エンジニアコラム

回路設計とEMC設計の塩梅第20回 EMC計算法・EMCシミュレーション(5) 伝導イミュニティ(CI)の計算試行

2022.04.12

こんにちは! ロームの稲垣です。

第20回も電磁両立性(EMC)の計算法・シミュレーションです。今回(5)は、伝導イミュニティ(CI: Conducted 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)特性に関するもので、「ISO 11452-4規格 HE法(Harness Excitation Method)」ついてです。

HE法は規格書の中でBCI(Bulk Current Injection)法と、TWC(Tubular Wave Coupler)法が記載されています。どちらもワイヤー・ハーネス(車両内の電気配線を模擬)に電磁雑音を印加して、DUT(試験対象)の誤動作レベルを判定するものです。BCI法は0.1MHz~400MHzまでの電流雑音を電流注入プローブ経由で印加する試験方法で、TWC法は400MHz~3GHzまでの電力雑音をカップラ経由で印加する試験方法です。今回はBCI法の計算予測について説明します。

ISO 11452-4規格のBCI法は、前回説明したIEC 62132-4規格のDPI法とは大きく異なる試験方法となります。DPI法では、DUT(試験対象)がどの程度の雑音耐性があるかを、進行波電力の値を上下させながらその電力値を精度良く測定します。一方、BCI法は例えば200mAの電流雑音を印加して全周波数帯で誤動作するか否かを試験します。従って試験結果は、周波数毎にPass/Failのどちらかに判定される事になります。

計算予測する際は、DPI法の方が扱いやすいと思います。BCI法のようにPass/Failが測定結果となると、回路解析(SPICEシミュレーション)でどう表現して良いか悩みどころになると思います。ここでは、この辺りも含めて説明していきます。尚、本BCI法の計算予測は、電磁界解析を使用しないで実施しています。回路解析で求解できる現象は、その方が短時間で計算予測できます(今回のCPUタイムは約2分です)。

計算対象は、車載バッテリ、疑似電源回路網(LISN)、ワイヤー・ハーネス(3線式:電源線、接地線、出力線)、電流注入プローブ、負荷、EMC対策部品(ここでは容量素子C)、DUT(LSIモデル)、電流雑音源、規格適合判定器等となります。また、今回も測定値をベースに、計算機モデル(シミュレーション・モデル)を作成する手法で実現します。

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段階目のIB(誤動作閾値)モデル抽出(Extraction)と、2段階目の計算予測(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 第19回と同様に、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。電流注入プローブとワイヤー・ハーネスを回路解析のトランス結合で表現します。3線式なので、トランスを3個従属接続することで、各線に均等に電流雑音を印加できます。またDUT(試験対象)は、LCRメータでLSI端子間インピーダンスを測定し、その電気的特性からLCR(受動素子)回路を作成します(ここはポイントです!)。
  2. ② 次に測定結果を回路解析しやすい様に数値化します。例えば200mAの電流雑音を印加してPassした周波数とFailした周波数があるとしましょう。Passした周波数の測定値を200mA、Failした周波数の測定値を100mA(Pass時の1/2の値・経験則より・適宜変更可)と設定します。こうすることで、回路解析でも扱いやすい数値ファイルが作成できました(ここもポイントです!)。
  3. ③ ②で作成した電流値を信号源として与え、回路解析(過渡解析)で1周波数のIB(誤動作閾値)(LSI端に到達する電流)を計算します。計算で算出した電流値よりも大きな電流が到達すればDUT(試験対象)が誤動作し、小さければ誤動作しない値、即ち誤動作の閾値となります。
  4. ④ 全周波数において③を繰り返します。(シェル・)スクリプトやマクロで繰り返し実行できる様に設定すれば、解析回数が多くても1度実行してしまえば問題ないかと思います。この結果をファイル保存し、周波数軸にプロットしたものが下記グラフとなります。

IB(誤動作閾値)モデルの計算例
IB(誤動作閾値)モデルの計算例

尚、IB(誤動作閾値)モデルは計算回路図やLSIモデル(インピーダンス特性)に依存した限定された固有の電流値で有る事に留意ください。計算回路図やLSIモデルと一緒に使うことで、測定時の誤動作を計算機上で再現する事のできる計算機モデル(シミュレーション・モデル)となります。(ここでは御客様御要望で1MHz~1GHzまで対応)

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 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に到達する電流と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 次に電流雑音の信号源を減衰振動波形に設定します。SPICEでは減衰振動波形を作る事は比較的簡単です。前回DPI法で使った電流換算のものと同じです。
  3. ⑦ 回路解析(過渡解析)で、1周波数の解析を実行すると、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。これを全周波数分繰り返します。
  4. ⑧ 減衰振動波形で誤動作の閾値となった電流値が、求める計算予測値となります。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。測定値と計算値がおよそ一致します。低周波部分は少し計算誤差がありますが、これはIB(誤動作閾値)モデルが極小さな値の為に発生しています。高周波側では、Fail判定となっている100mAの計算値が正確に再現されています。
  5. ⑨ EMC対策回路(ここでは3端子コンデンサCを2個使用。2端子一般コンデンサと比較して寄生インダクタンスLが小さい事が特徴であるコンデンサ)を追加して計算予測した結果は、下の右図となります。200mA以上の計算予測値となることで、規格適合するであろうという計算予測値です。特にEMC対策前の100mAの部分が、それ以外の200mAの部分と同等に改善している事に注目してください。以上のように、追加した容量素子の効果で、LSIの誤動作レベルが改善している事がわかります。

左:IB(誤動作閾値)モデル作成回路での計算予測例

左:IB(誤動作閾値)モデル作成回路での計算予測例.
(測定値と計算値が凡そ一致,黒:測定値,赤:計算値,青:限度値)   

右:EMC対策回路(C=0.1uF, 0.47uF接続時)の計算予測例

右:EMC対策回路(C=0.1uF, 0.47uF接続時)の計算予測例.
(黒:測定値,赤:計算値,青:限度値)

この例は、1MHz~1GHzまで200mA以上の誤動作耐性について確認したもので、図中の青線(規格限度値)とは関係なく全帯域で耐性が向上するように検証を進めた結果になっています。

(本来のISO 11452-4規格は、1MHz~400MHzの内1MHz~3MHzと200MHz~400MHzで、限度値が少し緩くなっています。また0.1MHz~1MHzも限度値が設定されています。)

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.

  • ◆伝導イミュニティ(CE)シミュレーションの概要説明:
    第6章 現象別半導体集積回路の電磁両立性検証(2) pp.147~149

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