産業用電源サージからUSB-PDおよびPoE回路を保護する

USB Type-C® Power Delivery（USB-PD）やPower over Ethernet（PoE）といった進化する技術は、急速充電アプリケーションや効率化された電源設計への期待を絶えず高めています。これらのプロトコルが高度に統合された産業用アプリケーションで使用される中、電気的過負荷（EOS）や静電気放電（ESD）から回路を保護することは、ユーザーの安全とデバイスの信頼性を確保するために不可欠です。しかしながら、フォームファクタの小型化が進む中で電力需要が増加するにつれ、サージ保護はより困難になってきています。

本記事では、USB-PDとPoE技術の進化について概説し、回路保護の必要性を説明します。続いて、Semtechの過渡電流サプレッサ（TDS）を紹介し、これらのデバイスが産業用およびその他のアプリケーションにおいて、優れた温度安定性を備えた低クランピング動作を実現する方法について説明します。

USB-PDおよびPoEの拡大する電力レベル

USB-PDおよびPoEは、高速データ通信と電源供給を1本のケーブルで行うための標準技術となっています。そのデータ転送速度は現在、毎秒1ギガビット（Gビット/秒）をはるかに超えており、近年では電力レベルも劇的に増加しています。

• PoE：2003年、PoE（タイプ1）は当初、ワイヤレスアクセスポイントへの給電用にポートあたり15.4Wを供給していました。2018年までに、PoE++（タイプ4）はポート当たり100Wをサポートするようになり、高度な産業用カメラなどの高出力アプリケーションにおけるPoEの利用を可能にしました。
• USB-PD：2014年には、タブレットPCなどのデバイス向けに、USB Type-Cケーブルは60WのUSB-PDをサポートすることが義務付けられました。2021年までに、USB-C PD 3.1規格により、USB Type-Cはより大型システムを充電するために240Wを供給できるようになりました。

このような高電力負荷が、非常に密なピッチのコネクタを介して伝送されるため、サージはPoEやUSB-PDを利用するシステムにおいて、安全性と信頼性に対する非常に現実的なリスクとなっています。これにより、特にこれらの製品が小型化するにつれて、サージ保護は製品設計において極めて重要な要素となっています。

スペースに制約のあるデバイスを電源電圧過渡現象から保護

USB-PD経由で充電される小型デバイスでは、設計の高度な集積化が進むほど、サージのリスクが高まる可能性があります。たとえば、部品間の距離が短くなることで、電圧スパイクやESDが配線間にアーク放電を引き起こしやすくなります。このアーク放電は、部品の損傷や、電磁妨害（EMI）の増加によるデータエラーの原因となる可能性があります。

サージ関連による熱は、ピン間の絶縁破壊を引き起こす可能性が高くなり、アーク放電や短絡を発生して、周辺の回路にさらなる損傷を与える恐れがあります。I/Oラインやデータラインで電力スパイクが発生した場合、デバイスのより敏感な部品はEOSやESDによる深刻かつ即座に損傷リスクにさらされます。

電源電圧の過渡現象は、電気安全性を損なう可能性もあり、大電流短絡による火災の危険性を高めます。これらの要因により、入力電源の異常を迅速に検知し、損傷が発生する前に高電圧および大電流を重要なアプリケーション回路から遠ざけることが不可欠となります。

多様なアプリケーションで効果的な保護を実現するため、過渡抑制部品は以下の性能特性を備えている必要があります。

• クランピング電圧は、保護回路の動作電圧に極めて近い値であるべきです。これにより、わずかな過電圧やESDも確実に抑制されます。適切なクランピング電圧は、使用するUSB-PDまたはPoE規格によって異なります。
• パルス電流の振幅や動作温度に関わらず安定したクランピング電圧を維持することで、条件が変動するシステムにおいても保護機能を効率的に強化できます。
• サージおよびESD耐性保護部品は、落雷などの場合も過酷な事象発生時においても機能を維持できるように、高い堅牢性を備えている必要があります。
• 設置スペースがますます制約される現場に適した小型部品が求められています。

サージ保護への新たなアプローチ

SemtechのSurgeSwitch TDSは、これらのアプリケーション要件を満たすか、またはそれを上回るように設計されています。この小型デバイスファミリは、USB-PDおよびPoEの全動作電圧範囲において、高EOSおよびESDに対する単線保護を提供します。シリーズ全体の主な仕様は以下の通りです。

• ピークパルス電流耐性：40A（8/20μs時）
• サージ耐性：IEC 61000-4-5準拠レベル2±1kV
• ESD耐性：レベル4（接触放電8kV、空気放電15kV）

SurgeSwitch TDSの内部機構（図1）は、過渡電圧サプレッサ（TVS）ダイオードなどの従来のサージ保護デバイスとは大きく異なります。

図1：SurgeSwitch TDSデバイスが採用するFETベースのシャント機構は、予測不可能なサージ条件下でも安定したクランピング性能を提供します。（画像提供：Semtech）

SemtechのTDSは、従来のPN接合のブレークダウンを利用する代わりに、サージ定格の電界効果トランジスタ（FET）を使用して、EOSやESDから敏感な部品を保護します。駆動回路と組み合わされたこのFETは、精密に調整されたトリガ回路によって作動し、ブレークダウンメカニズムとして機能する電圧制御スイッチを形成します。過渡電圧がデバイスの定格降伏電圧を超えた場合、トリガ回路がシャントFETを起動し、スイッチをオン状態に切り替えて過渡電流をグランドへ迂回させます。

超低オン抵抗のFETベースのスイッチング機構を利用することで、SurgeSwitchデバイスは、幅広い動作温度範囲およびピークパルス電流において、安定したクランピング電圧を実現することができます。これにより、USB-PDおよびPoEを、予測可能なサージ保護を必要とするより厳しい産業用アプリケーションに統合することが可能となり、幅広い動作条件下での導入をサポートすることができます。

適切なTDSソリューションの選択

適切なSurgeSwitchデバイスの選択は、主にアプリケーションの動作電圧によって決まります。これは回路保護に必要なクランピング電圧を決定する要素となるためです。より高い電圧の場合、TDS5801P.C（図2）は、PoEで一般的な58Vで動作する1つのI/Oまたは電源ラインを保護します。本デバイスは、1.6mm × 1.6mm × 0.55mmのパッケージで提供され、高いレベルのスペース最適化を実現します。

図2：TDS5801P.Cは58V動作ライン向けに堅牢なサージ保護を提供します。（画像提供：Semtech）

TDS5801P.Cの特長は以下の通りです。

• ピークパルス電力定格：1,490W（8/20μs時）
• ピークパルス電流：20A（8/20μs時）
• 電源ラインクランピング電圧：70.2V（標準）
• ESDクランピング電圧：最大4.4 V
• ESD電圧定格：
  • 空気放電：±20kV
  • 接触放電：±15 kV

高いパルス電力定格と低ESDクランピング電圧を備えたTDS5801P.C TDSは、監視カメラ、リモートメータ、ネットワーク機器など、悪天候によりESDリスクが高まる屋外PoEアプリケーションに最適です。これらのアプリケーションでは、-55°C〜+125°Cという広い動作温度範囲も、季節条件に関わらず安定した保護を維持するために不可欠です。

一方、TDS0521PW.C（図3）は、モノのインターネット（IoT）デバイスで使用される5V動作電圧や、低消費電力USB-PD用のVBUSライン向けのソリューションを提供します。高集積度デバイスに対応するため、TDSは1.6mm × 1.0mm × 0.55mmのパッケージで提供され、フラット実装用のサイドウェッタブルフランクを備えています。

図3：コンパクトな2リードパッケージのTDS0521PW.Cは、スペースに制約のある設計でのサージ保護を実現します。（画像提供：Semtech）

TDS3311Pの主な仕様は以下の通りです。

• ピークパルス電力定格：412W（8/20μs時）
• ピークパルス電流：
  • 40A（8/20μs時）
  • 8A（10/1000μs時）
• 電源ラインクランピング電圧：8.7V（標準）（40Aパルス時）
• ESD電圧定格：±30 kV（空気および接触放電）

高感度な低電圧機器において、特に充電中に主電源に接続された場合、本デバイスは高レベルのサージに対する優れた保護機能を提供します。

22V動作電圧での同様の保護機能を備えたTDS2261P.C（図4）は、産業用タブレットPCなどのミッドレンジのUSB-PDアプリケーションに適したTDSです。TDS2261P.Cの特長は以下の通りです。

• ピークパルス電力定格：1120W（8/20μs時）
• ピークパルス電流：
  • 40A（8/20μs時）
  • 3A（10/1000μs時）
• 電源ラインクランピング電圧：27.7V（標準）（40Aパルス時）
• ESD電圧定格：
  • 空気放電：±30kV
  • 接触放電：±20 kV

図4：TDS2261P.Cは、短時間のパルス電流が40Aに達する22Vシステム向けに多用途な保護機能を提供します。（画像提供：Semtech）

SurgeSwitchデバイスの中で最大サイズ（2mm × 2mm × 0.75mm）であるにもかかわらず、TDS2261P.Cはスペースに制約のあるデバイスにおいて、高いEOSとESD保護を実現する小型のソリューションを提供します。USB-PDに加え、その他の対象アプリケーションにはストレージデバイスや産業用センサなどが含まれます。

まとめ

USB-PDおよびPoE規格が電力供給性能を拡大し続ける中、高度に集積されたデバイス設計において堅牢なサージ保護を実現することは課題となっています。SemtechのSurgeSwitchシリーズは、幅広い温度範囲とパルス電流においてクランピング電圧を一定に保つことで、設計上の課題を克服します。また、異なるライン電圧や動作条件下における過酷な電源異常からも、信頼性の高い保護を提供します。