SNAP Application Report 49
UHF ﾌﾞｰｽﾀ･ｱﾝﾌﾟの 25KV 直雷ｻｰｼﾞ対策に於ける Transient 解析の活用方法

Oct.25, 2009
Mr. Endo

１． 序文① 情報通信のﾃﾞｼﾞﾀﾙ化・高度化を受けて、拡大するﾃﾞｼﾞﾀﾙ機器に対する品質・信頼性向上の社会的要求が高まりつつあり、ﾉｲｽﾞ低減や電波障害・干渉低減等のEMC[Electromagnetic Compatibility：電磁環境耐性能力]対策の普及と高度化が強く求められるようになってきた。
② このような社会的背景を受け、通信放送機器に対する品質向上の一環として、近年夏場を中心に多発する落雷に際して、発生する周辺機器の電磁環境障害を低減するための、技術規格を国際的に標準化・統合化する動きが活発になっている。
③ 特にﾃﾞｼﾞﾀﾙ放送の微弱電波を高品質で受信する高周波増幅器類[ｱﾝﾃﾅ･ﾌﾞｰｽﾀや共聴機器]は、微小な UHF 帯高周波信号を高感度に増幅するために使用する半導体ﾃﾞﾊﾞｲｽが微細構造になっており、本質的に各種ｻｰｼﾞ［雷／電動機／送受電力機器／輸送機器が発生する点火ﾉｲｽﾞや電磁ﾉｲｽﾞなど］や、無線機器から受ける電波干渉などの EMC に対する耐性が十分とは言い難い。
④ 本報では、地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ TV 放送の受信対策に適用される、UHF ﾌﾞｰｽﾀ･ｱﾝﾌﾟの高電圧雷ｻｰｼﾞ［超高圧ﾊﾟﾙｽ電圧：尖頭値数十 KV］直接印加対策を取り上げ、そのｻｰｼﾞ対策を効率的に解析・検証して、最適対策内容を短期間に導出する、SNAP のTransient 解析法［ﾄﾗﾝｼﾞｪﾝﾄ解析機能］の活用を解説する。
２． 雷ｻｰｼﾞおよび雷ｻｰｼﾞ試験機の概要（１）雷ｻｰｼﾞの概要①ｻｰｼﾞ波形は、Table 1 および Fig.1 に示すように、落雷地点から周辺に発生する誘導雷ｻｰ
ｼﾞの発生頻度が高く、且つその影響範囲が比較的に広いことが知られている。確率的に発生頻度が僅少の直撃雷を受けた場合には、対象機器の損傷や障害を回避することは、落雷時に発生する巨大ｴﾈﾙｷﾞｰを遮断・解消するこ1

とになり、現実的に直撃雷対策は極めて困難である。
②一般的対策内容としては、被雷地点から 100m 以上離れた広範な地域に、二次的に誘導発生する比較的に頻度の高い誘導雷ｻｰｼﾞに対して、対象機器［地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ TV 放送の受信ｱﾝﾃﾅ直下に装着され、比較的に誘導雷の影響を受け易い UHF ﾌﾞｰｽﾀ･ｱﾝﾌﾟ］を保護する対策内容について検討・分析を進める。
③具体的には上記誘導雷に対する保護対策として、25KV 直雷ｻｰｼﾞ対策［尖頭電圧 25KV のｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽを、同上の UHF ﾌﾞｰｽﾀ･ｱﾝﾌﾟの入出力端に直接印加したときに、同ﾌﾞｰｽﾀ･ｱﾝﾌﾟに故障が生じない］を採用することが、最新製品の品質保証の潮流になっている。
（２）雷ｻｰｼﾞ試験機の仕様①主要な雷ｻｰｼﾞ試験機の仕様を Table2 に示す。一般に広く使用されている 15KV 雷ｻｰｼﾞは、出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが 2Ωと低く、出力短絡時の衝撃電流も最大 8KA と極めて大きい。今回の UHF ｱﾝﾌﾟの直雷ｻｰｼﾞ対策に適用する 25KV 雷ｻｰｼﾞは、最大電圧が 30KV にも達する超高電圧ｻｰｼﾞではあるが、出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが 30Ωと大きいために出力短絡電流は最大1KA に留まる。
②UHF ｱﾝﾌﾟに使用する IC ｱﾝﾌﾟにはGaAs MMIC や HEMT 等の GaAs 化合物半導体ﾃﾞﾊﾞｲｽが適用されるので、ﾏｲｸﾛ波高周波特性に優れたﾐｸﾛ構造的を有するために、本質的に ESD［静電2気放電］や高電圧ｻｰｼﾞに対して極めて脆弱であることが分かっている。
③上記②の観点から、開放電圧が 25KV−30KV と超高電圧で、且つｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽ波形の立上りが 0.5us と高速な 25KV 雷ｻｰｼﾞは、UHF ｱﾝﾌﾟの入出力端に同ｻｰｼﾞを印加したときにｱﾝﾌﾟ内部に侵入し易く、UHF ｱﾝﾌﾟの心臓部である IC ｱﾝﾌﾟに、GaAs 半導体ﾃﾞﾊﾞｲｽ破損ﾚﾍﾞﾙを上回る、高速ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽを誘起する危険性が高い。
３．Transient 解析を活用した UHF
ｱﾝﾌﾟの 25KV 雷ｻｰｼﾞ印加対策の効果検証
3.1 25KV 雷ｻｰｼﾞ発生装置の等価回路および出力電圧特性①25KV 雷ｻｰｼﾞ発生器の等価回路
を Fig.2 に、その開放出力電圧波形および Transient 解析条件を Fig.3に示すが、ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽの半値幅は規格に準じて 50us に設定している。また出力電圧波形の立上り波形および同解析条件はFig.4 に示す通り、ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽの立上り時間は約 0.5us で、規格に合致している。
②雷ｻｰｼﾞ発生器の出力ｲﾝﾋﾟｰ
ﾀﾞﾝｽ Zso は、Fig.2 の等価回路から、Zso≒30Ωに調整されていることが確認される。
3.2 ｻｰｼﾞ保護素子 TVS1 による IC ｱﾝﾌﾟの入力保護①25KV 雷ｻｰｼﾞ発生器を、対象の UHF ｱﾝﾌﾟの入力端に接3続した、全体（等価）回路を Fig.5に示す。このときには、IC ｱﾝﾌﾟ
AE308 の入力端にはｻｰｼﾞ保護ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ TVS1(詳細後述)は接続されていない。
② UHF ｱ ﾝ ﾌ ﾟ の 入 力 端 に 前 述 の25KV 雷ｻｰｼﾞを印加したときには、Transient 解析を適用すると Fig.6に示すように IC ｱﾝﾌﾟの入力［等価入力抵抗約 1MΩ］に、尖頭電圧約22V のｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽが誘起されることが分かる。
③IC ｱﾝﾌﾟ AE308 の入力端にｻｰｼﾞ保護ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ TVS1 を接続した状態で、UHF ｱﾝﾌﾟの入力端に 25KV 雷ｻｰｼﾞを印加したときの等価回路を Fig.7 に示す。この等価回路にTransient 解析を適用すると、IC ｱﾝﾌﾟの入力に生じる誘起ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽの尖頭電圧は、Fig.8に示すように 9V に吸収･低減される。
3.3

ｻｰｼﾞ保護素子 TVS2 による IC ｱﾝﾌﾟの出力保護④ IC ｱﾝﾌﾟ AE308 の出力端にｻｰｼに保護ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ TVS2 が接続されていない、UHF ｱﾝﾌﾟ出力端に 25KV雷ｻｰｼﾞ発生器を接続した全体回路
を Fig.9 に示す。
⑤ UHF ｱ ﾝ ﾌ ﾟ の 出 力 端 に 前 述 の25KV 雷ｻｰｼﾞを印加したときには、Transient 解析を適用すると Fig.10に示すように IC ｱﾝﾌﾟの出力［等価出力抵抗約 1KΩ］に、尖頭電圧約460V のｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽが誘起されることが分かる。
⑥ IC ｱﾝﾌﾟ AE308 の出力端にｻｰｼﾞ保護ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ TVS2 を接続した状態で、UHF ｱﾝﾌﾟの出力端に 25KV 雷ｻｰｼﾞを印加したときの等価回路をFig.11 に示す。
⑦ この等価回路にTransient 解析を適用すると、IC ｱﾝﾌﾟの出力に生じる誘起ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽの尖頭電圧は、Fig.12 に示すように 11V に大幅に吸収･低減される。
3.4

ｻｰｼﾞ保護素子 TVS1、TVS2装着による 25KV 雷ｻｰｼﾞ対策の効果分析（１）雷ｻｰｼﾞ発生装置を、雷ｻｰｼﾞ対策 UHF ﾌﾞｰｽﾀ･ｱﾝﾌﾟの入力端に接続して、25KV 雷ｻｰｼﾞを直接に印加する。ｻｰｼﾞ保護ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ TVS1 を接続することにより、IC ｱﾝﾌﾟ AE308 の入力端に誘起されるｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽを、尖頭電圧 22V から尖頭電圧 9V に半減できるので、ｻｰｼﾞ保護ﾀﾞｲ
ｵｰﾄﾞ TVS1 の働きで、IC ｱﾝﾌﾟの損傷を保護できると考える。
（２）雷ｻｰｼﾞ発生装置を、雷ｻｰｼﾞ対策
UHF ﾌﾞｰｽﾀ･ｱﾝﾌﾟの出力端に接続して、25KV 雷ｻｰｼﾞを直接印加する。ｻｰｼﾞ保護ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ TVS2 を接続することにより、IC ｱﾝﾌﾟ AE308 の入力端に誘起されるｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽを、尖頭電圧 60V から尖頭電圧 11V に大幅低減できるので、ｻｰｼﾞ保護ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ TVS2 の働きで、IC ｱﾝﾌﾟの損傷を保護できると判断する。
（３）SNAP の Transient 解析を適用

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した上記の「雷ｻｰｼﾞ解析ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ」を活用することにより、ｱﾝﾌﾟ製品等の地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ TV放送受信対策製品の開発に際して、雷ｻｰｼﾞ対策を効率的に導出できると共に、雷ｻｰｼﾞ実機試験の回数を最小限に低減できる。その結果、雷ｻｰｼﾞ対策の達成を迅速化すると同時に、設備借用等の開発費用の低減が図られ、製品開発効率を向上させる。
４．実際の 25KV 雷ｻｰｼﾞ試験の概要および試験結果の説明（１）25KV 直雷ｻｰｼﾞ試験の結果同雷ｻｰｼﾞ試験の結果を Table3 に纏めた。
前記の「雷ｻｰｼﾞ解析ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ」の事前検証を反映した 25KV 雷ｻｰｼﾞ対策品（詳細後述）は、25KV−30KV の雷ｻｰｼﾞ直接印加試験に完璧に合格することが出来た。
（２）同雷ｻｰｼﾞ試験の概要紹介①雷ｻｰｼﾞ試験器および対象ﾕﾆｯﾄに対する雷ｻｰｼﾞ印加の接続を Fig.13 に示す。
②30KV 雷ｻｰｼﾞの開放出力電圧波形は、Fig.14 に示す通り、立上り時間 500ns、ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽ半値幅 110us の規格に設定されている。
③雷ｻｰｼﾞ試験の対策ｻﾝﾌﾟﾙ品および、雷ｻｰｼﾞ印加後の動作確認を Fig.15 に示す。
５． UHF ﾌﾞｰｽﾀ･ｱﾝﾌﾟの 25KV 雷ｻｰｼﾞ対策の要点解説
5.1 25KV 雷ｻｰｼﾞ対策 UHF ｱﾝﾌﾟの技術要旨（１）同対策 UHF ｱﾝﾌﾟの技術ﾎﾟｲﾝﾄを Fig.16 に纏めた。
①UHF ｱﾝﾌﾟの入出力端に装着された EGA1（DC 耐圧５V／放電開始［ｱﾊﾞﾗﾝｼｪ］電圧

6150V の ESD Guard Device）、EGA2（DC 耐圧 24V／放電開始［ｱﾊﾞﾗﾝｼｪ］電圧 300V の ESD
Guard Device ） で 、 尖 頭 値
25KV 雷ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽをｸﾗﾝﾌﾟして、波高値数百 V の低圧ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽに変換する。
②この低圧ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽによって、IC ｱﾝﾌﾟの入出力に誘起された高速ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽを、ｻｰｼﾞ保護素子 TVS1、TVS2［TVS : Transient Voltage Suppressors］の Zener 電圧±7V によって吸収･低減する。
③上記①＋②の相乗効果によって、25KV 雷ｻｰｼﾞから IC ｱﾝﾌﾟの損傷を完全に保護する。
（２）25KV 雷ｻｰｼﾞ対策 UHF ﾌﾞｰｽﾀ･ｱﾝﾌﾟの実装基板①同雷ｻｰｼﾞ対策に適用した TVS、EGA の部品実装を Fig.17 に紹介する。
②雷ｻｰｼﾞ対策によって、高周波性能が低下したことを補償する、補償回路［定数変更 2 箇所：Cp、Ct］や、関連するｻｰｼﾞ対策部品の実装状況が、併せて表示されている。
5.2

25KV 雷ｻｰｼﾞ対策を採用した UHF ﾌﾞｰｽﾀ･ｱﾝﾌﾟの高周波性能①同雷ｻｰｼﾞ対策前の高周波特性と、雷ｻｰｼﾞ対策［補償回路採用］
後の高周波特性の変化を Fig.18に示したが、対策前後の差異は僅少であることが分かる。
②地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ TV 放送に使用されている周波数帯［470MHz−7710MHz］に於いて、25KV 雷ｻｰｼﾞ対策後のｹﾞｲﾝは 22dB±1dB に収まり、NF も 1.0dB 以下となっていることが、測定評価で確認された。
③本 UHF ﾌﾞｰｽﾀ･ｱﾝﾌﾟは、25KV直雷対策に合格した上で、低雑音低歪の優れた UHF ｱﾝﾌﾟ性能の性能を達成できていることが確認された。
６．Transient 解析機能を適用した「雷ｻｰｼﾞ試験ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析」効果の纏め①SNAP ｼﾐｭﾚｰﾀの Transient 解析を適用することによって、25KV 雷ｻｰｼﾞ直接印加試験に於ける、同雷ｻｰｼﾞ対策［ｻｰｼﾞ保護素子 TVS1、TVS2］の効果を事前検証することができ、開発効率の向上を図れることが明らかになった。
②雷ｻｰｼﾞ対策の導入に伴う高周波特性の低下並びに、その改良方法(補償回路）をSNAP ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝを活用して効率的に見出すことが出来た。その補償回路［Cp=2pF→1pF、Ct=5pF→4pF］を試作ｻﾝﾌﾟﾙに適用することによって、低下した高周波特性［NF／Gain］を雷ｻｰｼﾞ対策導入前の特性に戻す［近づける］ことができることを確認した。
③「雷ｻｰｼﾞ解析ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ」を活用することにより、ｱﾝﾌﾟ製品開発に際して、対策を効率的に導出できると共に、雷ｻｰｼﾞ実機試験の回数を最小限に低減できる。その結果、雷ｻｰｼﾞ対策の達成を迅速化すると同時に、設備借用等の開発費用の低減が図られ、製品開発効率を向上させる。
④ SNAP のｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析能力は、社会的ﾆｰｽﾞの新しい技術潮流を切り拓き、地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ TV 放送受信機等のﾃﾞｼﾞﾀﾙ通信・放送機器に対する信頼性･品質を向8上する、極めて有能な開発ﾂｰﾙであることを実証することが出来た。
このﾂｰﾙの活用によって、製品開発の効率向上［ｽﾋﾟｰﾄﾞｱｯﾌﾟ／費用低減／信頼性向上など］が一段と促進される。
７．参考ﾃﾞｰﾀ（１）IC ｱﾝﾌﾟの ESD 耐圧を Fig.19 に、雷ｻｰｼﾞの保護に使用した TVS の仕様を Fig.20に、EGA の仕様を Fig.21 に示す。これらのﾃﾞｰﾀが参考になれば幸いです。

−以上−

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