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翻訳: T.Sato
電磁両立性 (EMC) は、電気／電子技術的が 過度の EMI を生じるレベルの電磁エネルギーを放射しないことを確かとする、 科学／技術的分野である。 それは、それらが動作中に不都合な EMI を受けないことを確かとすることにも 関係している。
数十年にわたって発展してきた、EMC のための伝統的なアプローチは、 あらかじめ定められた単純な試験を、 新しいデバイス、製品、機器、システム、あるいは設備に適用する。 これらの試験は通常は「EMC 試験所」で行なわれるが、 時にはオンサイト (in-situ) で行なわれ、 それらはその設計上の考慮全てを、 そしてそれらが予期されるライフタイムにわたって その電磁特性を維持できそうかどうかを無視する。
「機能安全」の達成は、 動作の誤りや機能不全に基づく安全上のリスクが許容できるよりも悪くない状態が、 予期されるライフタイムにわたって維持されることを意味する。
従って、その誤りや機能不全が安全に影響し得る デバイス、製品、機器、システム、あるいは設備で電子技術が用いられる時、 EMC が機能安全工学の重要な側面となる。
その期間のあいだ、その電磁特性 (エミッションとサセプティビリティ) が、 少なくとも適度に維持されなければならない。
EMC を別として、機能安全のその他の全ての分野 (ソフトウェア工学を含む [1]) は、 試験のみではデューディリジェンス (due diligence) を達成できないことを 受け入れるようになっている。 その代わりに、仕様、設計、実現 (例えば生産、設置など)、 ベリフィケーション、バリデーション、保守、修理、更新、 そして改造をそのライフタイムにわたって管理する、 リスクマネジメントアプローチが必要である。
だが、これまで、この理解は機能安全のための EMC には適用されてこなかった。 1995年以来提起されている懸念 [2] にもかかわらず、依然として、 ほとんどの安全技術者は、単に伝統的な EMC 試験を、 おそらくはやや高い試験レベルで適用するだけで充分であると誤って信じている。
この短い記事は、なぜ EMC のための伝統的なアプローチだけでは 機能安全のためのデューディリジェンスを達成できないかを述べ、 IET の機能安全のための新しいガイド [3] で詳述されている 包括的な EMC リスクマネジメント手法を紹介する。
この短い記事で「機能安全に関係する、電気／電子技術を用いた デバイス、製品、機器、システム、あるいは設備」 というフレーズを繰り返すことを避けるために、 [3] で用いられているのと同じ意味で、その代わりに「EFS」という用語を用いる。
だが、全ての電子技術は、EMI に伴って、 誤り、機能不全、そして恒久的な損傷さえも被り得る。 それに加えて、ほとんど全ての「電磁環境」 (ある場所で発生し得る全ての電磁現象の総計) は、 電子技術の使用の増加に伴って悪化を続けている。
全ての現代的な電子技術は、非常に多数の微小なトランジスタを含む デジタル集積回路 (IC) に依存している。 IC 製造業者は、「ムーアの法則」 [4] で述べられているように、 これらのトランジスタの寸法を縮小させ続けている。 この縮小、そしてそれと関係する動作電圧の、従って論理閾値の低下は、 それらを EMI に影響され易くする。 従って、いくつかの理由から、 機能安全の達成のための EMI の重要性は増大している。
出版された安全規格は、それをカバーしているとしても、 通常は EMC を極めて不完全にしか扱っていない [5][6][7]。 特定の EMC 要求を含む少数のものは、後述のように、 機能安全のためには充分なものとなり得ない伝統的な EMC イミュニティ試験を 単に適用するだけである。
結果として、その製品が最小限の規制上の要求、 及び／もしくは IEC 61000-4-x シリーズのイミュニティ試験のような 伝統的な EMC 試験に適合する EFS 製造業者は、 機能安全のための EMC を適切に管理しておらず、 従ってその顧客、第三者、そして彼ら自身のリスクを管理できていない (Figure 1)。
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| Figure 1: EMI による安全上のリスクの増大 |
実質的に [9] の「失われた EMC のセクション」である [8] や、 IET の非常に包括的で実際的な新しいガイド [3] を含む、 この問題を正しく扱う最近の発展がいくつかある。
だが、伝統的な EMC 試験は全ての故障を無視し、 完全な EFS の試料のみを試験する。 試験所に送られた EFS が不良品であることがわかったならば、 その不良は直されて完全な試料が試験される。
だが、EMC のための伝統的なアプローチは、 EFS は常に取扱説明書に完全に従って使われるものと仮定する。
一部の EMC 専門家は、伝統的な試験チャンバーにおける、 大きく、予測できない測定不確かさを示唆している [13][14]。 リバブレーションチャンバーはより現実的な試験を与えることができ [15][16]、 この理由から、多くのフライトクリティカルアビオニクスの製造業者によって 用いられている。
現実の電磁環境は非常に広範囲の変調の種類と周波数の現象を含み、 [17] と [18] は、 EMI の変調が電子プロセスで用いられている周波数や波形に対応し、 あるいは回路、ケーブル、トランスジューサ、あるいは負荷と共振する時、 イミュニティが顕著に (例えば 20dB 以上) 低下し得ることを示す。
RF イミュニティのための変調の重要性は 数十年にわたる軍事電子戦において良く知られており、 EFS に明らかに関係するが、 一部の規格で試みに扱われ始めたところである [19][20]。
無線送信デバイスの急激な増殖に伴い、 同時に発生する電磁現象はより起こり易くなっており、 これはほとんどの組織と同様に一度には１つのみが発生すると仮定してきた ICNIRP [21] が懸念している発展である。
同時に発生する異なる周波数の現象は、 (変調と同様) トランジスタのような非線型デバイスで自ずと発生する、 相互変調による EMI を引き起こし得る。 Figure 4 は、次のような形で EMI を引き起こし得る、 異なる周波数の２つの RF フィールドの簡単な例を示す：
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| Figure 2: 復調と相互変調の例 |
相互変調の可能性の例として、EMC への伝統的なアプローチが、 例えば 80MHz から 5GHz までの、 1kHz 変調された単一の周波数の放射電磁界でユニットを 試験させるであろうことを考えよう。 そのような試験に際して、 放射電磁界の周波数がマイクロプロセッサのクロックの５次高調波、 例えば 160MHz と一致した時にのみ、 我々のユニットが感受性を持つことを見出すかも知れない。 そこで、良き EMC 技術者として、160MHz で有効なフィルタとシールドを追加し、 全周波数範囲で試験に合格させられるようにする。 不合格となったのは 160MHz のみであるので、それは必要ではないが、 そのフィルタとシールドは 実際には 16MHz から 1.6GHz の範囲にわたるイミュニティを改善する。
だが、現実では、我々のユニットは、 非常に混雑するようになっている免許不要 2.45GHz 帯の多数の放射電磁界に曝され、 これはユニット内に入ってそのトランジスタやダイオードで相互変調され、 我々が追加したフィルタやシールドの「保護された側」で、 回路内に新たな周波数を生じる。 その新たな相互変調積のいずれかが 160MHz で生じれば、 そのユニットはその周波数で特に敏感であるので、機能不全を生じ得る。
現実では、ユニットの全てのポートが同時に、だがやや異なる遅れ時間で、 電磁現象に曝される。 だが、伝統的なイミュニティ試験は、一度に１つのポートのみを試験する。
実験では、ユニットのケーブル・ポート全てに同時に、 現実でそれらのあいだに予期されるものに相当する遅延を設けて、 電磁現象の注入が行なわれた。 それは、伝統的な形で一度に１つのケーブルが試験された時よりも イミュニティが顕著に悪化し得ることを示した。
残念ながらこの作業は (まだ) 公表されていないので、参照は示していない。
物理的影響は、 即時的(例えば隙間を開けてシールドを悪化させる平坦でない取付面)なものから、 長期的(例えばシールドの継目やフィルタのグランド接続の腐食)なものにわたる。 [23] はこの性質の現実の問題をいくつも述べる。
[24] は、フィルタの定格範囲内の環境温度、電源電圧、そして負荷電流によって、 伝統的なイミュニティ試験の結果と比較して、 フィルタの減衰の 20dB に達する悪化が引き起こされ得ることを示す。
EFS 製造業者の一部は、そのライフサイクルにわたって 機能が維持されることを確かとするために高加速寿命試験を行なっているが、 通常は、「老化させられた」ユニットは、ほとんど確実にそうなるであろうように その電磁性能が劣化していないかどうかを見るために試験されない [25][26]。
このアプローチはコストと時間に関して非常に浪費的であり、往々にして、 良い電磁設計テクニックが最初から用いられた場合にそうなるであろうよりも 費用効果の良くない結果となる。
機能安全の観点から、より心配なことは、このアプローチは、 (最終的な) 合格が良い電磁設計工学によって達成されたのか、 あるいは量産では適切に管理されない何かによってなのかを 明らかにしないかも知れないことである。
コンポーネントの許容差、半導体のダイシュリンク、 組み立て上の変動 (例えばケーブル・ハーネス、接地など)、 陳腐化したコンポーネントの交換、ファームウェアのバグフィックス等々によって その電磁的特性が劣化することを EFS の設計が許容するならば、 １つかそれ以上のユニットが EMC 試験に合格したという事実は、 顧客に供給された EFS の電磁特性に関して何も意味しない。
EMC試験所のマネージャらは、正しく機能する製品が 「組み立て不良」のために EMC 試験に不合格となることは珍しくないと著者に語った。 ほとんどの製造業者は、 機能に直接影響する組み立て上の誤りを見付けるために完成品試験を行なうが、 通常は、機能に間接的に影響し得る電磁特性の劣化を見付けるであろう ルーチン試験を行なわない。
その結果は、EMI に伴う許容できない安全上のリスクを持つかも知れない 劣化した電磁特性を持つ EFS が、顧客に供給され得るということである。
この仮定は、適当な EMC 試験所が僅かしかない、 あるいは困難でコストを要する in-situ での試験を必要とするであろう、 大型の EFS の試験のコストの低減を助ける。
だが、個々の製品やサブ・システムの EMC 試験結果と、 それらを含む機器、システム、そして設備に対して行なわれた 同一の試験の結果とのあいだの一致は良くないことがしばしばわかる。
これは、サードパーティ製品から作られ、 個々の製品がそうであったという理由だけから 妥当な電磁特性を持つと仮定された EFS の機能安全に顕著な関係を持つ。 そのような仮定には保証はなく、デューディリジェンスの達成を助けられない。
より低いレベルは通常は現実でより起こり易く、 それで試験した時の EFS の特性は、最大のレベルで試験した時よりも、 機能安全のためにより意味のあるものとなり得る。 だが、試験の時間とコストの節約のために、 大抵のイミュニティ試験は最大のレベルでのみ試験するので、 安全上のリスクに影響し得る重要な電磁特性を見落とし得る。
より高い振幅をも発生させようとすると 試験機器の価格が極めて急激に増大するという事実以上の理由はなしに、 通常のものを２倍した、すなわち 6dB 高いレベルでの試験が、しばしば示唆される。 例えば軍事やフライトクリティカルアビオニクスのように、産業界によっては、 その電磁環境で経験し得る最大レベルが包括的な調査によって測定され、 通常はそのレベルは非常に高価な試験機機、あるいは 無響室の代わりのリバブレーションチャンバーのような新しい試験方法を用いて 実際の試験中に適用される [19]。
だが、最悪の電磁環境に対応する試験振幅の全面的な適用でさえも、 特定の変調や相互変調の周波数、老化、摩耗、故障、誤使用などに曝された時の 電磁特性の問題を扱えないかも知れない。
例えば、ある EFS が高性能シールド・エンクロージャ、 例えば 1MHz から 1GHz の放射電磁界の 60dB の減衰を達成するものによって、 その電磁環境内の放射電磁界に対して全面的に保護されているとしよう。
もしそのシールド構造の設計が物理的／気候的環境に対して適切でない、 あるいは特定の調整部により容易にアクセスできるように 誰かが扉を開いたままにしたならば、 エンクロージャによって提供される 60dB の減衰全てが即座に失われ得る。 そのような可能性を試験によってカバーすることは、 その環境における最大振幅の 1,000倍高いレベルで試験する、 あるいはエンクロージャのシールド減衰を適度に劣化させて ――例えば扉を開いたままとすることによって予期される誤使用を模擬して―― 試験することを意味する。
例えば、次の妨害に曝された時に EFS が頻繁過ぎる機能不全を生じないであろうことを証明する 試験プログラムを作ろうとすることを考えよう：
安全工学は、EFS の全ライフタイムにわたり、 安全上のリスクが許容できるレベルであることを確かとしようとする。 例えば： 公衆を年に 10,000人に 1人よりもかなり少ない死のリスクに、 あるいは労働者を年に 1,000人に 1人よりもかなり少ない死のリスクに曝す。
これらの低レベルのリスクは、安全工学全てにわたって共通の、 そして上の例から明白な問題を生じる。 EFS (あるいはその構成部品) の試験のみに頼ることは、 許容できる安全上のリスクの達成の充分な確信を得るために必要となるであろう 「デューディリジェンス」試験の量の大幅な拡大を必要とする 多次元の問題空間を生じる。
この問題の克服のために、安全技術者はより賢明になることを学んできた： 証明済みの良い設計工学と 広範囲のベリフィケーションとバリデーションのテクニック (試験を含むが、それに限られない) を伴う、 リスクマネジメントに基づくアプローチの使用。
これらのアプローチは、 許容できる安全上のリスクを達成するであろうという充分な確信を、 費用効果が良く、時宜を得た形で与え得る。 安全クリティカルなソフトウェアの技術者は、これを行なうことを、 1990年台後半に、アカデミックや専門家によって行なわれた相当量の作業 (例えば [1] に帰着した) の後で学んだ。
だが、EMC 技術者にとって、[8] や [3] はこの方向での最初の一歩である。
IET の新しいガイド [3] は、 機能安全のための EMC の評価のための能力を発展させようとする 製造業者、機能安全アセッサ、そして EMC 試験所に 通常は顕著な学習曲線を必要とさせるであろう、 機能安全のための EMC のためのリスクマネジメントアプローチを述べる。
このアプローチは、 このガイドの Figures 0.2 と 0.3 で 0〜9 の番号が付けられた 10段階の基本的なステップを持つ。 このガイドのステップ0は問題の梗概で、リスクマネジメントアプローチ全体の、 任意の有能なマネージャがすぐに実行できるような充分に詳細な説明であり、 ステップ1から9は任意の有能な技術者がすぐに実行できるような 実践的な手法とその文書化の充分に詳細な説明である。 このガイドは、EFS 製造業者が目指すリスクの程度に応じて どの程度の詳細と努力が必要であるかも示す。
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| Figure 3: 「単純な」 EFS のための
機能安全プロセスのための EMC の概観 EFS は、安全への直接的な影響を持つ１つ以上の機能を与える、 電気／電子技術を用いた任意の実体である |
IET のガイド [3] は、その「失われた EMC 附属書」として使用できるように IEC 61508 [9] の用語を用いて書かれた、 [8] の詳細な実践的インプリメンテーションである。 だが、[3] は、 プロジェクトでどの機能安全規格が用いられる、あるいは用いられないとしても、 それを使用できるようにするような用語を用いて書かれた。 これは、[3] を、例えば医用機器産業の ISO 14971 のもとでの、そして 自動車産業の ISO 26262 (現在はドラフト) のもとでの使用のために有用にする。
IET は非常に親切なことにこのガイド [3] を誰でも無料で入手できるようにしたので、 そのステップについての以下の説明は非常に簡潔なものである。
EFS の電磁的アセスメントは合理的に予期される以下のものを含むべきであるが、 それに限定されない：
統計的分析が理想的であろうが、それは通常は現象のタイプ (例えば Figure 4)、 その最悪条件のレベル、そしてどれが同時に発生し得るかを ある程度の確信で決めることのみが可能である。
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| Figure 4: 予期し得る電磁現象の例 |
EFS に組み込まれるユニットのための電磁安全規定は、 EFS によって適用される、あるいはそれと組み合わせて用いられる 任意の電磁的、あるいは物理的緩和手段 (例えばシールド、フィルタ、サージ抑制、防振マウント、強制空冷など) を考慮して、上から導かれる。
多くの EFS 製造業者は既にリスクアセスメント手法を用いているが、 「機械的」に行なう傾向があり、 これは機能安全専門家によって推奨されていない [31][32] ―― そして、彼らは (誤って) それは伝統的な EMC 試験のプログラムで完全に扱われていると信じ、 勿論、これらのテクニックを EMC に適用していない。
このガイド [3] のステップ4は、 これらの用語で考えることに慣れていない人が速やかに学ぶことを助けるための、 26ページにわたって詳述された、 使用できるいくつもの証明済みの EMC 及び物理的／気候的工学テクニックを含む。
ステップ4は、2つ以上の独立した機能不全や故障は常に起こりそうになく、 「単一故障」問題のみを考慮する必要があるという、 リスクアセスメントにおける共通の、だが誤った仮定を述べるセクションも含む。
それは、適切な設計テクニックの使用によって達成すべき、 ベリフィケーションとバリデーションでの大幅なコストと時間の節約を可能とするために、 ステップ4と並行して行なわれるべきである。
機能安全工学は、そのいずれもがそれだけでは充分ではない、 以下のものを含むベリフィケーションとバリデーションのテクニック [33] の混合を用いる：
それは、EFS の電磁的、物理的、そして気候的特性が ライフタイムにわたって劣化しないことを確かとするための、 保守、修理、改修、改造、そして更新 (ソフトウェアやファームウェアを含む) における適切なテクニックの使用も含む。
IET のガイドの追加の題材は、以下のものを含む：
[2] D A Townsend et al, "Breaking All the Rules: Challenging the Engineering and Regulatory Precepts of Electromagnetic Compatibility", 1995 IEEE International EMC Symposium, Atlanta, pp 194 - 199.
[3] IET, "Guide on EMC for Functional Safety", 2008, http://www.theiet.org/factfiles/emc/index.cfm
[4] Moore's Law: visit http://www.intel.com/technology/mooreslaw/ and/or http://en.wikipedia.org/wiki/Moore's_law
[5] Keith Armstrong, "New Guidance on EMC-Related Functional Safety", 2001 IEEE International EMC Symposium, Montreal, Aug. 13-17, ISBN 0-7803-6569-0/01, pp. 774-779.
[6] Keith Armstrong, "New Guidance on EMC and Safety for Machinery", 2002 IEEE Int'l. EMC Symposium, Minneapolis, Aug. 19-23 2002, ISBN: 0-7803-7264-6, pp. 680-685.
[7] Keith Armstrong, "Review of Progress with EMC-Related Functional Safety", 2003 IEEE EMC Symposium, Boston, Aug. 18-22 2003, ISBN 0-7803-7835-0, pp 454-460.
[8] IEC TS 61000-1-2, basic safety publication, draft second edition, 77/356/DTS February 2008, "Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part 1-2: General - Methodology for the achievement of the functional safety of electrical and electronic equipment with regard to electromagnetic phenomena."
[9] IEC 61508, basic safety publication, "Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems" (seven parts).
[10] Keith Armstrong,
"Why EMC Immunity Testing is Inadequate for Functional Safety",
2004 IEEE Int'l EMC Symp., Santa Clara, Aug. 9-13 2004,
ISBN 0-7803-8443-1, pp 145-149.
Also: Conformity, March 2005,
http://www.conformity.com/artman/publish/printer_227.shtml
[11] Keith Armstrong, "Functional Safety Requires Much More Than EMC Testing", EMC-Europe 2004 (6th International Symposium on EMC), Eindhoven, The Netherlands, Sept. 6-10 2004, ISBN: 90-6144-990-1, pp 348-353.
[12] Keith Armstrong: "EMC in Safety Cases - Why EMC Testing is Never Enough", EMC-UK 2007 Conference, Newbury, UK, Defence & Avionics session, October 17, 2007.
[13] L. Jansson and M.Backstrom, "Directivity of Equipment and its Effect on Testing in Mode-Stirred and Anechoic Chamber", IEEE Int'l EMC Symposium, Seattle, WA, Aug. 1999.
[14] G.J.Freyer, "Distribution of Responses for Limited Aspect Angle EME Tests of Equipment with Structured Directional Directivity", The 2003 Reverberation Chamber, Anechoic Chamber and OATS Users Meeting, Austin, TX, April 2003.
[15] G.J.Freyer and M.O.Hatfield, "An Introduction to Reverberation Chambers for Radiated Emission/Immunity Testing", ITEM 1998, www.interferencetechnology.com/ArchivedArtcles/shielded_rooms_and_enclosures/I98art15.htm?regid=
[16] G.J.Freyer, "Considerations for EMC Testing of Systems with Safety and/or Reliability Requirements", EMC Europe 2004, Eindhoven, The Netherlands, Sept. 6-10 2004.
[17] S.Wendsche and E.Habiger, "Using reinforcement learning methods for effective EMC immunity testing of computerised equipment", Proc. Int. Symp. EMC (ROMA'96), Rome, Italy, Sept 1996, pp.221-226.
[18] R.Vick and E.Habiger, "The dependence of the immunity of digital equipment on the hardware and software structure", Proc. Int. Symp. EMC, Beijing, May 1997, pp 383-386.
[19] RTCA/DO-160F, "Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment, Section 20, Radio Frequency Susceptibility (Radiated and Conducted)", www.rtca.org.
[20] DaimlerChrysler Joint Engineering Standard DC-10614, "EM Performance Requirements - Components", 2004-01.
[21] "ICNIRP Statement on EMF-Emitting New Technologies", G.Ziegelberger, published by the Health Physics Society, 94(4):376-392; 2008, 0017-9078/08/0, from: http://www.icnirp.de/PubEMF.htm
[22] Michel Mardiguian, "Combined Effects of Several, Simultaneous, EMI Couplings", 2000 IEEE Int'l EMC Symp., Washington D.C., Aug 21-25, ISBN 0-7803-5680-2, pp.181-184.
[23] MIL-STD-464, "Electromagnetic Environmental Effects - Requirements for Systems", Department of Defense Interface Standard, March 18 1997.
[24] F Beck and J Sroka, "EMC Performance of Drive Application Under Real Load Condition", Schaffner Application Note 11 March 1999; EMC Zurich, 2001; Power Quality, June 2001.
[25] Lena Sjogren and Mats Backstrom, "Ageing of Shielding Joints, Shielding Performance and Corrosion", IEEE EMC Society Newsletter, Summer 2005, http://www.ieee.org/organizations/pubs/newsletters/emcs/summer05/practical.pdf
[26] John Terry, "The Design of Military Equipment Enclosures to Minimise the Effects of Corrosion", EMC-UK 2005 Conference, Newbury, Oct 13-14, pp 85-88
[27] "Assessing an EM Environment", Technical Guidance Note No. 47, EMC Test Labs Association (EMCTLA), http://www.emctla.co.uk/Pages/TechGuideMain_new.html
[28] Keith Armstrong, "Specifying Lifecycle Electromagnetic and Physical Environments - to Help Design and Test for EMC for Functional Safety", 2005 IEEE Int'l EMC Symposium, Chicago, Aug.8-12 2005, ISBN: 0-7803-9380-5, pp 495-499.
[29] Keith Armstrong, "Design and Mitigation Techniques for EMC for Functional Safety", 2006 IEEE International EMC Symp., Portland, Aug.14-18 2006, ISBN: 1-4244-0294-8.
[30] IEC 60300-3-1 "Dependability management - Part 3-1: Application guide - Analysis techniques for dependability - Guide on methodology"
[31] Erik Hollnagel, "The Reality of Risks", Safety Critical Systems Club Newsletter, Vol. 17, No. 2, January 2008, pp 20-22, http://www.safety-club.org.uk
[32] Tim Kelly, "Are `Safety Cases' Working?", Safety Critical Systems Club Newsletter, Vol. 17, No. 2, January 2008, pp 31-33, www.safety-club.org.uk
[33] Keith Armstrong, "Validation, Verification and Immunity Testing Techniques for EMC for Functional Safety", 2007 IEEE International EMC Symposium, July 9-13 2007, Honolulu, Hawaii, ISBN: 1-4244-1350-8
[34] W.H.Parker, W.Tustin, T.Masone, "The Case for Combining EMC and Environmental Testing", ITEM 2002, pp 54-60, http://www.interferencetechnology.com/ArchivedArticles/test_instrumentation/i_02_10.pdf?regid=
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: 2009-05-05