電磁両立性 (EMC) 入門

今日の自動車では、多くの電子システムが調和して動作し、ユーザーエクスペリエンス、機能性、安全性が向上しています。膨大な数の電子システムでは、特定の部品がノイズや干渉波を発し、他の部品の動作を妨げる可能性が常に存在します。電磁両立性 (EMC) の原理は、調和を確立するためにこの段階で介入します。

定義と重要性

定義: 電気および電子システム、機器、デバイスが電磁環境内で適切に動作する能力を電磁両立性 (EMC) と呼びます。これには、許容できない電磁妨害が環境に取り込まれるのを避けたり、環境から発生する電磁妨害に対する脆弱性を防いだりすることが含まれます。

重要性: 安全性 (ABSエアバッグなど)、エンターテイメント、ガイダンス (GPS、自動運転車用センサ)、制御 (ECUS) など、今日の自動車は電子システムに大きく依存しています。電磁障害によりこれらのシステムのいずれかが故障した場合、機能性と安全性の両方が損なわれる可能性があります。

車両における電磁障害 (EMI) の発生源

車両への電子機器の搭載が進むにつれて、潜在的なEMI発生源が数多く存在します。通常、バッテリーハーネスは車両内で数メートルにわたって広がり、電子機器に電力を供給します。ハーネスには固有の自己インダクタンスがあるため、エンジン点火システム、ライティング、オーディオアンプなどの大電流負荷がハーネスから電力を引き出したり消費を停止したりすると、ハーネスに伝導過渡現象が発生する可能性があります。これらの過渡現象は、ハーネスに接続されている他のすべての電子機器に影響を及ぼすため、そのような外乱に耐える能力が必要になります。

ほとんどの電子機器には、スイッチングモード電源と高周波マイクロコントローラ、または十分な大きさの電流需要を持つ通信プロトコルが組み込まれています。車内では、ケーブルハーネスが被害者側のアンテナとして機能し、さまざまなソースからのスイッチングノイズを遮断し、さまざまなカップリングメカニズムを通じて隣接する電子機器にノイズを分散します。

Wi-Fi、Bluetooth、セルラーモジュールなどの無線通信デバイスは、周囲に直接ノイズを放出する可能性があります。したがって、許容される電力レベルを制限する必要があります。

磁気および電気ノイズ源

敏感な電子部品の機能は、電気ノイズ源と磁気ノイズ源の両方によって妨害される可能性があります。これらを効果的に管理するには、その性質と発生源を徹底的に理解する必要があります。

実例によるノイズ源の性質

• 電気ノイズ源: 電圧差から発生する電界は、通常、電気ノイズ源と関連しています。たとえば、電子機器のケーブルハーネスは、機器の筐体またはPCBグランドプレーンと相互作用するときにモノポールアンテナまたはダイポールアンテナのいずれかを作りだす傾向があることが知られています。これらのアンテナは、わずかながらも急速な漏れ電流によって引き起こされる電圧差を利用して動作し、ケーブル導体と筐体 / PCBの導電性表面との間の差を利用します。

図1 : ケーブルモノポールアンテナ

• 磁気ノイズ源: 回路内に偶発的なループアンテナが形成されると、このタイプのノイズが発生します。ループアンテナの回路に電流が流れると、ループの平面に対して垂直に磁場が生成されます。電力消費機器のリターン電流が長い経路をたどる必要があるグランドループの形成は、回路設計でよく見られる問題です。

図2 : PCB上の長いグランドリターンループ

結合方法

• 静電容量結合 (電界): この現象は、変化する電界が2つの導体間の電圧変化を引き起こすときに発生します。たとえば、容量結合により、高周波信号を伝送するワイヤによって近くのワイヤに電圧が誘導され、干渉が発生する可能性があります。
• 磁気 (磁界) 結合: ここでは、1つの導体内の磁場の変化により、隣接する導体内に電流が発生します。車両内で顕著な例としては、オルタネータが挙げられます。オルタネータは、オーディオシステムに侵入するノイズを発生することで有名で、エンジンの回転数に合わせてスピーカから「うなり音」が発せられます。
• 放射 (電磁場): ノイズ源の周波数が、被害者を検討するのに十分なほど大きい場合、「遠距離場」範囲にある電子機器で、結合は放射型になります。「近接場」では、ノイズは本質的に容量性または磁気性として現れます。しかし、発生源から遠ざかるにつれて、放射は変化し、独立した電磁波に変化して、放射線として空気中を伝わるようになります。
• 伝導: ノイズ源が被害者回路と直接ガルバニック接続されている場合、伝導結合が発生します。大電流負荷によって他の負荷へのバッテリー供給に電圧変動が生じている場合、バッテリーハーネスにこのタイプの結合が見られます。

図3 : ノイズ結合メカニズムの種類

車両に高度なエレクトロニクスやシステムが採用されるにつれて、EMCを理解して管理することが不可欠になります。干渉の原因を特定し、その特性を理解することで、潜在的な影響を最小限に抑えるための効果的な戦略を考案できます。これにより、最終的には車両の安全性、信頼性、そしてユーザーにとっての全体的な満足度が向上します。

差動モードノイズとコモンモードノイズ

• 差動モードノイズ: 通常はクローズドループ回路内で、一対の導体を電流が反対方向に流れると、差動モードノイズが発生します。カーエレクトロニクスでは、モータやスイッチなどの電子部品の動作により、電源ラインや信号ラインに差動モードノイズが頻繁に発生します。たとえば、車両内のモータの起動と停止によって差動モードノイズが発生し、隣接する電子回路のパフォーマンスに影響を及ぼす場合があります。差動モードノイズは、ループ内で等しい大きさのノイズ電流が反対方向に流れるという特徴があります。
• コモンモードノイズ: 一方、複数の導体上で同じ方向に流れるノイズ電流はコモンモードノイズです。通常、外部ソースからは、電磁場を介して導体に結合されることがよくあります。たとえば、高出力の無線送信機や他の車両の電気システムによって電磁場が生成され、車両の配線ハーネスにコモンモードノイズが誘導される可能性があります。ラジオ受信機やGPSなどの敏感な電子機器は、このタイプのノイズが電力線やグランドプレーンを流れ、障害を引き起こすため、影響を受ける可能性があります。

これら2種類のノイズには異なる抑制戦術が必要なので、それらを区別することが不可欠です。差動モードノイズは、多くの場合、回路設計を変更し、シールドを実装することで管理できます。ただし、コモンモードノイズに対処するには通常、すべての導体に均一に流れるノイズ電流を効果的に抑制するコモンモードチョークなどのフィルタを導入する必要があります。

車載の電磁両立性規格と規制

急速に進歩しているカーエレクトロニクスの分野では安全性は最も重要であり、複雑な電磁相互作用のネットワークの中で車両の安全な動作を保証することが不可欠です。車載の電磁両立性の規格と規制は、電子システムの設計、テスト、認証においてメーカーを指揮するベンチマークとして機能します。これにより、これらのシステムが外部の電磁波による障害に対して脆弱になることも、過度の干渉が発生することもなくなります。

国際および地域の電磁両立性規格

自動車の分野における電磁両立性の慣行を管理するために、国際社会は一貫した標準の必要性を認識しています。世界中の数多くの標準化団体がガイドラインを導入しています。

国際無線障害特別委員会 (CISPR): 世界中で多くの自動車メーカーがCISPR25規格 (事実上の規格) を採用しています。船舶、車両、内燃機関に適用可能な無線妨害特性の境界と測定技術を確立することに重点が置かれています。

自動車技術協会 (SAE): SAEが発行したJ1113、および、J551では、車両に関連するさまざまな電磁放射と感受性の制限とテスト方法が規定されています。

地域規格: これらの国際規格に対する具体的な適応や追加要件は、地理的地域によって異なる場合があります。たとえば、日本にはJASO、欧州にはECE R10規格があり、米国では連邦通信委員会 (FCC) の規格が使用されています。

自動車OEMの要件

OEM (Original Equipment Manufacturers) によって強制される独自の電磁両立性要件は、厳しさの点で業界基準を超えることがよくあります。これらの要件の基礎は、各メーカーの車両ラインナップ固有の運用上および設計上の検討事項にあります。OEMは、これらの基準を管理することで、自社の車両全体でより高いレベルのパフォーマンスと信頼性を確保できます。

EMC周波数帯域

テストと緩和の両方において、周波数帯域を理解することが重要です。EMIのモニタリングと制御が必要な周波数に関して明確さが提供されます。

放射周波数帯が表すもの

放射の周波数帯域は、意図的 (無線送信機など) または意図的でない (モータドライバからの放射など) かに関係なく、電子機器が放射線を発する可能性のある電磁スペクトルの区域を表します。自動車のEMCテストでは、これらの帯域を徹底的に検査して、放出が指定されたしきい値内に収まっていることを確認し、車載用電子機器が放送ラジオや携帯電話などの他のデバイスに干渉するのを防ぎます。

しきい値を違反した場合の結果に関する実例

• 無線干渉: AMラジオ周波数帯域では、適切に保護されていないオルタネータが電磁ノイズを放出する可能性があります。特定のAM放送局にチューニングすると、運転手はこれを雑音または干渉として感じる場合があります。
• 安全システムの故障: EVインバータなどの高出力電子部品からの干渉波の放出は、近くにある安全上重要なセンサの最適なパフォーマンスを妨げ、車両の安全性に潜在的なリスクをもたらす可能性があります。
• 通信の中断: 意図しない車両からの放出により、携帯電話の周波数で動作するデバイスに障害が発生する可能性があります。その結果、車内や車の近くでの接続が悪くなったり、通話が切れたりすることがあります。

結論として、自動車の電磁両立性の状況を把握するには、独自基準、地域基準、国際基準の組み合わせに準拠する必要があります。周波数帯域の重要性を認識し、電磁放射の実際の影響を理解することで、より安全で信頼性の高いカーエレクトロニクスシステムが保証されます。

電磁障害抑制技術

多くの電子システムを備えた最近の自動車はますます複雑化しており、それに応じて電磁障害 (EMI) を軽減するには堅牢な戦略が不可欠です。さまざまなEMI抑制技術を採用することは、信頼性の高い動作を保証し、車両の内部および外部の電子システムへの有害な干渉を防ぐために不可欠です。

シールドおよび接地

シールド: 不要な電磁放射の漏洩を防ぐために、電子部品またはシステムを導電性障壁内に封じ込める技術です。シールドの一般的な材料としては、アルミニウム、銅、またはその他の特殊な導電性ポリマーが使用されます。他の車両システムとの干渉や他の車両システムからの干渉を軽減するために、車載アプリケーションに存在するECU、インフォテインメント システム、センサ インタフェースなどの部品にシールドが搭載されることがよくあります。

接地: 適切な接地方法により、車両の電子システム全体にわたって一貫した基準電位が維持されます。さらに、適切な接地により、不要な電磁ノイズが消散しやすくなり、敏感な回路へのノイズの結合を防ぐことができます。「グランドループ」は、意図しないアンテナや電流の導管へと進化し、干渉を増幅する可能性があるため、その形成を防ぐための予防措置が実施されています。

EMIフィルタ

EMIフィルタと呼ばれる回路部品は、不要な周波数を減衰させながら、必要な信号がスムーズに通過できるように作られています。電子モジュールの入力と出力の両方に配置され、システム内でのEMIの出入りをブロックする役割を果たします。次の例があります。

コンデンサ: コンデンサは、ノイズに対して低インピーダンスのリターンパスを提供することで高周波ノイズをフィルタリングし、電源ラインと並列に接続されます。

インダクタ: インダクタは高周波ノイズに対して高いインピーダンスを提供するため、EMIに対する障壁として機能し、信号ラインまたは電源ラインと直列に使用されるのが一般的です。

ケーブル管理と配線

ケーブルの効果的な管理と配線は、EMIを削減する上で重要な要素です。

ツイストペア: 2本の導体をねじり合わせると、それらの間のループ面積が最小限に抑えられ、差動モードの磁気干渉の影響を受けにくくなります。このような配置では、電流が両方の導体内で反対方向に流れ、それによって生成される磁場が打ち消されるため、差動モードのノイズ放出が効果的に中和されます。

シールドケーブル: これらのケーブルには、内部導体の周囲に導電性シールドが組み込まれており、ケーブル内外へのEMIの結合を防止します。環境とのノイズの磁気結合または容量結合を回避したいかどうかに応じて、シールドをケーブルの一端または両端で接地する必要があります。磁気ノイズを遮断するには、ケーブルの両端でシールドを接地し、ノイズ電流のリターンパスを確立します。これにより、ツイストペアの動作を反映して、内部導体に対抗する外部磁場が生成されます。

ルーティングの実践: 車内で敏感な信号を伝送するケーブルを、RF送信機や高電流電源ケーブルなどの潜在的なノイズ源から遠ざけることに注意が払われます。さらに、ケーブルの長さを最小限に抑えるために適切な配線が使用され、干渉の影響を受けにくくなります。

ESD保護

2つの物体間においてナノ秒単位で発生する静電気の急速な移動は、静電放電 (ESD) として知られています。静電気を帯びた物体または人が被害者側回路に接触すると、ESDが発生します。ESD電流の流れは、発生源と被害者側回路間の電荷を均等にしようとして始まります。ESDによって数千ボルトに達する大電流と高電圧が誘導されると、電子部品が損傷したり、EMIが発生したりする可能性があります。

図4 : HBMおよびIEC 61000-4-2 ESD波形の放電特性曲線

保護技術には次のものがあります。

保護ダイオード: これらのダイオードは、通常ICに搭載されており、印加されたESD過電圧に反応して作動し、敏感な回路からESD電流を遠ざける経路を提供します。

アースストラップ: 製造およびメンテナンス作業中に使用されるこれらのストラップは、技術者が取り扱う機器の電位に合わせ、静電放電の蓄積を防ぐのに役立ちます。

ESDマット: ESDマットは、アースストラップと同様の働きをします。製造施設では、作業台や床に使用され、静電気を地面に向かって消散させる経路を提供します。

カーエレクトロニクスにおいて、EMIの管理は、部品の選択、組み立て技術、設計手法の融合を必要とする多面的な取り組みです。メーカーは、前述の方法を慎重に使用することで、車両の電子システム全体で信頼性が高く干渉のない動作を確実に提供できます。

EMC設計の検討事項

カーエレクトロニクスでは、電磁両立性 (EMC) は外部EMI抑制技術の適用だけに依存するのではありません。EMC保証の中核には、設計の初期段階に根ざした基本的な要素があります。メーカーは、電子システムの設計に積極的なアプローチを取ることで、電磁障害の影響と放出を大幅に低減できます。設計プロセスにおける重要なEMCの検討事項については、以下で説明します。

プリント回路基板 (PCB) レイアウト

電子モジュールの電磁気的動作を決定する上で、PCBの設計は欠かせない役割を果たします。主な検討事項は次のとおりです。

グランドプレーン: 連続したグランドプレーンを搭載することでループ面積が縮小され、インダクタンスが低減され、放射干渉に対する保護として機能します。このプレーンが乱れると、ループアンテナの例で示されているように、意図しないEMI放出や影響が発生する可能性があります。

トレースルーティング: 信号トレースには慎重なルーティングが不可欠です。クロストークを防止するには、高速デジタルトレースをアナログ信号や低レベル信号と並行して配線しないことをお勧めします。トレース幅が「x」の場合、同様の幅を持つ2つの平行トレースの中心点間の距離を「x」の少なくとも3倍にすることをお勧めします。高速信号を伝送する隣接層は、直交方向に交差する必要があります。

デジタル、電源、アナロググランドの分離: これらの接地を別々に保ち、単一の共有点で接続することで、敏感なアナログ回路に結合することによるデジタルノイズや高出力ノイズを防ぐことができます。

部品の選択と配置

潜在的な 電磁両立性の問題の増幅または軽減は、PCB上の部品の選択と配置によって影響を受ける可能性があります。

デカップリングコンデンサ: ループインダクタンスを減らすには、デカップリングコンデンサをIC電源ピンのできるだけ近くに配置する必要があります。電力線からの高周波ノイズを除去することで安定した動作を保証します。

高周波部品: 放射線の放出を避けるには、高周波で動作する発振器などの部品をボードの端から離して配置する必要があります。

コネクタ: I/Oコネクタは外部環境とのインタフェースとして機能するため、フェライトビーズやコンデンサなどの十分なフィルタリング部品を装備することが不可欠です。この対策により、外部ノイズがシステムから隔離されたままで、その逆も同様であることが保証されます。

接地技術: 電磁両立性にとって、強力な接地は重要であり、多数の接地ポイントによってグランドループ (ノイズ源) が発生することがあります。したがって、このリスクは、シングルポイントグランドまたはグランドプレーンを使用することで軽減されます。さらに、インピーダンスを最小限に抑えるには、グランドトレースをできるだけ広くする必要があります。

信号トレースのレイアウト: クロストークとノイズ結合を防ぐために、高速信号トレースは敏感なアナログ領域から離して配線する必要があります。さらに、抵抗とインダクタンスを軽減し、電磁放射を減らすために、大電流を流す信号トレースを短く広く保つことが推奨されます。

敏感な部品のシールド: 高精度アナログ回路などの敏感な部品は、電磁障害から保護する必要があります。これを実現するには、これらの部品を接地された金属シールドで囲むか、PCB上の接地された銅領域の下に配置する必要があります。

シグナルインテグリティとパワーインテグリティ

電子システムのEMCを確保するには、信号整合性 (SI) と電力整合性 (PI) の両方が重要な役割を果たします。

シグナルインテグリティ: 伝送中に信号が歪みのない状態を保つことを保証する信号の品質を、信号整合性と呼びます。信号整合性を維持するには、インピーダンスの整合、適切な終端、反射の低減が必須です。歪んだ信号によって引き起こされる望ましくない放射および伝導放出の可能性を減らすには、優れた信号整合性 (SI) が最も重要です。

電力整合性: 電子回路を適切に動作させるための重要な検討事項は、高周波ノイズのない安定した電源を維持することです。電力整合性 (PI) の確保は、デカップリングネットワーク、堅牢な過渡応答を備えた電圧レギュレータ、および綿密に設計された電源プレーン構成に大きく依存します。

カーエレクトロニクスの設計者は、最初からこれらのEMC設計の検討事項に重点を置くことで、実際の使用環境で製品が確実に機能することを保証できます。この積極的なアプローチを実装することで、その後の変更や追加のEMI抑制技術の組み込みの必要性も減り、長期的には時間とコストの節約につながります。