回路設計とEMC設計の塩梅 第21回 EMC計算法・EMCシミュレーション(6) 放射イミュニティ(RI)の計算試行

こんにちは！　ロームの稲垣です。

第21回は、電磁両立性(EMC)の計算法・シミュレーションの6回目、放射イミュニティ(RI: Radiated Immunity)の計算試行について説明します。車載用の電磁両立性(EMC)特性に関する、「ISO 11452-2規格 ALSE法(Absorber-lined shielded enclosure)」で、アンテナ照射法とも呼ばれます。

車載蓄電池、疑似電源回路網、ワイヤ・ハーネス、DUT(試験対象)等が基準グランド面の上に配置され、1メートルの距離にあるアンテナから電磁雑音(電界)を印加して、DUT(試験対象)が誤動作するか否かを判定します。CISPR25規格ALSE法がワイヤ・ハーネス等からの放射エミッションを観測するのに対して、ISO 11452-2規格ALSE法はワイヤ・ハーネス等への放射イミュニティを観測するので、現象的には逆方向となります。

計算予測に関してはCISPR25規格ALSE法が計算できる環境であれば、若干の設定変更等は必要ですが、CADデータ等はほぼそのまま使用できるかと思います。計算対象は上記に加えて、アンテナ信号源(電界)、EMC対策部品(ここでは容量素子C)、DUT(LSIモデル・受動素子化)、規格適合判定器等となります。

今回は、電磁界解析と回路解析を組み合わせて使います。計算の大筋としては、アンテナの電界強度からワイヤ・ハーネスに接続されているプリント基板(PCB)の誘起電圧を、電磁界解析で計算します。その誘起電圧からDUT(LSI端子)に到達する電圧を基に、誤動作の有無を回路解析で判定します。端的に言うと、放射系(空中を信号伝搬する部分)を電磁界解析に、伝導系(配線上を信号伝達する部分)を回路解析に分担させます。

それでは順を追って説明します。計算試行では２段階処理をしていて、1段目のIB(誤動作閾値)モデル抽出(Extraction)と、2段目の計算予測(Prediction)の各々を(シェル・)スクリプトで自動化しています。1段階目のIB(誤動作閾値)モデル抽出(Extraction)では、下記の計算手順となります。

■1段階目：IB(誤動作閾値)モデル抽出(Extraction)

1. ① まず上記の計算対象から計算回路図を作成します。測定回路をそのまま結線し計算回路にするイメージです。電磁界解析の回路図は上記を参照して頂ければ良いかと思います。回路解析の回路図は、IEC 62132-4規格DPI法(第19回)で使用したものとほぼ同じです。
2. ② この計算試行では、測定周波数範囲200MHz～1GHz、電界強度200V/mが限度値として要望されています。Pass/Failの判定が測定結果となりますので、第20回ISO 11452-4規格HE法(BCI法)と同様、Passを200V/m、Failを100V/mと設定し、計算予測に使用する測定値とします。Pass/Failの測定判定結果を、計算用に数値化します。
3. ③ ②で作成した電界強度(全測定周波数分)を電磁界解析のアンテナ信号源(電界)として与え、DUT(試験対象)が搭載されるプリント基板(PCB)に誘起される電圧を計算します。
4. ④ 次に回路解析(過渡解析・全測定周波数分)でプリント基板(PCB)上のDUT(LSI端子)に到達する電圧を計算し、IB(誤動作閾値)モデルとします。下図のように、誤動作する電圧閾値が一定周期で波打つワイヤ・ハーネスでの特徴が、よく表れています。又この段階で、「電界強度と誘起電圧の相関係数」を算出します。このようにして測定値から計算機モデルを自動生成する事で、「計算時間の短縮」と「計算精度の向上」に役立てます。

IB(誤動作閾値)モデルの計算例.

2段階目の計算予測(Prediction)では、下記の計算手順となります。

■2段階目：IB(誤動作閾値)モデル抽出(Extraction)

1. ⑤ 回路解析用の計算予測用回路を作成します。IB(誤動作閾値)モデル抽出用の回路との差異は、誤動作判定器(コンパレータ)の追加です。LSIに到達する電圧とIB(誤動作閾値)を、誤動作判定器(コンパレータ)で比較します。
2. ⑥ まず電圧雑音信号源を減衰振動波形に設定し、回路解析(過渡解析)すると、LSIが例えば誤動作した状態から誤動作しない状態へと遷移することがわかります。これを全測定周波数分繰り返します。
3. ⑦ 減衰振動波形で誤動作が起こる電圧値が求まると、次に先ほど算出した「電界強度と誘起電圧の相関係数」から誤動作した電界強度が逆算できます。これが求める計算予測値となります。相関係数を使う事で、電磁界解析を省略して計算時間の短縮を図ります。
4. ⑧ EMC対策前のIB(誤動作閾値)モデルを抽出した回路と同じ回路で計算予測したものが、下の左図となります。測定値と計算値がよく一致しています。
5. ⑨ EMC対策回路では回路解析で容量素子Cを追加して、DUT(LSI端子)に到達する電圧雑音を低減させます。その時の計算予測した結果が、下の右図となります。200V/m以上の計算値となることで、規格適合するであろうという計算予測です。良く見ると、200MHz～220MHz付近はもう少しEMC対策が必要です。それ以上の周波数帯は大丈夫です。

以上のように一般的な電磁界解析ツールと回路解析ツールであっても、計算結果をテキスト・ファイル(ASCII)で自動保存し(シェル・)スクリプトで受け渡しする事で、比較的容易に設計自動化・検証自動化が実現できます。

御一読頂きまして、どうもありがとうございます。

＜書籍の参照ページ＞
「LSIのEMC設計」，科学情報出版株式会社，2018年2月初版発行，ISBN978-4-904774-68-7．

• ◆放射イミュニティ(RI)計算検証：
  第６章　現象別半導体集積回路の電磁両立性検証(2)　pp.160~164