高周波PCB技術 - PCB基板のダイオードとは

ダイオードは、一方向の導電性を持つ半導体デバイスで、通常はP型半導体材料とN型半導体材料から構成され、PN接合を形成します。ダイオードの主な機能は、電流を一方向に流す（順方向導通）と同時に、逆方向に電圧が印加されたときに電流を遮断する（逆阻止）ことです。PCB設計において、ダイオードは以下の分野で広く使用されています。

整流：交流（AC）を直流（DC）に変換するもので、電源回路でよく使用されます。

保護回路：逆接続保護や過電圧保護などの保護回路は、誤接続や電圧スパイクによる回路部品の損傷を防ぎます。

信号変調および復調：通信回路における信号処理に使用されます。

論理回路：一部のデジタル回路において、単純な論理機能を実装します。

発光および光検知：発光ダイオード（LED）とフォトダイオードは、ディスプレイやセンシング用途で広く使用されています。

PCB設計においては、特定のアプリケーション要件に基づいて適切なダイオードタイプを選択することが重要です。以下に、一般的なダイオードとその特性をいくつか示します。

整流ダイオード：1N4007シリーズなどのダイオードは、電源整流に適しており、高い電流容量を備えています。

BAT54などのショットキーダイオードは、順方向電圧降下が低く、スイッチング速度が速いため、高周波回路や低電圧アプリケーションに適しています。

ツェナーダイオードは、電圧レギュレーションおよび過電圧保護に使用され、逆方向ブレークダウン特性によって電圧を安定化します。

発光ダイオード（LED）は、状態表示、照明、ディスプレイなどに広く使用されています。

TVSダイオードは、落雷や静電放電（ESD）などの過渡電圧サージから回路を保護するために使用される過渡電圧サプレッサダイオードです。

誘電機械特性（順方向電圧降下、逆方向ブレークダウン電圧、スイッチング速度など）は、PCBレイアウトおよび選定時に最適化する必要があります。

図　pcb基板ダイオード

PCB設計において、ダイオードのレイアウトと選択は回路の性能と信頼性に直接影響します。以下に、設計上の重要な考慮事項をいくつか示します。

熱管理：ダイオードは、特に大電流アプリケーションでは、導通時に熱を発生します。設計者は、ダイオード周囲に十分な放熱スペースを確保し、ヒートシンクやサーマルビアを使用して温度を下げることを検討する必要があります。

寄生効果：高周波回路では、ダイオードの寄生容量と寄生インダクタンスが信号品質に影響を与える可能性があります。リード線は可能な限り短くし、ダイオードは信号源または負荷の近くに配置してください。

電流と電圧の整合：ダイオードを選択する際は、定格電流と逆電圧耐量が回路要件を満たしていることを確認してください。例えば、電力整流回路では、入力電圧の変動と突入電流の可能性を考慮してください。

極性識別：組み立てミスを防ぐため、ダイオードの極性はPCB上に明確に表示する必要があります。一般的な表示方法としては、シルクスクリーン印刷やPCBへのカソードマーキングなどがあります。

電磁両立性（EMC）：高周波電源やスイッチング電源アプリケーションでは、ダイオードの急速なスイッチングによって電磁干渉（EMI）が発生する可能性があります。この干渉は、フィルタコンデンサやフェライトビーズを追加することで抑制できます。

1. 電源整流回路

スイッチング電源設計では、整流ダイオード（ショットキーダイオードなど）を使用してAC入力をDC出力に変換します。例えば、12V DC電源設計では、順方向電圧降下の低いショットキーダイオードを選択すると、効率が大幅に向上します。適切なPCBレイアウト（銅箔面積を増やすなど）によっても、放熱を最適化できます。

2. 逆接続保護

車載電子機器やポータブル機器では、逆接続による損傷を防ぐためにダイオードがよく使用されます。例えば、整流ダイオードを電源入力に直列に接続することで、後続の回路を効果的に保護できますが、ダイオードの順方向電圧降下が効率に与える影響を考慮する必要があります。

3. LED駆動回路

LEDは、状態表示や照明用としてPCB設計に広く使用されています。設計においては、適切な電流制限抵抗を使用し、LEDの順方向電流と電圧が仕様を満たすようにする必要があります。さらに、LEDのレイアウトは、光が他の感光性部品に干渉しないように戦略的に設計する必要があります。

電子製品の小型化、高効率化、高周波化が進むにつれ、PCBダイオード設計は新たな課題に直面しています。例えば、5G通信や高性能コンピューティングデバイスでは、より高速なスイッチング速度と低消費電力を備えたダイオードが求められています。さらに、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などの新しい半導体材料は、より高い電圧と温度でのアプリケーションに適した高性能ダイオードの開発を促進しています。