マイコンの入力保護は何をすればいい？

外から来る線を直結せず、コネクタの横に TVS、マイコンの近くに直列抵抗を入れます。ESD の電流を2段で受けます。

直列抵抗は何Ωにすればいい？

（入ってくる電圧−（VCC＋0.3V））÷流してよい電流以上にします。3.3V のマイコンなら 10kΩ がよく合います。

マイコンの中の保護ダイオードだけではダメ？

中のダイオードは ±2mA ほどしか流せません。ESD は約30A なので、外の TVS と直列抵抗が必要です。

TVS の動作電圧 VRWM はどう選ぶ？

ふだんの信号の電圧より上を選びます。3.3V の信号なら、VRWM 5.5V などが合います。

TVS は単方向と双方向のどちらがいい？

0V と + だけの信号ならどちらでも使えます。− にも振れる信号や − がかかるおそれがあるなら双方向です。

TVS はどこに置く？

コネクタのできるだけ近くに置き、GND へは太く短くつなぎます。線が長いと ESD のノイズが移ります。

マイコンの入力保護とESD対策｜直列抵抗とTVSの決め方を図解

Q: 直列抵抗は何Ωにすればいい？

（入ってくる電圧−（VCC＋0.3V））÷流してよい電流 以上にします。3.3V のマイコンなら 10kΩ がよく合います。

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マイコンの入力の ESD対策（静電気放電の対策）は、コネクタのすぐ横に TVS、マイコンの近くに直列抵抗を入れるのが基本です。直列抵抗は 3.3V のマイコンなら 10kΩ が一例で、計算は3ステップ、電圧ごとの最小値は早見表にあります。

マイコンの入力保護は、ボタン・スイッチ・センサなど「人が触る所」や「外から線が来る所」で必ず考えることです。ここを直結にしておくと、冬の静電気1回でマイコンの入力ピンが壊れることがあります。

この記事では、マイコンの入力ピン1本を守る入門として、直列抵抗とダイオード（TVS）の値を、実在の部品のデータシートの数字で順に決めていきます。

ESD とは：体の静電気が、触れた瞬間に一気に流れること

ESD（静電気放電）は、体にたまった数千 V の静電気が、金属に触れた瞬間にナノ秒の速さで流れることです。人の体は「コンデンサ＋抵抗」のモデルで考えます。

冬にドアノブに触れて「バチッ」となる、あれが ESD です。歩くと体に電気がたまり、金属に触れた瞬間に一気に流れます。人には痛いだけでも、マイコンの小さなピンには大きすぎる電気です。

回路の設計では、人の体を次のモデルで考えます。

部分	モデルの部品	製品の試験（IEC 61000-4-2）の値
体にたまる電気	コンデンサ	150pF
体と指の抵抗	抵抗	330Ω
触れた瞬間	スイッチ	閉じた瞬間に放電

つまり、ESD は「人が触る所」から入ってくる、大きくて速い電気です。

部品の試験と製品の試験：ESD の強さは約24倍違う

マイコンのデータシートの ESD の値は「部品の試験（HBM）」です。製品が受ける ESD（IEC 61000-4-2 の 8kV）は、1回のエネルギーで約24倍の強さがあります。

ここで混乱しやすいのですが、ESD の「人の体のモデル」には2種類あります。

	部品の試験（HBM）	製品の試験（IEC 61000-4-2）
モデル	100pF・1,500Ω	150pF・330Ω
よく使う電圧	2kV	接触 8kV（レベル4）
電流	2000÷1500 ≒ 1.3A（目安）	最初の山約30A
1回のエネルギー ½CV²	0.2mJ	4.8mJ

エネルギーの計算は、コンデンサにたまるエネルギーの式 ½CV² です。

HBM は、工場で部品を組み立てるあいだの静電気から、部品そのものを守るための試験です。TI の設計資料も、部品の ESD の値だけでは、製品が受ける ESD には足りないと書いています。

つまり、マイコンに「ESD 2kV」と書いてあっても、外から来る線をそのまま直結してよいことにはなりません。

ESD の電流：1ns もかからず 30A まで立ち上がる

IEC 61000-4-2 の接触 8kV では、電流は約0.8ns で約30A まで立ち上がります。速すぎるので、配線のわずかなインダクタンスでも電圧が出ます。

TI の設計資料（ESD Protection Layout Guide）は、8kV の ESD の電流を、最初の山が約30A、立ち上がり約0.8ns（ns は10億分の1秒）の形で示しています。

インダクタンス（電流の変化をいやがる性質。配線にも少しある）にかかる電圧は、L×（電流が増える速さ）です。同じ資料は、0.25nH というごくわずかなインダクタンスでも、約10V 増えると計算しています。

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つまり、ESD は「大きい」だけでなく「とても速い」電気です。だから部品の値だけでなく、置き方と配線の長さが効きます。

マイコンの中にも保護ダイオードがある。でも小さい

多くのマイコンは、入力ピンから電源（VCC）と GND へ保護ダイオードを持っています。ただし流してよい電流は小さく、例の MSP430G2553 では ±2mA までです。

マイコンの入力ピンの中には、ふつう2つのダイオードがあります。ピンの電圧が電源より高くなると上のダイオード（D1）が、GND より低くなると下のダイオード（D2）が電流を流し、電圧を抑えます。

例として、TI のマイコン MSP430G2553 の絶対最大定格（一瞬でも超えてはいけない値）を見ます。

項目	値
入力ピンにかけてよい電圧	−0.3V 〜 VCC＋0.3V（3.3V なら 3.6V）
ダイオードに流してよい電流	どのピンも ±2mA
入力の容量	5pF

3.6V を超えた分は、D1 を通って VCC へ流れようとします。その電流が 2mA を超えると、壊れることがあります。ESD の 30A とは、桁が4つも違います。

つまり、中のダイオードは「最後の砦」です。外の部品で、大きな電流を先に逃がし、残りを小さくしてから渡します。

外から来る線をマイコンに直結しない

コネクタから来る線は、コネクタ → TVS → 直列抵抗 → マイコンの順に通します。TVS が大きな電流を、直列抵抗が残りを受け持ちます。

外から来る線をマイコンのピンに直結すると、ESD の電流がそのまま中のダイオードに流れ込みます。そこで、2つの部品で役割を分けます。

つまり、1つの部品で全部を受けず、大きな電流と小さな電流を2段で受けます。

マイコンの入力を守る回路：TVS＋直列抵抗＋プルアップ

この記事で作る回路は、コネクタの横に TVS、コネクタ側にプルアップ 10kΩ、マイコンの近くに直列抵抗 10kΩ です。

例にするのは、ケーブルの先にある押しボタンを、3.3V のマイコンで読む回路です。ボタンを押すと線が GND につながり、離すとプルアップで 3.3V になります。

部品	この記事の値	置く場所	役目
TVS	TPD1E10B06（双方向・5.5V・12pF）	コネクタのすぐ横	ESD の大きな電流を GND へ
プルアップ	10kΩ（3.3V へ）	コネクタ側（TVS と直列抵抗の間）	離したときを 3.3V にする
直列抵抗	10kΩ	マイコンの近く	中のダイオードの電流を小さく
マイコン	MSP430G2553（3.3V）		ピンの電圧を読む

プルアップをコネクタ側に置くのには理由があります。マイコン側に置くと、押したときの電圧が 0V まで下がらなくなります（よくある失敗の節で計算します）。

つまり、部品は3つだけ。大事なのは値と、置く順番・場所です。

直列抵抗の決め方：3ステップで計算する

直列抵抗は、①つなぎ間違いの電圧、②ESD の残りの電圧で、中のダイオードの電流を 2mA 以下にする値を出し、③信号が遅くなりすぎないかを確かめます。この例は 10kΩ です。

中のダイオードが流れはじめるのは、VCC＋0.3V＝3.6V を超えたときです。それを超えた分の電圧が、直列抵抗にかかると考えます。

ここで注意したいのは、14V は 8/20µs というゆっくりした試験の電流（5A）での値だということです。ESD の一瞬はもっと高い電圧になることもあります。仮に 20V でも、10kΩ なら（20−3.6）÷10kΩ＝1.6mA で、2mA 以下に収まります。

抵抗が受ける電力も見ておきます。14V のとき（14−3.6）²÷10,000 ≒ 0.011W（11mW）です。一瞬なので、小さなチップ抵抗で足ります。

つまり、直列抵抗は「VCC＋0.3V を超えた分の電圧 ÷ 流してよい電流」で下限を出し、余裕をみて選びます。

ESD の電流の道：ほとんどは TVS から GND へ

8kV の ESD では、約30A のほとんどが TVS を通って GND へ流れ、直列抵抗の先へ行くのは約1mA だけです。

TVS と直列抵抗がそろうと、電流は次のように分かれます（目安）。

道	電流の目安	受け持つ部品
コネクタ → TVS → GND	約30A（ほとんど全部）	TVS
コネクタ → 直列抵抗 → 中のダイオード → VCC	約1mA（14V のとき）	直列抵抗と中のダイオード

電流は、通りやすい道ほどたくさん流れます。TVS は電流を逃がしているとき、抵抗が 1Ω もない（TPD1E10B06 で 0.32〜0.38Ω）とても通りやすい道です。10kΩ の道とは、通りやすさが3万倍ほど違います。

つまり、TVS が主役で大きな電流を受け、直列抵抗は残りの小さな電流を確実に小さくする脇役です。

TVS の選び方：電圧・向き・容量の3つ

TVS は、①動作電圧 VRWM を信号の電圧より上に、②向き（単方向か双方向か）を信号に合わせて、③容量を信号の速さに合わせて選びます。

TI の TPD1E10B06 のデータシートは、選ぶときに確かめることとして、次の3つを挙げています。

確かめること	考え方	この記事の例
動作電圧 VRWM	ふだんの信号の電圧が VRWM を超えないこと	3.3V の信号 → VRWM 5.5V
容量	信号の速さを妨げないこと	ボタン → 12pF でまったく問題なし
ESD の強さ	求める IEC 61000-4-2 のレベルに耐えること	±30kV（接触）→ レベル4（8kV）より上

VRWM が信号より低いと、ふだんから TVS に電流が流れ、信号がつぶれます。高すぎると、ESD のときに線に残る電圧（クランプ電圧）も高くなります。信号の電圧より少し上のものを選ぶのが基本です。

つまり、3.3V のボタンの線なら「5.5V・双方向（または単方向）・容量は気にしなくてよい」TVS で足ります。

単方向と双方向の違い：どちら向きの電圧で流れるか

単方向の TVS は、+側は決まった電圧で、−側は 0.7V ほどで電流を流します。双方向は +側も −側も同じ電圧で止めます。

TVS には、向きのあるもの（単方向）と、向きのないもの（双方向）があります。

種類	+ 側	− 側	向いている信号
単方向	決まった電圧（例：6V 前後）で流す	0.7V ほどで流す（ふつうのダイオードと同じ）	0V〜+の信号（ボタン・ロジック）
双方向	決まった電圧で流す	同じ電圧で流す	+ と − に振れる信号（音声など）

ボタンの線のように 0V と 3.3V しか取らない信号なら、どちらでも使えます。ケーブルの先で − の電圧がかかるおそれがある、または音声のように − にも振れる信号なら、双方向を選びます。この記事の TPD1E10B06 は双方向です。

つまり、迷ったら「信号が − になることがあるか」で決めます。

直列抵抗と容量で信号が遅くなる：ボタンと UART なら 10kΩ でよい

直列抵抗と、入力の容量・TVS の容量で、信号の変わり目が τ＝R×C だけなまります。10kΩ・17pF なら 170ns で、ボタンや UART には問題ありませんが、USB のような速い線には使えません。

信号	1ビットの時間	τ との比べ	判断
ボタン・スイッチ	数 ms 以上	170ns はずっと短い	OK
UART 115200bps	8.68µs	約2%	OK
USB（フルスピード 12Mbps）	約83ns	τ のほうが長い	NG

この記事では、τ が1ビットの時間の数%以下なら、信号の形はほとんど崩れないと考えます（この記事の目安）。USB や Ethernet のような速い線は、容量の小さな専用の ESD 保護部品を使い、直列抵抗は使わないか、決められた小さな値にします。

つまり、直列抵抗が使えるのは「遅い信号」です。ボタン・スイッチ・ゆっくりした通信が、この記事の守備範囲です。

置き方：TVS はコネクタのすぐ横、GND へは短く

TVS はコネクタのできるだけ近くに置き、GND へは太く短くつなぎます。直列抵抗はマイコンの近くに置きます。

TPD1E10B06 のデータシートと TI の設計資料（SLVA680A）は、置き方について次のことを勧めています。

詳しい置き方の考え方は、TVS で ESD を守る回路への入れ方の記事でも解説しています（この記事の最後の「次に読むべき記事」で紹介します）。

つまり、TVS は「入口」に、直列抵抗は「マイコンの前」に置きます。

GND への線が長いと、TVS があっても電圧が上がる

ESD の電流は速いので、TVS から GND までの線のインダクタンス L に、L×（電流が増える速さ）の電圧が出ます。0.25nH でも約10V です。

TVS が電流を逃がしているとき、線に残る電圧は、TVS 自身の電圧に、GND までの線で出る電圧が足されたものです。

GND までの線の L	計算	増える電圧
0.25nH	0.25×10⁻⁹ × 4×10¹⁰	約10V（TI SLVA680A の例）
0.5nH	0.5×10⁻⁹ × 4×10¹⁰	約20V
1nH	1×10⁻⁹ × 4×10¹⁰	約40V

この電圧は、直列抵抗の先のマイコンにもかかります。TVS を付けたのに壊れる、というときは、GND への線の長さを疑います。

つまり、TVS は「GND への道」までが部品の一部です。短く太くつないで、初めて効きます。

早見表：入ってくるおそれのある電圧と、直列抵抗の最小値

3.3V のマイコン（入力 3.6V で中のダイオードが流れはじめる）で、入ってくる電圧ごとに直列抵抗の最小値をまとめました。

入ってくる電圧	2mA まで（上限）	1mA まで（余裕）
3.3V	不要（流れない）	不要
5V	700Ω → 820Ω	1,400Ω → 1.5kΩ
5.5V	950Ω → 1kΩ	1,900Ω → 2.2kΩ
12V	4,200Ω → 4.7kΩ	8,400Ω → 10kΩ
24V	10,200Ω → 12kΩ	20,400Ω → 22kΩ

計算は R＝（電圧−3.6V）÷電流を、E12 の1つ上の値に丸めたものです。12V や 24V が入るおそれがある線なら、TVS の VRWM もその電圧より上のものを選びます（5.5V の TVS では、ふだんから電流が流れてしまいます）。

抵抗の電力も確かめます。24V がずっとかかるなら、22kΩ で（24−3.6）²÷22,000 ≒ 0.019W（19mW）です。

つまり、答えだけ欲しいときは「電圧の行」と「1mA の列」を見れば、余裕のある値がわかります。

よくある失敗4つ：ESD 対策と入力の保護

プルアップの位置・TVS が遠い・VRWM が低すぎる・電源が持ち上がる、の4つがよくある失敗です。

1. プルアップをマイコン側に置く

プルアップ 10kΩ をマイコン側（直列抵抗とマイコンの間）に置くと、遠くのボタンで GND に落としても、直列抵抗 10kΩ との分圧になります。3.3×10kΩ÷（10kΩ＋10kΩ）＝1.65V で、Low とも High とも言えない電圧です。プルアップはコネクタ側に置きます。

2. TVS がマイコンの横（コネクタから遠い）

TVS までの長い線から、ESD のノイズがほかの線へ移ります。TVS はコネクタのすぐ横に置きます。

3. VRWM が信号より低い

5V の信号の線に VRWM 3.6V の TVS を付けると、ふだんから電流が流れ、信号がつぶれます。VRWM は信号の電圧より上を選びます。

4. 電源が持ち上がる

入ってきた電流は、中のダイオードを通って VCC へ流れます。マイコンが眠っていて電流をほとんど使っていないと、その電流が電源を押し上げることがあります。つなぎ間違いの電圧がずっとかかるおそれがあるなら、直列抵抗を大きめにして、流れ込む電流を小さくします。

つまり、部品をそろえても、置く場所とつなぎ方で効かなくなります。4つを作る前に確かめます。

作ったら確かめる：テスターで2つだけ

最低限、入力ピンの電圧（離すと約3.3V・押すと約0V）と、直列抵抗の値を確かめます。ESD そのものの試験は、専用の試験器で行います。

最低限ここだけ

余裕があれば

TVS の GND 側が GND につながっているかを、電源を切ってテスターの導通で確かめます。製品として出すなら、試験所で IEC 61000-4-2 の試験を受けます。

つまり、作ったあとはテスターで2点を確かめ、ESD の強さそのものは試験で確かめます。

ESD（静電気放電）	体などにたまった静電気が、触れた瞬間に一気に流れること
入力ピン	マイコンが外の信号を読む足
保護ダイオード	マイコンの中で、ピンの電圧が上がりすぎ・下がりすぎたときに電流を逃がすダイオード
直列抵抗	信号の線の途中に入れる抵抗。流れる電流を小さくする
TVS（ティーブイエス）	ESD のような一瞬の大きな電圧のとき、電流を GND へ逃がすダイオード
クランプ電圧	TVS が電流を逃がしているときに、線に残る電圧
VRWM	TVS が電流を流さずにいられる最大の電圧（動作電圧）
プルアップ	抵抗で線を電源側へ引き上げ、何もつながないときの電圧を決めること
絶対最大定格	一瞬でも超えてはいけない値。超えると壊れることがある