ノイズの問題と対策

ノイズとは

電子機器・部品にとってのノイズとは、動作に悪影響をおよぼす不要な電磁波を意味します。
電子レンジを動作させると近くのスピーカーに雑音が乗る、通信端末の電波に影響され電波式腕時計の時間が狂う、など身近な例も数多く見られます。飛行機の機内や心臓ペースメーカーの近くではスマートフォンの使用を避けるべきとされているのも、スマートフォンから発せられる電波が、それら精密機器の動作に影響をおよぼす可能性を危惧してのことなのはご存じのとおりです。
さらに車載通信機器やIoT機器などの様々な通信装置が身の回りに存在するようになり、電磁放射環境は加速度的に厳しくなっています。

特に自動運転化が進む自動車は、誤動作が命に係わる危険性を含むため、ノイズ対策がより重要な要素となります。

ノイズ

自動車をとりまくノイズ環境

近年、自動車にCASE (コネクテッド、オートノマス、シェアード&サービス、エレクトリック)」や「MaaS (モビリティー・アズ・ア・サービス)」をメガトレンドとした急激な変化の波が訪れています。さらには2020年以降、世界的なカーボンニュートラルの重要性の高まりを背景に電気自動車 (xEV) へのシフトが加速し、自動車に搭載される電子部品は年々増加傾向にあります。また、その流れは電気自動車や燃料電池車 (FCV) だけではありません。旧来の内燃機関車 (ICE) においても、ADAS/自動運転の高度化に伴うセンサ数の増加により、必要とされる車載ECU (Electronic Control Unit) も増え、その一つ一つのECUに搭載される電子部品の数も大幅に増えています。

一方、自動車に搭載される無線機器も従来はラジオ・テレビの放送受信系が主でしたが、時代の流れと共にナビゲーションシステムといったマルチメディア (情報) 系からスマート (キーレス) エントリーシステム、タイヤ空気圧センサ等のボディ制御系、レーダー等の走行制御 (安全) 系へと適用範囲が広がっています。それに伴い、扱われる周波数も数百kHzから数十GHzまでと非常に幅広い帯域になっています。さらに、スマホ等の通信機能を備えた電子機器の増加により、車両内の電磁 (ノイズ) 環境は今まで以上に過酷となってきています。

この過酷な環境下においても自動車に搭載されている各種ECUは、それぞれが電磁的な影響を与えず、また影響を受けずに動作することが必須であるため、事前の検証により潜在的なエラー要因を取り除く必要があります。しかしながら、この電磁ノイズ起因の不具合事例はゼロにはなっておらず、場合によっては人命にかかわる事故につながる可能性も高いため、自動車 (及び搭載されるECU) に対する安全試験要求はより厳しさを増しています。

いろんな電磁波が存在する生活環境

EMC / EMI / EMS規格

  • 画像:EMC,EMI,EMS規格
  • ECUに搭載される半導体製品においても、周辺機器から受けるノイズ (イミュニティ:EMS) や電子部品が出すノイズ (エミッション:EMI) 起因によるノイズ対策 (電磁ノイズ対策) の重要性が年々高まってきております。

    電子機器・部品が直面するノイズ対策要求は、国際電気標準会議 (International Electrotechnical Commission, IEC) によって規格が定められており、通称EMC規格と呼ばれています。EMCとはElectromagnetic Compatibilityの略語で、日本語では「電磁両立性」と定義されています。
    EMCは、EMI (Electromagnetic Interference: 電磁妨害) と EMS (Electromagnetic Susceptibility: 電磁感受性) に分けられます。

つまり電子機器・部品には、ほかの電子機器の動作に悪影響を与えるようなノイズを出さず、かつ、ほかの機器が発するノイズの影響を受けない (受けても正常に動作する)、2つの性能が求められます。

2020年以降、関連業界団体JEITA (一般社団法人 電子情報技術産業協会) より部品置き換え時の負荷や費用の低減を目的とした半導体EMC性能等価性評価法 ED-5008、JSAE (公益社団法人 自動車技術会) より自動車用半導体EMC性能等価性試験法 JASO D 019 といった規格が制定されており、車両やECUのみならず半導体EMC評価の重要性も高まっています。

測定風景

測定風景

電子部品の切替えに掛かる負荷

多くの半導体メーカは、事業継続のための製造ラインの移転、集約、低コスト化のためのチップやパッケージ変更等により、同一製品を長年供給し続けることが難しくなっています。そのため、機能や電気的特性が同等性能である代替品や、特性改善をした後継製品を、ECUメーカに提案する場合も増えてきています。
ECUメーカが電子部品を従来品から提案品に切り替える際、基本的な性能に関しては大きな設計変更を必要とせずに製造を続けることができますが、使用される箇所によっては再度EMC性能試験 (ノイズ耐性の評価) が必要となる場合があります。このEMC性能試験はECU単体や実機に組んだ状態で、電波暗室など特別な試験設備を用いて長時間試験する必要があるために、切替え判断までの時間がかかり、また試験費用も高額になってしまいます。
このようなノイズ耐性の評価は、一般的に車両開発の最終段階で実施されることが多く、そこで問題が発覚すると、解析から対策、ECUのパターン設計や搭載部品選定にまで設計手戻りが発生する可能性があります。設計工数に大きなインパクトとなるため、半導体メーカ、機器メーカの両社にとって代替半導体への切替えは大きな負荷となっている状況があります。

高まるイミュニティ (EMS) の重要性

イミュニティ (EMS) の重要性の高まりとともに規格が整備され、車両・ECUなどの電子機器と、その部品である半導体それぞれに試験方法や条件が定められました。様々な電波が飛び交う中でも安定して動作するためには、システム側にも高いレベルでのノイズ耐性 (イミュニティ) が求められています。

ところが、特性評価では問題がなかったのにイミュニティ試験では不具合が起きるなど、あらかじめ予測するのが困難なEMS対策は、設計工数を増やす大きな要因のひとつでもあります。

半導体試験

試験名 国際規格
部品試験一般 IEC 62132-1
TEMセル法 IEC 62132-2
DPI法 IEC 62132-4
WBFC法 IEC 62132-5
ICストリップライン法 IEC 62132-8

そこで、当社独自の回路技術により、電磁ノイズに対する高いイミュニティ特性を実現した製品をご紹介します。