替部分」と称する。）を二か所有している。切替部分を起点として、電流－電圧特性のグラフに主たる変化が生じる。過渡電圧保護回路１では、第一閾値電圧Ｖ１において一回目の切替部分が発生し、電流が流れる。一回目の切替部分の後、電流がそれ以前よりも流れる。一回目の切替部分までのグラフの傾きよりも、一回目の切替部分の後のグラフの傾きの方が大きい。続いて、過渡電圧保護回路１では、第二閾値電圧Ｖ２において二回目の切替部分が発生する。これにより、過渡電圧保護回路１は、低抵抗となり、電流が更に流れる。一回目の切替部分から二回目の切替部分までのグラフの傾きよりも、二回目の切替部分の後のグラフの傾きの方が大きい。一回目の切替部分（第一閾値電圧Ｖ１）と二回目の切替部分（第二閾値電圧Ｖ２）との間では、時間幅を持って徐々に低抵抗となる（徐々に電流が流れる）。第一閾値電圧Ｖ１は、第二閾値電圧Ｖ２よりも大きい。第一閾値電圧Ｖ１は、信号電圧よりも大きい。第一閾値電圧Ｖ１は、磁気飽和電圧であるともいえる。

以上説明したように、本実施形態に係る過渡電圧保護回路１は、コイル３を備えている。コイル３は、高い周波数成分を有する信号に対しては高抵抗（インピーダンス）であるが、ＥＳＤのような大電圧（負荷）に対しては磁気飽和を生じる。このように、コイル３では、磁気飽和が生じると、低抵抗となるため、電流を流す。そのため、過渡電圧保護回路１では、信号ラインＬ１に入力されたＥＳＤ等の大電圧をグランドラインＬ２（グランドＧ）に逃がすことができる。これにより、過渡電圧保護回路１では、クランプ電圧の低減が図れる。

図４は、クランプ特性を示す図である。図４では、横軸は時間（Time）［ｎｓ］、縦軸は電圧（Voltage）［Ｖ］を示している。図３では、コイル３の測定結果を一点鎖線で示し、バリスタ５の測定結果を破線で示し、過渡電圧保護回路１の測定結果を実線で示している。図３では、ＥＳＤガンにより所定のＥＳＤ波形を印加したときの測定結果（波形）を示している。

図４に示されるように、コイル３では、電圧が印加された場合、印加直後において電圧のピーク値（たとえば、１８００Ｖ程度）は高くなるが、ピークの後に直ぐ電圧は低くなる。コイル３では、時間に対する電圧の平均値は低くなる。バリスタ５では、電圧が印加された場合、印加直後における電圧のピーク値（たとえば、８００Ｖ程度）はコイル３に比べて低くなるが、ピークの後においてもコイル３に比べて電圧は高い。コイル３では、時間に対する電圧の平均値はコイル３に比べて高くなる。過渡電圧保護回路１では、電圧が印加された場合、印加直後において電圧のピーク値を抑えつつ、時間に対する電圧の平均値を低くすることができる。過渡電圧保護回路１では、コイル３及びバリスタ５のクランプ特性の良い所を活かしたクランプ特性となる。

また、過渡電圧保護回路１では、コイル３とバリスタ５とを備えているため、ＥＳＤ等のエネルギーをコイル３とバリスタ５とに配分することができる。そのため、過渡電圧保護回路１では、過渡電圧に対する耐性の向上を図れる。したがって、過渡電圧保護回路１では、過渡電圧保護特性の向上が図れる。

本実施形態に係る過渡電圧保護回路１では、コイル３は、信号ラインＬ１の信号電圧よりも高い電圧が印加された場合に磁気飽和する。コイル３が磁気飽和する磁気飽和電圧は、バリスタ５のバリスタ電圧よりも小さい。この構成では、バリスタ５が動作する前に、コイル３において磁気飽和を生じさせることができる。

本実施形態に係る過渡電圧保護回路１では、コイル３のインダクタンスとバリスタ５の静電容量とのマッチングにより、Ｓパラメータをコントロールすることができる。そのため、過渡電圧保護回路１において、コイル３のインダクタンスとバリスタ５の静電容量とを適切にマッチングさせることによって、所望のインピーダンス特性を得ることが可能となる。これにより、過渡電圧保護回路１では、低静電容量とすることができる。

本実施形態に係る過渡電圧保護回路１では、図３に示されるように、電流－電圧特性において、第一閾値電圧Ｖ１において切替部分を有すると共に、第二閾値電圧Ｖ２において切替部分を有する。このとき、第一閾値電圧Ｖ１と第二閾値電圧Ｖ２との間において、徐々に低抵抗となるように波形が連続している。そのため、第一閾値電圧Ｖ１と第二閾値電圧Ｖ２との間において、グランドＧに対して一気に電流が流れない。これにより、グランドＧの基準電位にずれが生じることを抑制できる。

［第二実施形態］
続いて、第二実施形態について説明する。図５は、第二実施形態に係る過渡電圧保護回路を示す図である。図５に示されるように、過渡電圧保護回路１０は、コイル（コイル部）１２と、第一バリスタ（第一過渡電圧保護部）１４と、第二バリスタ（第二過渡電圧保護部）１６と、を備えている。

コイル１２は、たとえば、チップビーズである。コイル１２は、たとえば、素体と、外部電極と、素体内に配置されているコイルと、により構成されている。コイル１２は、所定電圧以上が印加された場合に磁気飽和が生じるように構成されている。所定電圧は、磁気飽和電圧であり、信号ラインＬ１を流れる信号電圧の最大値よりも高い電圧である。信号電圧は、信号ラインＬ１を流れる制御信号等の電圧である。所定電圧は、第一バリスタ１４が動作する動作電圧（バリスタ電圧）よりも小さい。

第一バリスタ１４は、たとえば、チップバリスタである。第一バリスタ１４は、たとえば、素体と、外部電極と、素体内に配置されている内部電極と、により構成されている。第一バリスタ１４は、所定電圧以上が印加された場合に動作するように構成されている。所定電圧は、バリスタ電圧（動作電圧）である。バリスタ電圧は、ブレイクダウン電圧であるともいえる。

第二バリスタ１６は、たとえば、チップバリスタである。第二バリスタ１６は、たとえば、素体と、外部電極と、素体内に配置されている内部電極と、により構成されている。第二バリスタ１６は、所定電圧以上が印加された場合に動作するように構成されている。第二バリスタ１６が動作するバリスタ電圧は、信号ラインＬ１の信号電圧よりも高い。

過渡電圧保護回路１０では、第一バリスタ１４と第二バリスタ１６及びコイル１２とは、信号ラインＬ１とグランドラインＬ２との間において、電気的に並列に接続されている。第二バリスタ１６とコイル１２とは、信号ラインＬ１とグランドラインＬ２との間において、第二バリスタ１６及びコイル１２の順に電気的に直列に接続されている。

図６は、過渡電圧保護回路１０の電流－電圧特性を示す図である。図６では、横軸は電圧（Voltage）［Ｖ］、縦軸は、電流(Current)［Ａ］を示している。図６では、ＴＬＰ（Transmission Line Pulse）測定によって測定した結果を示している。図６に示されるように、過渡電圧保護回路１０では、電圧に対して、電流が非線形に増加する。過渡電圧保護回路１０では、コイル１２及び第二バリスタ１６が直列に接続されているため、バリスタの特性が表れている。

以上説明したように、本実施形態に係る過渡電圧保護回路１０は、コイル１２を備えている。コイル１２は、高い周波数成分を有する信号に対しては高抵抗（インピーダンス）であるが、ＥＳＤのような大電圧（負荷）に対しては磁気飽和を生じる。このように、コイル１２では、磁気飽和が生じると、低抵抗となるため、電流を流す。そのため、過渡電圧保護回路１０では、信号ラインＬ１に入力されたＥＳＤ等の大電圧をグランドラインＬ２（グランドＧ）に逃がすことができる。これにより、過渡電圧保護回路１０では、クランプ電圧の低減が図れる。

また、過渡電圧保護回路１０では、コイル１２、第一バリスタ１４及び第二バリスタ１６を備えているため、ＥＳＤ等のエネルギーをコイル１２、第一バリスタ１４及び第二バリスタ１６に配分することができる。そのため、過渡電圧保護回路１０では、過渡電圧に対する耐性の向上を図れる。したがって、過渡電圧保護回路１０では、過渡電圧保護特性の向上が図れる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

上記実施形態では、過渡電圧保護部としてバリスタ５、第一バリスタ１４、第二バリスタ１６を用いる形態を一例に説明した。しかし、過渡電圧保護部は、たとえば、ダイオードであってもよい。

上記実施形態では、過渡電圧保護回路１（１０）がバリスタ５（第一バリスタ１４、第二バリスタ１６）を備える形態を一例に説明しかし。過渡電圧保護回路は、コイル部のみを備えていてもよい。コイル部は、信号ラインを流れる信号電圧よりも高い電圧が印加されたときに磁気飽和するように構成されている。

図７は、コイル部のみを備える過渡電圧保護回路の電流－電圧特性を示す図である。図７では、横軸は電圧（Voltage）［Ｖ］、縦軸は、電流(Current)［Ａ］を示している。図７では、ＴＬＰ（Transmission Line Pulse）測定によって測定した結果を示している。

図７に示されるように、過渡電圧保護回路１の電流－電圧特性（電流電圧特性）では、切替部分を二か所有している。過渡電圧保護回路では、第一閾値電圧Ｖ１において一回目の切替部分が発生し、電流が流れる。一回目の切替部分の後、電流がそれ以前よりも流れる。一回目の切替部分までのグラフの傾きよりも、一回目の切替部分の後のグラフの傾きの方が大きい。続いて、過渡電圧保護回路１では、第二閾値電圧Ｖ２において二回目の切替部分が発生する。これにより、過渡電圧保護回路は、低抵抗となり、電流が更に流れる。一回目の切替部分から二回目の切替部分までのグラフの傾きよりも、二回目の切替部分の後のグラフの傾きの方が大きい。一回目の切替部分（第一閾値電圧Ｖ１）と二回目の切替部分（第二閾値電圧Ｖ２）との間では、時間幅を持って徐々に低抵抗となる（徐々に電流が流れる）。第一閾値電圧Ｖ１は、第二閾値電圧Ｖ２よりも大きい。第一閾値電圧Ｖ１は、信号電圧よりも大きい。第一閾値電圧Ｖ１は、磁気飽和電圧であるともいえる。

この構成では、コイル部は、高い周波数成分を有する信号に対しては高抵抗（インピーダンス）であるが、ＥＳＤのような大電圧（負荷）に対しては磁気飽和を生じる。このように、コイル部では、磁気飽和が生じると、低抵抗となるため、電流を流す。そのため、過渡電圧保護回路では、信号ラインに入力されたＥＳＤ等の大電圧をグランドに逃がすことができる。これにより、過渡電圧保護回路では、クランプ電圧の低減が図れる。したがって、過渡電圧保護特性の向上が図れる。

上記実施形態では、図３に示されるように、一回目の切替部分（第一閾値電圧Ｖ１）と二回目の切替部分（第二閾値電圧Ｖ２）との間では、電流が連続的に流れる形態を一例に説明した。しかし、図８に示されるように、過渡電圧保護回路では、一回目の切替部分（第一閾値電圧Ｖ１）と二回目の切替部分（第二閾値電圧Ｖ２）との間において、波形が非連続となってもよい。この構成では、一回目の切替部分作の後、直ぐに低抵抗となり、電流を流す。そのため、クランプ特性の向上を図ることができる。

１，１０…過渡電圧保護回路、３…コイル（コイル部）、５…バリスタ（第一過渡電圧保護部）、１２…コイル（コイル部）、１４…第一バリスタ（第一過渡電圧保護部）、１６…第二バリスタ（第二過渡電圧保護部）、Ｇ…グランド、Ｌ１…信号ライン、Ｖ１…第一閾値電圧、Ｖ２…第二閾値電圧。

Claims (3)

1. 信号ラインとグランドとの間に接続される過渡電圧保護回路であって、
   前記信号ラインと前記グランドの間に接続されているコイル部と、
   第一過渡電圧保護部と、
   第二過渡電圧保護部と、を備え、
   前記第一過渡電圧保護部と前記コイル部及び前記第二過渡電圧保護部とは、前記信号ラインと前記グランドとの間に並列に接続されており、
   前記コイル部及び前記第二過渡電圧保護部は、前記信号ライン側から前記第二過渡電圧保護部及び前記コイル部の順に直列に接続されており、
   前記コイル部は、前記信号ラインを流れる信号電圧よりも高い電圧が印加されたときに磁気飽和するように構成されている、過渡電圧保護回路。
2. 前記コイル部が磁気飽和する磁気飽和電圧は、前記第一過渡電圧保護部が動作する動作電圧よりも小さい、請求項１に記載の過渡電圧保護回路。
3. 電流電圧特性において、第一閾値電圧において特性が切り替わると共に、前記第一閾値電圧よりも小さい第二閾値電圧において特性が切り替わる、請求項１又は２に記載の過渡電圧保護回路。