TVS選定：スタンドオフ電圧、クランプ電圧、電流、静電容量

TVSは4つの数値で選定され、その順序が重要です。スタンドオフを誤ると通常動作時に導通し、クランプを誤ると何も保護できません。

簡単な回答

VRWM（スタンドオフ）は、許容差とリップルを含む最大連続電圧より高くなければなりません。
VC(クランプ)は、サージ電流時において保護対象ICの絶対最大定格を下回る必要があります。
IPPは、試験対象の規格におけるサージ電流を上回る必要があります。
静電容量は信号に適合する必要があります。電源では数百pF、高速データでは数pF未満です。

1. 4つの数値

TVS voltage-current curve showing standoff, breakdown and clamping — 図1 — VRWM 未満では素子はマイクロアンペアのリーク電流が流れ、ブレークダウン以上では導通してクランプします。

パラメータ	ルール	誤ると故障
VRWM	Above rail max, with margin	Leaks or conducts in normal use
VBR	Above VRWM; sets conduction point	Clamps too early or too late
VC at IPP	Below IC absolute maximum	IC dies with the TVS intact
C	Fits the signal budget	Eye closure on high-speed links

2. クランプ電圧は数値ではなく曲線です

Clamping voltage versus peak current for three TVS types — 図2 — データシートの値はある一つの電流で測定されており、より高い電流では動的抵抗に応じて上昇します。

VCL(I) ~ VBR + Rd x I

例: 8 kV ESD コンタクト -> 約 24 A
VBR 6.1 V、Rd 1 ohm -> 部品での VCL ~ 30 V

だからこそ、データシートの「クランプ電圧 12 V」は、8 kV のストライク時に IC が 12 V を見るという意味ではありません。IC が見るのはクランプ電圧に、両者間のトレースの誘導性降下を加えたものです — これが TVS をコネクタに配置すべき理由です。

動的抵抗は外挿に有用な指標です。0.5 Ω の部品は 24 A で 12 V を加算し、1.5 Ω の部品は 36 V を加算します。同じ公称クランプの2つの部品でも、実際のストライク下では大きく異なる挙動を示すことがあります。

3. まず規格を選ぶ

IEC 61000-4-2 ESD, 61000-4-4 EFT and 61000-4-5 surge test levels — 図3 — ESD、EFT、サージは部品に異なるストレスを与えます。1つの TVS が3つすべてをカバーすることはめったにありません。

テスト	標準レベル	TVS特性
ESD (61000-4-2)	±8 kV contact	Fast response, low capacitance
EFT (61000-4-4)	±2 kV bursts	Repeated pulses, thermal
Surge (61000-4-5)	0.5–4 kV	High energy, larger package

4. 具体的な選定例

±5 %の許容差と100 mVのリップルを伴う5 Vレール：最大連続電圧は約5.35 Vです。VRWMが少なくとも5.5～6 Vの部品を選定します。保護対象ICの絶対最大定格は6.5 Vです。TVSは予想サージ電流でそれを下回るクランプ電圧とする必要があり、ESDの場合は1 Aではなく20～30 Aでの曲線を確認することを意味します。

その組み合わせは、5 V用の小型SMD TVSではしばしば不可能です。24 Aでのクランプ電圧は15～20 Vとなり、6.5 Vの絶対最大定格をはるかに超える可能性があります。現実的な答えは、TVSがエネルギーを制限し、IC自身のESD構造が残留分を処理するというものであり、だからこそデータシートの計算よりもシステムレベルの試験が重要になります。

2つ目の例として、24 V産業用入力：許容差を含めた最大連続電圧はおそらく26.4 Vです。VRWM 26～28 Vを選定し、試験レベルに対するサージ電流でのクランプ電圧を確認します。4 kVサージでは数十アンペアに達することがあり、その結果のクランプ電圧は下流レギュレータの40 V定格を超える可能性があります。その場合は2段設計の出番です。コネクタ側に高エネルギー対応部品を置き、直列インピーダンスの後段にクランプ電圧の低い部品を配置します。

レール	代表的なVRWM	注意
3.3 V	3.6–5 V	Low clamp vs 3.3 V IC abs max
5 V	5.5–6.5 V	Tolerance + ripple can reach VRWM
12 V	13–15 V	Load dump if automotive
24 V	26–30 V	Clamp vs regulator rating

5. TVSと代替手段の比較

Comparison of TVS, varistor, zener and polymer ESD suppressors — 図4 — 異なる役割：エネルギー、精度、静電容量、サイズ。

バリスタはより多くのエネルギーを吸収しますが、低速で容量性があります。ツェナーは正確にクランプしますが、扱えるエネルギーはわずかです。ポリマーサプレッサは小型で高速ですが、限界があります。電源入力には、TVSとヒューズまたはeFuseの組み合わせが一般的です。高速データには、低静電容量アレイが適しています。

6. レイアウト

TVS placement with a short ground return at the connector — 図5 — 短く広いグラウンド。クランプは下流側のみを保護する。

TVSはコネクタの位置、直列素子より前に配置する。
グラウンドは短く広い銅箔と複数のビアで取り、細いトレースにしない。
保護対象のトレースは短く保つ。1ミリメートルごとにインダクタンスが増える。
サージ経路をICのグラウンド経由で配線しない。

USBポートのピンレベル配置については、USBLC6 ESD guideが数値を用いて同じ配置を詳しく説明しています。

6b. 選択チェックリスト

ステップ	合格
VRWM	Above rail maximum with margin
Clamp at test current	Below IC absolute maximum
Peak pulse power	Above the standard's level
Capacitance	Within the signal budget
Leakage	Below the system's standby allowance
Layout	At connector, short ground