ダイオードを使用したクランプ回路とは？原理や動作について

ICやマイコンは、過電圧(サージ電圧など)や静電気放電(ESD)等から保護する必要があります。

保護方法の1つにダイオードを使用したクランプ回路をICやマイコンの入力端子に接続する方法があります。

今回はそのクランプ回路について説明します。

ダイオードを使用したクランプ回路とは

ダイオードを使用したクランプ回路は2つのダイオード(D₁,D₂)と、抵抗Rで構成されています。

2つのダイオードでICやマイコン等の入力端子に接続される信号線を挟みます。また、抵抗Rは『入力部』と『ダイオード(D₁,D₂)と信号線との接続端子A』の間に接続します。

回路動作は後ほど説明しますが、ダイオードD₁は入力端子の電圧を電源電圧V_CCにクランプするダイオード、ダイオードD₂は入力端子の電圧をグラウンド(GND)にクランプするダイオードとなっています。

クランプ回路によって、入力部に過電圧が印可された場合でも入力端子の電圧を『GND(0V)～電源電圧V_CC』に制限することができ、入力端子に異常電圧がかかるのを防止することができます。

また、入力端子に接続されている2つのダイオードD₁,D₂のことを『クランプダイオード』と呼んでいます。

なお、『ダイオードを使用したクランプ回路』は一般的な過電圧保護回路であり、実際に広く使われており実績もある回路となっています。

ダイオードクランプ回路の動作

これから入力部の電圧v_INが通常時、プラスの過電圧印加時、マイナスの過電圧印加時の3つの状態において、ダイオードクランプ回路の動作説明を行います。

動作説明では、ダイオードの順方向電圧V_Fを考慮して行います。

通常動作時

入力部の電圧v_INが

の時を考えてみます。

入力端子に接続されているダイオードD₁,D₂にかかる電圧は順方向電圧V_Fを超えないため、ダイオードD₁とD₂は導通せず、入力電圧がそのままICの内部回路に伝わります。

入力にプラスの過電圧が印加された時

入力部の電圧v_INがプラス側に大きく振れて、

を超えた時を考えてみます。

入力端子に接続されているダイオードD₁にかかる電圧がV_Fを超えるため、ダイオードD₁が導通します。その結果、入力部から電流I_D1が抵抗Rを通り、電源ラインに流れます。

電流ID₁によって、抵抗Rで電圧降下が生じるため、入力端子の電圧は

でクランプされます。

なお、電流I_D1は以下の式で表されます。
\begin{eqnarray}
I_{D1}=\frac{(v_{IN}-V_{F})+V_{CC}}{R}
\end{eqnarray}
上式より、入力部の電圧v_INが増加すると、電流I_D1が増加し、抵抗Rでの電圧降下が大きくなることが分かります。

入力にマイナスの過電圧が印加された時

入力部の電圧v_INがマイナス側に振れて、

を超えた時を考えてみます。

入力端子に接続されているダイオードD₂にかかる電圧がV_Fを超えるため、ダイオードD₂が導通します。その結果、入力部から電流I_D2が抵抗Rを通り、グラウンドラインに流れます。

電流I_D2によって、抵抗Rで電圧降下が生じるため、入力端子の電圧は

でクランプされます。

なお、電流I_D2は以下の式で表されます。
\begin{eqnarray}
I_{D2}=\frac{0[V]-(v_{IN}+V_{F})}{R}
\end{eqnarray}
上式より、入力部の電圧v_INが減少すると、電流I_D2が増加し、抵抗Rでの電圧降下が大きくなることが分かります。

入力端子に接続されている抵抗Rについて

抵抗Rは電流制限抵抗です。抵抗Rで電流を制限することで、電源ラインやグラウンドラインに流れる電流を小さくします。

この抵抗Rは以下の理由から出来るだけ大きくすることが望ましいです。ただし、ICの入力抵抗よりも十分に低い必要があります。

抵抗が小さい場合のデメリット

抵抗Rが大きい場合のメリット

ただし、抵抗が大きい場合、IC内部の入力抵抗と抵抗Rで、入力部の電圧v_INが分圧されることで、入力部の電圧v_INより低い電圧がICに印加されてしまいます。ICで電流―電圧変換等を行なっている場合、変換誤差が増加します。

また、抵抗が大きい場合、高周波の信号に影響がある可能性があります。そのため、高周波特性に影響が出ない範囲に抵抗Rを抑える必要があります。

抵抗Rが大きいと高周波の信号に影響がある理由

抵抗RとICの入力容量C_IN、ダイオードの接合容量C_Jがローパスフィルタとして機能してしまうためです。
カットオフ周波数f_CUTOFFは
\begin{eqnarray}
f_{CUTOFF}=\frac{1}{2{\pi}R(C_{IN}+C_{J})}
\end{eqnarray}
で表されます。

抵抗Rが大きいと、カットオフ周波数f_CUTOFFが下がるため、入力部の電圧v_INの高周波信号が減衰されてしまいます。

そのため、高周波信号を扱う回路にダイオードクランプ回路を用いる場合には特に注意してください。

抵抗Rの設計方法

抵抗Rは入力部の想定される過電圧に対して、ダイオードD₁およびD₂の順電流の定格を超えないように設計します。

想定される過電圧をV _SURGE、順電流の定格をI _DF、順方向電圧をV_F、電源電圧をV_CCとすると。抵抗Rは以下の式で表すことができます。
\begin{eqnarray}
R>\frac{(v_{IN}-V_{F})+V_{CC}}{I_{DF}}
\end{eqnarray}

クランプダイオードについて

クランプダイオードの種類

クランプダイオードは以下の特性の物を使用するのをおすすめします。

上の特性を満たすダイオードとして、ショットキーバリアダイオードまたは、小信号用ダイオードが適しています。

クランプダイオードの漏れ電流に注意

ダイオードはPN接合の向きに対して、逆方向電圧を印加した場合、微小電流(漏れ電流と呼ばれている)が流れます。

そのため、入力抵抗が高いICや、高精度の電流電圧変換器等のアプリケーションでは、漏れ電流に注意してください。

場合によってはダイオードを使用したクランプ回路を使うことができないケースもあります。

先ほど、ショットキーダイオードが適していると言いましたが、高インピーダンスICや高精度を電流電圧変換器等を求める場合には小信号用ダイオードを使用してください。

ショットキーダイオードは漏れ電流が大きい特徴があります(順方向電圧が小さいので過電圧保護には適しています。)

その他