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自動車向け電子コンポーネントのための EMC 試験規格

翻訳: T.Sato

概要

この成長に照らせば、車両内の複数の ECU が電磁的両立性を持ち、 外部のシステム (特に沿道の機器) と干渉しないことが重要である。 車両、特にスパーク点火式エンジンの EMC は、 ほとんどの商用の EMC 規格が存在しているよりも遥かに長いあいだ世界的に考慮されてきた。 欧州においては、スパーク点火ノイズの抑制のための最初の指令は 1972年に出された (72/245/EEC)。 北米では Society of Automotive Engineers (SAE) が 1990年台の所期から EMC に関する規格を用意しており、 国際標準化機構 (ISO) と CISPR は自動車固有の EMC 規格を 1990年から提供している。

欧州連合 (EU) 内では、車両そのものと同様に自動車用アセンブリの大半をカバーする 自動車 EMC のための特有の指令 (EU 指令 95/54/EC で、これは 72/245/EEC を修正した) があり、これは規制として具体化されている (欧州のいくつかの非 EU 国家も規則 ECE 10.02 のもとにこの指令を採択している)。 北米 (USA やカナダ) やその他の国々には同様の規制はないので、 自動車 OEM らは彼らが販売する全ての地理的市場の要求に適合できるようにする 彼ら自身の内部規格を作成している。 結果的に、自動車 EMC 試験の分野は、 一部は OEM に固有の、一部は国際的な (CISPR/ISO)、一部は地理的な (北米の SAE)、 そして一部は法的な要求 (95/54/EC) である、 多くの異なった規格が入り組んだものとなっているように見えるかも知れない。

コンポーネント、あるいは電子的サブ・アセンブリ

車両に取り付けられる２つのカテゴリーの電気／電子機器がある； 車両製造業者によって取り付けられるもの (OEM 取り付け)、そして アフター・マーケット機器 (ユーザー取り付け、あるいは専門家による組み込み)。 多くの場合、同じ企業が OEM 製品とアフター・マーケット製品を供給しており、 これらは同一の EMC 規格に対して試験されるであろう。 アフター・マーケット取り付けのみとして意図された機器は EMC に関して OEM 取り付けのものほどしっかりと管理されていないかも知れず、 通常はその市場のための最小限の要求に適合するだけであろう。

放射性エミッション規格

Figure 1: 自動車用 ESA (衛星航法ディスプレイ) とハーネスからの放射性エミッションの測定 (写真は Trafficmaster/3C Test Ltd の好意による)

95/54/EC 規格は、30MHz から 1GHz の周波数範囲を、 広帯域と狭帯域のエミッションに関して固定の試験レベルで カバーしている (Figure 2)。 このレベルはその周波数範囲にわたって連続であり、 その「絶対」限度は示される参照レベルを 2dB シフトさせている規格によって 複雑にさせられているものの、単純な合格／不合格の限度である。 ほとんどの人は示された限度に対して直接試験し、 2dB シフトされたレベルが用いられるのはエミッションが参照レベルに近すぎる時のみである。 型式認証となる場合には、 最終的な判断は認証機関 (UK で試験される製品の場合は VCA) によって与えられる。 30MHz から 1GHz の全周波数範囲を試験する必要はなく、 指令はこの範囲にわたる 13個の試験周波数 (13個の規定された周波数範囲内の) の選択を許しているものの、 これらの試験周波数は予備走査における最大のポイントから選択され、 試験ポイントを選択するのではなく全周波数範囲を走査するのが普通である。

CISPR 25 は、より広い周波数範囲 (150kHz から 960MHz) と、 広帯域と狭帯域の限度 (広帯域は尖頭値と準尖頭値の検波での限度を含む) をカバーしている。 試験レベルはこの周波数範囲内で連続しておらず、 利用されている無線周波数帯に対してのみ適用される (Figure 3)。 CISPR 25 には適用できる５種類の限度があり、これはしばしば顧客が指定するが、 特定の顧客要求がない場合 (すなわちアフター・マーケットの場合) には、 製造業者は往々にして試験を行なってその ESA が合格となる限度を適用する。

Figure 2: CISPR 25 広帯域尖頭値、及び 95/54/EC の限度線

CISPR 25 は TEM セルでの放射性エミッション試験の規定を含んでいる。 この試験は 175MHz までについてのみ行なうことができ、 ７つのクラスの限度線を含んでいる。 これらのレベルは、それぞれのクラスの限度のための TEM セルでの試験に関して、 全ての測定範囲で同一である。 より広い周波数範囲、そして同時に 95/54/EC に対する試験を行なえるという点は、 製造業者と同様、試験サービス提供者にとって チャンバーをより魅力的なソリューションとするので、 このタイプの試験は典型的には試験サービスにおいてではなく社内で実施される。

OEM 仕様は CISPR 25 チャンバー・セットアップに基づいている (低い周波数範囲については TEM 試験を認めているものもある)。 多くは欠けている測定帯域を埋めるが、 これをどのように行なうかに OEM 間での一貫性はない。 例えば、PSA は 30MHz よりも下の測定帯域の隙間を それよりも前のバンドのより緩い限度レベルで埋め (すなわち、もし 150kHz から 300kHz でクラス 4 が適用されるならば、 300kHz から 530kHz にはクラス 3 が適用される)、 30MHz よりも上の隙間では 95/54/EC の限度に 10dB を加えたものを用る。 Ford は彼ら独自の (CISPR 25 ではない) 限度値を適用し、 規格の試験セットアップのみを利用する。 大抵の OEM 仕様は、1.8GHz と 1.9GHz の GSM 周波数をカバーするために 2GHz まで、 少数は Bluetooth テクノロジーを含めるために 2.5GHz や 3GHz まで、 周波数範囲の上限を拡げている。

Figure 3: 試験周波数を 2GHz に拡げた PSA と Ford の限度線

放射性イミュニティ規格

Figure 4: 150mm ストリップラインでの自動車 ESA (EMU) の放射性イミュニティ試験 (写真は Motorola の好意による)

EU 指令 95/54/EC は、150mm と 800mm の双方のストリップ・ライン、 TEM セル (200MHz まで)、バルク・カレント・インジェクション (BCI)、 そして自由空間 (ALSE) を用いた試験を認めている。 それぞれの試験法が異なった限度を持ち、 指令は試験を規定された限度 (Table 2) よりも 25% 上で行なうべきであると規定している。 他の試験法のほとんどは 400MHz よりも上では校正が難しいので、 自由空間以外のいずれかの方法が用いられたならば、95/54/EC で要求されている 完全な周波数範囲 (20MHz から 1GHz) にわたる試験は厄介なものとなる。 放射性エミッション試験と同様、特定の試験ポイント (14個の試験ポイントが要求され、周波数帯は明示的に規定されていない) での試験が許容される。

Figure 5: グランド・プレーン上での BCI 試験 (写真は Trafficmaster/3C Test Ltd の好意による)

ISO 11452 は７部から成っており、その最初のものは一般的な定義で、 他の６個は、自由空間 (ALSE)、TEM、BCI、150mm ストリップライン、 平行平板アンテナ、そして直接 RF 注入 (Table 3) を含む、 異なった試験方法と限度である。 大抵の国際規格と同様、 製造業者や顧客が指定することができる複数のクラスの限度レベルがある； それぞれの試験方法について、典型的には４つの定義済みのクラスと 限度のない「ユーザー定義」とがある。 限度レベルは試験方法によって異なるが、それらのクラスは、 直接フィールド測定法に対して 25V/m から 200V/m、 BCI に対して 25mA から 100mA、 そして直接注入に対して 0.1W から 0.5W の範囲を含んでいる。

OEM 規格は主として ISO 11452 の方法と限度を利用している。 しばしば低い周波数 (1〜400MHz) には BCI を、 200MHz から規定された周波数範囲の上限までに自由フィールド用い、 複数のイミュニティ試験を規定することは珍しくない。 95/54/EC の 1GHz の制限を超えて拡大している多くの OEM 仕様があるが、 ISO 11452-2 で規定されている 18GHz の上限周波数までの試験を求めているものは少数 (General Motors は 10GHz まで拡げている) であり、 大抵のものは放射性エミッション規定と同一 (すなわち、典型的には 2GHz から 3GHz のあいだ) の上限を持っている。 OEM 試験は、AM と同様に連続波 (CW) 試験も用いており、 多くのものは高い周波数 (1GHz 以上) で AM の代わりにパルス変調を含めている。

伝導性エミッション

Figure 6: ESA 電源線の 50Ω/15μH LISN による伝導性エミッション試験 (写真は Trafficmaster/3C Test Ltd の好意による)

CISPR 25 では伝導性エミッションの２つの試験方法がある； 電源線エミッションのための LISN (50Ω／5μH) を介した測定 (Figure 6)、 及び信号／制御線エミッションのための電流プローブによる測定。 ここでも５つのクラスの限度線 (CISPR 25 での放射性エミッションの場合と同様) があり、 広帯域の測定については尖頭値と準尖頭値の検波での限度値を持つ、 広帯域と狭帯域の限度がある。 この伝導性エミッション試験は、150kHz から 108MHz の周波数範囲を、 ５つの規定された周波数帯でカバーする。

放射性エミッションと同様、 OEM 仕様は電源線エミッションに関して CISPR 25 の試験セットアップを利用し、 多くは省略された試験周波数帯を埋めながら、独自の限度を適用している。 OEM 仕様の中の少数のものは、試験周波数範囲を拡大している (例えば、BMW は 30kHz から 120MHz をカバーする ―― Figure 7)。 信号／制御線試験は充分に広範に規定されておらず、 多くの OEM 仕様は CISPR 25 規格でカバーされていない方法を使用し、 一部のものは音声周波数帯を除いてはそれらの線に対する試験を省略している。

Figure 7: General Motors (GM) と BMW の電源線に対する伝導性エミッション限度

伝導性イミュニティ

Figure 8: 12V 電源線に印加される誘導性トランジェント・ノイズ

Figure 9: エンジン始動中の 12V 電源上のトランジェント

Figure 10: 12V 電源上のロード・ダンプ・トランジェント

Figure 11: 結合クランプを用いた信号／制御線トランジェント試験セットアップ (写真は Trafficmaster/3C Test Ltd の好意による)

ISO 7637 規格は、現時点では、最初のものは 12V 系、２番目のものは 24V 系、 そして３番目のものは信号／制御線のイミュニティの３つのパートとなっているが、 これは現在レビューされている。 ISO レビューは既に最初のパートを一般的な定義のペーパーとして再発行しており、 おそらくは 12V と 24V の試験を第２のパートに併合し、 信号／制御の試験をパート３のままとするであろう。 最終的な試験規格はまだ発行されておらず、 レビューで残され、あるいは削除されるであろう異なったパルスがあるので、 ここでの議論はより前のセクションのものよりも一般的なものとなる。

このトランジェント・イミュニティ規格は、 自動車配線網の電源線や信号線で観察されそうなノイズを含んでいる。 これらは、次のようなものを含む： モータからの誘導性雑音、 エンジン始動や負荷投入に際しての電源のドロップアウト、 オルタネータの回転中にバッテリーが切り離された場合。 この規格には、通常の「顧客定義」レベルと共に、適用可能な４つのクラスの限度がある。 電源線トランジェント (Figure 8〜10) は電源に直接適用され、 信号／制御線トランジェントは結合クランプ (Figure 11) を介して容量的に結合させられる。

多くの ISO 自動車規格に共通な、一連の機能的分類がある (囲みを参照)。 この機能的分類は、製品をトランジェント事象中に持続して動作させるか、 あるいは単に事象中には機能せずに単に生き残るかを選べるようにする。 この機能的分類は、明らかに ESA が意図されている用途によって決定され、 パワートレイン ESA はトランジェント中に動作することが期待される (Class A) が、 遠隔監視ユニットはトランジェント中は機能を停止しても その事象の後で回復すれば良い (Class C)。

OEM 仕様では、ISO 7637 のパルスとセットアップが、 独自の印加レベルと機能分類とともに用いられている。 OEM 仕様は、彼らの車両で典型的に用いられている電源網、 モータ、そしてオルタネータに合わせてパルス形状の一部を変更しているので、 それらは、電圧レベルとパルス形状に微妙な違いのある (立ち上り時間とドゥエル・タイムは通常は OEM 仕様間で異なる)、 ISO 7637 に似たものである。

静電気放電 (ESD) へのイミュニティ

Figure 12: 電源を入れた状態での ESA のコネクタへの ESD 試験 (写真は Trafficmaster/3C Test Ltd の好意による)

この人体モデルは、 車両外における放電のために 2kΩ の直列抵抗と 150pF のコンデンサを、 車両内における放電のために 330pF のコンデンサを用いる。 ESA 本体、そしてコネクタ、及び／もしくは任意の金属固定具の双方に対する、 通常の気中、及び直接接触放電試験がある。 この規格は、組み立ての際の取り扱いのシミュレートのための、 電源を入れない (すなわち、接地リターンがない) 状態における ESA の電気的端子への気中、及び接触放電の試験も含み、 これは印加される放電のあいだに蓄積された電荷を放電することを要求している。

ISO 機能状態分類 以下で与えられる全ての分類は、総合的なデバイス／システム機能状態のためのものである。 注意： ここで用いられる「機能」という単語は、 電子システムによって達成される機能のみに関係する。 クラス A: 干渉への曝露中、及びその後に、 デバイスやシステムの全ての機能が設計された通りに機能する。 クラス B: 曝露中にデバイスやシステムの全ての機能が設計された通りに機能するが、 その１つ以上が規定された許容限度を超えても良い。 曝露が除かれた後に、全ての機能は通常の限度内に自動的に戻る。 メモリー機能はクラス A でなければならない。 クラス C: 曝露中にデバイスやシステムの１つ以上の機能が設計された通りに機能しないが、 曝露が除かれた後に、自動的に通常動作に戻る。 クラス D: 曝露中にデバイスやシステムの１つ以上の機能が設計された通りに機能せず、 曝露が除かれ、かつそのデバイスやシステムが 単純な「オペレータ／使用」アクションによってリセットされるまで、 通常動作に戻らない。 クラス D: 曝露中、及びその後にデバイスやシステムの１つ以上の機能が設計された通りに機能せず、 そのデバイスやシステムの修理、あるいは交換を行なわなければ通常動作に戻らない。

この放電レベルは ±2kV から ±25kV をカバーし、 高いレベルは主に火工系 (pyrotechnic) として分類される機器のために予約されており、 これはエアバッグ展開デバイス、そして OEM 仕様によっては燃料系を含む。 放電の最低の回数は、印加される試験パルスのあいだに少なくとも５秒を置いて、 各極性で３回と規定されている。 この規格は ISO の通常の機能的分類を含んでいる (囲みを参照)。

この自動車 ESD 規格は、OEM 仕様でほとんど普遍的に採用されている。 OEM 仕様の一部は IEC 61000-4-2 の人体モデル (330Ω 直列抵抗) を用いており、 これが OEM の誤りであるか、それとも ESA により高いストレスを印加するための熟慮の上でのものなのかを 知ることは難しい。 非通電試験はこの規格への比較的新しい追加 (2001年 12月に更新された) であるので、 現在、OEM 仕様の全てがこれを含んでいるわけではない。

Society of Automotive Engineers (SAE) 規格

Table 4: コンポーネント試験のための SAE 規格と、それらに相当する国際規格

国際標準化機関で採択されていない、いくつかの SAE コンポーネント規格がある。 採択されていない SAE 規格のいくつかは少数の OEM 仕様に含まれているが、 それらの多くは現存の国際規格に含まれている代替の試験のために除かれており、 従ってここには含めていない。

SAE 規格は、 北米の供給者が彼らの OEM 市場に適合する製品を生産できるように作成された。 SAE 規格の多くはそれに相当する国際的なものでカバーされるようになっているので、 SAE 規格を別に維持し、更新する必要があるかどうかには議論の余地がある。

試験規格の選択

欧州においては、放射性のエミッションとイミュニティに関する規格の選択は 法的な要求によって定められる。 95/54/EC の型式認証プロセスを通って、その規格への適合を証明し、 ESA に「e」マークを付けることが求められる。 これは EU 内で使用する自動車向けに意図された製品を販売するための最小限の要求であるが、 ESA が顧客に問題を起こさず、従って「悪名」を与えないであろうことを保証するために、 トランジェント・イミュニティ、ESD、 そして伝導性エミッションについても試験することが賢明であろう。

以下のものは、OEM 仕様がない場合に３つの地域での使用を推奨する試験規格である。 欧州規格の法的な性格のため、もし ESA が複数の地域で販売されるのであれば、 少なくとも 95/54/EC に対して試験を行なうべきであり、 他のものは地域の当局の要求があれば追加することになろう。

地理的市場と ESA 試験規格

欧州 EMC 試験規格

上記のもの全てが法的な要求ではなく、95/54/EC のみが法的に要求され、 車両の動作に影響しない ESA については放射性エミッション試験のみが法的な要求である。

北米 EMC 規格

上記の規格は強制されるものではないが、 この市場のための製品の設計に際して 健全なエンジニアリング・プラクティスが考慮されていることを示す。

米国においては、自動車用製品は、15.103章 除外されるデバイス、 「a) 自動車、及び航空機を含む任意の輸送用車両のみで利用されるデジタル・デバイス」 によって、FCC Part 15 規則から明示的に除外されている。

国際的な EMC 規格

SAE 規格が同等であるので、 これらの規格に対して試験された製品は北米市場でも受け入れ可能であろう。

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2004-08-30