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EMC の物理的基礎 ― 第4部

by Eur Ing Keith Armstrong CEng MIET MIEEE ACGI, Cherry Clough Consultants

翻訳: T.Sato

8 製品の内部のクロストークと「内部 EMC」問題

Figure 43
Figure 43: グッド EMC 設計プラクティスを用いない場合のプロジェクト活動図の例

Figure 44
Figure 44: グッド EMC 設計プラクティスを用いる場合のプロジェクト活動図の例

Figure 45
Figure 45: Figure 43 と 44 のプロジェクトの財務的リスクの比較

EMC 適合に関しては、我々は機器と外部電磁環境とのあいだの電磁的相互作用のみを考える。

だが、電磁的相互作用は 製品や機器の内部のデバイス、コンポーネント、トレース、そしてワイヤのあいだでも生じ、 それらが設計の何度ものやり直しや出荷までの時間に影響することから、それらにも関心を持つ。 我々は、それらが信頼性に、従って保証コストに、 そして顧客の認識に、従って将来の販売に容易に影響し得ることからも、それらに関心を持つ。

バナナの皮 [9] は、良くない EMC エンジニアリングのために多くの金を、 ことによると企業全てさえも失った企業の多くの例を含む。 これらの例は、技術者が管理職にその話題を真剣に考えさせようとすることを助けられる。

この問題を「内部 EMC」と呼べるかも知れない。 世界中の EMC コンサルタントは、数十年にわたり、設計者に 全体としての金と時間を節約し、財務的なリスクを低減するために、 どのようなプロジェクトの最初からも良い EMC エンジニアリングを用いさせようとし、 通常は非常に良くない反応 ――その試みを止めさせるような―― を得ている。

さて、私は20年にわたってこのドラムを打ち鳴らし続けており、 まだあきらめていない [26]。 [26] に Figure 43、44、及び 45 を加えたものが、 そのメッセージを届けることを助けられるかも知れない。 今日の全てのビジネスと同様、問題となるのは金だけであり [27]、 従って管理者と議論するためには、技術者としては、 彼らが理解できる言葉 ――金、時間、そして可能性―― に書き直さなければならない。 全く奇妙なことに、それはあたかも様々な賭事のオッズを議論しているようなものとなる。

Figure 46
Figure 46: 内部 EMC と外部 EMC

さて、EMC の物理の話に戻ろう。 この短い記事のシリーズの題材は、 問題が「外部」と「内部」のいずれの EMC であっても等しく当て嵌まる。

内部電磁相互作用は伝統的にはクロストークと呼ばれ、 浮遊容量や浮遊相互インダクタンスの用語で、 すなわち集中分析アプローチ (第1部 [8] の第3章を参照) で分析された。 だが、これは被害者がノイズ源からの電界/磁界エミッションの近傍界にある時にのみ働く。

我々が現在用いている高周波 (例えばクロック高調波) は 我々が設計する機器内の一部が遠方界にあるほど短い波長を持ち、 機器内のワイヤとケーブル、PCB トレース、放熱器、そしてデバイス自身さえもが 非常に効率的な偶発的アンテナとして振る舞い得るので、 伝統的なクロストークは現代の設計のためには往々にして不充分である。

遠方界と共振電磁相互作用は集中分析法では予測できないことを覚えておくこと。

だが、内部 EMI はクロストークだけではない： Figure 46 に図示するように、ノイズ、S/N 比、ノイズ・マージン、アイパターンの潰れ、 オーバーシュート、リンギング、ダブル・クロッキングなどもその側面である。

9 電磁現象の種類、そしてそれらがどのように干渉し得るか

電磁現象の評価のためのガイドの１つは、 EMC Test Labs Association によって TGN 47 [28] として発行された 非常に有用な技術ガイダンス・ノートである。

9.1 全ての金属構造と導体に結合する電磁現象

この EMC の物理的な基礎のシリーズで「導体」という単語を書く時、 常に、電気を運ぶことができるであろう任意のもの、 例えば金属構造、ブラケット、シャーシ、ワイヤ、ケーブル (電力、データ、信号、制御など)、 PCB トレース、水 (蒸留されたもの以外) などを意味する。

9.1.1 サージ・トランジェント

Figure 47
Figure 47: リレー・コイルに給電するワイヤからの誘導サージの例

Figure 48
Figure 48: IEC の3種類の試験サージ

全ての導体は、IEC 規格の言い方では「サージ」 (アメリカではこの用語は IEC が電圧変動と呼ぶものを意味するので注意) と、 あるいはより口語的には「スパイク」、時には単に「トランジェント」と呼ばれる、 過渡過電圧からのノイズの電流と電圧を拾い上げる。

それは通常は、近傍の雷雨 (雷雨がないときの雲間放電によってさえも)、 リアクティブ負荷 (例えば電動機、リレーや継電器のコイル、 ソレノイド、コンデンサ、長い電力線 (特に高圧配電線) など) のスイッチング、 事故除去 (例えばヒューズ、ブレーカなど) によって引き起こされる。

サージは、導体に直接注入され (例えばリレー・コイルやソレノイドのエネルギー開放時)、 あるいは第2部 [17] の第5章で述べた4つの結合手段の1つ以上によってそれらに結合し得る。 Figure 47 は、コイルのスイッチが切られた時に リレー・コイルに給電していたワイヤのペアと束ねられたワイヤに誘起されたサージ波形を示す。

サージ波形には無限の多様性があり、全てが電子回路に異なる影響を与えるが、 IEC 試験規格は3つのみを用いる： 全てを Figure 48 に図示した、単方向、振動波、リングウェーブ。

全ての電力システムはトランジェントに悩まされ、 その一部はその電力を発生する、あるいはそれから給電される機器の種類に関係する。 従って、経験し得るトランジェントの無数の多様性を模擬しようとして IEC のものと異なる少数の種類のトランジェントを規定する特別な試験規格 (例えば自動車のための ISO 7637) がある。 古い自動車は DC 12V バッテリー電源システム上に ±200V (あるいはそれ以上) のサージを生じることがあったが、 現代的な自動車では電子機器全ての保護を助けるために取り付けられている 多数のサージ防護デバイスのため、そのレベルは低くなっている。

雷防護システム ([29] の 5.13章を参照) の一部として正しく設置された サージ・アレスタによって保護されていない AC 電源で生じるサージは、 絶縁降伏、通常は電源ソケットの背面の端子での弧絡の電圧によってのみ制限される。 世界のほとんど全ての国で用いられる単相ソケットは ±6kV 前後 (それ以上となり得る) で弧絡する傾向があるが、 大型の三相ソケットのみで単相ソケットのない三相電源は ±12kV 以上で弧絡するかも知れない。

勿論、ほとんどの製品規格は、 その標準化委員会で「合意」された「経済的／技術的妥協」のため、 ±2kV までの主電源サージでのみ試験する。

9.1.2 電気的高速トランジェント・バースト

Figure 49
Figure 49: スパークからの高速トランジェント・バースト

Figure 50
Figure 50: 未知のスパークからの高速トランジェント・バーストの例

スパークによって引き起こされる、 数マイクロ秒から数秒続くバーストとして生じる早いランダムなトランジェントがある。

スパークはほぼ直流から可視の範囲に至る全電磁スペクトラムにわたってノイズを放射し、 広帯域近傍界プローブでその非常に近くで測定すればこの広帯域を見ることができる。 Figure 49 を参照。

だが、スパークからある程度離れると、我々が見そうなものは、 高速トランジェント・バーストのランダム・ノイズでエネルギーを与えられた、 スパークを引き起こした誘導性フライバックを生じるように遮断された電流を運ぶ ケーブルの偶発的アンテナ効果と、 そのノイズを拾い上げる導体の偶発的アンテナ効果とが重なり合ったものである。

Figure 50 は、[30] から取られた、大きなサーバー室において GHz 広帯域アンテナと 1.8GHz 8GS/s オシロスコープで測定された 未知のスパーク事象からの高速トランジェント・バーストの例を示す。

電力のスイッチングによって引き起こされる任意の/全てのスパークは そのような高速なトランジェント・バースト・ノイズを引き起こすが、 その電力は非常に大きい必要はない。 そのオン/オフのスイッチが 不連続エミッションに対する CISPR 14-1 (EN 55014-1) 限度に その製品を不合格とさせるのに充分な、 230V で 15mA を消費する電源表示灯を見たことがある。

遠隔電源の電動車両 (例えば電車、路面電車など) で用いられる パンタグラフと摺動接点は始終スパークし、 電気的高速トランジェント・バーストを引き起こすだろう。 それらは通常は悪天候時、時に氷結している時には悪化する。

最近、時速300マイル程度の素晴らしい速度で走っている フランスの TGVのビデオを見た (それは一般の乗客なしでの実験であった)。 地上をその速度で走る数百トン全ての壮観は別として、 そのパンタグラフが持続的に大きなスパークを撒き散らしているという事実に特に気付いた。 彼らがこれを日常的に運用することを計画しているのであれば、 おそらくは架線から電力を受け取るためのテクニックを改善する必要があるだろうと 考えたことを覚えている。

電力導体の接続不良は、 僅かなフィズ音として聞こえるかも知れない持続的な低レベルのスパークを生じる。 これは、非常に広い地域にわたって GHz 帯の衛星通信に干渉することが知られている、 持続的な電気的高速トランジェントを生じる (バナナの皮 No.5 [9] 参照)。

9.1.3 非常に高速なトランジェント

Figure 51
Figure 51: 小さい金属の放電からの非常に高速なトランジェントの例

これらは、しばしば人からの静電気放電によって引き起こされるような、 単発の事象となる傾向がある。 だが、それらは、材料加工に際しての摩擦帯電効果 (コピー機やプリンタでの大きな問題)、 あるいは何らかの機械の一部である絶縁材が摺動する時 (例えばモーターのプラスチック製ベアリング、ゴムの駆動用ベルトやコンベア・ベルト、 プラスチック製プーリーなど) によっても引き起こされる。

Figure 51 は帯電した硬貨が他の硬貨に触れた時に放出されたノイズを示す。 その事象が測定されたサーバー室内の共振／反響によって生じた、 その事象によって引き起こされたリンギングは、遥かに長く続くことに注意 [30]。

[30] とその他の多くのものの著者である、 EMC と ESD に関して真に卓越した Doug Smith は、 硬貨の入った袋を振って安価な近傍広帯域 GHz ノイズ源を作った。 彼は額面の小さい硬貨のみを用いてコストを抑えているが、 それが好みであればソブリン金貨やクルーガーランド金貨を用いることもできる。

Figure 51 の ESD 事象の立ち上がり時間は 200ps と測定されているが、 測定システムの立ち上がり時間 (1.5GHz オシロスコープの理論的な立ち上がり時間は 212ps) のため、 それはほぼ確実にこれよりも短いことに注意されたい。 通常の ESD 試験機 (例えば IEC 61000-4-2 用の) は 700ps よりも早くない立ち上がり時間を持つが、 現実の立ち上がり時間はこれよりもかなり早くなり得ることは明らかである。

130nm 以下のシリコン・プロセスを用いた最新の IC は 100ps 程度でスイッチし、 従って同様の (あるいはより長い) 立ち上がり時間の ESD 事象に反応し得るし、 45nm 以下のものは 100V 以下の電圧で混乱あるいは恒久的な損傷さえも生じ得るので、 これは重要である [31]。

導体に直接放電する ESD 事象は ±35kV (非常に乾燥した気候で) までの電圧を持ち得る。 メンブレン・キーボードの 0.5mm ポリカーボネート層を通して飛ぶ ESD の 問題を抱えていた可哀想な設計者に、 それは少なくとも ±20kV あるに違いないと話したことを覚えている。 そして、バナナの皮 No.418 [9] は、人気のある履物が病院で ±25kV を生じ、 医療機器に干渉したことを述べている。

だが、空気の相対湿度が 25% 以上の時は、±8kV までがより典型的であり、 より小さい電圧が統計的に多くなる。 ピーク ESD 電流は数十アンペアになり得る。

人々は通常は ±3.5kV 程度以下の人体 ESD 事象 (大抵は指からの) には気付かないが、 より高い電圧は大抵は不随意の筋肉反応をもたらし、 さらに高くなるとおそらくはきまりの悪いことになる不随意の発声をしばしば生じる。 これは、我々全てが、それに気付くことさえなしに 3.5kV までで 電子製品や機器を攻撃して回り、あるいは携帯型機器を帯電させ得ることを意味する。

コンピュータ・キーボードは全てプラスチックで作られており、 直接印加された ESD 試験は通常は ±8kV までで放電を起こせない。 だが、IEC 61000-4-2 試験中の近傍の垂直／水平金属板への 「間接」放電からの電界や磁界とトレースとの結合のため、 キーボードの IC に接続された PCB トレースが ±100V の非常に高速なトランジェントを受けているのが測定されている。 これは、直接放電しない近傍の ESD 事象が、 依然として混乱や損傷さえも引き起こし得るノイズを回路に結合させ得ることを示す。

9.1.4 連続的な低周波電圧/電流ノイズ

EMC の言い方では、「低周波」は通常は 150kHz よりも低い全てのものを意味するが、 私は 5MHz よりも低い全てのものを「DC」と呼ぶマイクロ波技術者と仕事をしたことがある。

AC 主電源全ては今は歪んだ波形を持ち、高調波と中間高調波の電流を運ぶ。 中間高調波電流は主電源周波数と関係しない低周波であり、 主として可変速 AC モーター・ドライブによって引き起こされる。

これらの電圧と電流は、 保護接地構造 (しばしば「安全接地」と呼ばれる) の共通インピーダンス、 電界、そして磁界を介して他の導体に結合する。

Figure 52
Figure 52: 低周波と RF のノイズの例

Figure 52 は、ある主要河川の下のトンネル内の照明方式によって引き起こされたことがわかった ノイズ電流波形を示す。 これは使用されていた数メガ・ワットの蛍光灯と放電灯の高調波に支配されている。 興味深いことに、 それらのランプ全てが IEC/EN 61000-3-2 高調波エミッション限度に適合するものの、 その高調波電流の集合は照明制御スイッチギアの過熱を引き起こしていた (これが私がそこにいた理由である)。

これが、我々が CE マーキングから仮定するかも知れないものに その製品が実際に従っている (かなり多くの製品はそうではない [32]) ことを 製造業者の適合文書を確認して確かとする手間をかけたとしてさえも、 気楽な人生のために我々がすべきことは CE マークされた製品を購入することだけだと決して仮定すべきでない１つの理由である

他の周波数の電力が用いられている場合 (例えば娯楽施設の高出力オーディオ)、 近傍の導体にはその周波数の持続的な低周波ノイズも生じるであろう。

主電源導体と保護接続のあいだの絶縁故障がある時、 あるいは AC 電源と保護接続のあいだに接続された ガス放電管サージ防護デバイスの放電の後の「続流」期間中は、 導体に注入される電源周波数ノイズのレベルは主電源電圧自身と同程度 (例えば 240V rms まで) に高くなり、故障が解消するまで続き得る (数秒かも知れない)。

高圧配電の絶縁故障が生じたならば、 低周波ノイズ・レベルは数秒のあいだ kV に達し得る。

[33] は導体上の低周波ノイズの原因とその影響のもういくつかの例を示す。

路面電車と軽量軌道のシステムは一部の都市では良く普及しており、 それらが 1800年台後期には良く知られていたであろう電気技術 ――線路やケーブルで供給される電源のこと―― の使用を固持するのは残念なことである。 1つの列車のための牽引電流は容易く 1000A に達し得るし、 発生する磁界は非常に大きく、 行きと戻りの導体がかなり離れているので広範囲に広がり得る。

これは、線路を戻りとして架空電力ケーブルが用いられている場合に特に問題である。 この行きと戻りの間隔は非常に大きく、磁界は側方へ、経路に沿った建物の中へ真直に拡がる。 低周波磁界に敏感ないかなる機器 ――陰極線管 (CRT) 表示装置のような―― も、 高透磁率の金属や「アクティブ」磁気遮蔽とともに、 あるいは軌道から少なくとも 40m 離れた位置に設置した方が良い。 電子顕微鏡のような、より敏感な科学用や医療用の機器は、 適切な磁気遮蔽 (安価ではない！) とともに、 あるいは少なくとも 200m 離れた位置に設置した方が良い。

鉄道システムの電流の戻りとなるレールは大抵は埋設された接地電極に接続されるので、 地面を通して大電流が流れ、近傍の他の金属構造との相互作用を生じ得る ―― 大抵は建物に関係する構造で、腐食を加速させ、 保護接続やその他の「接地された」金属構造内の 低周波の共通インピーダンス・ノイズを増加させる。

9.1.5 連続的な無線周波 (RF) 電圧/電流ノイズ

第1部 [8] と第2部 [17] で既に述べたように、 全ての導体 (あるいは金属板のスロット) は、 電界、磁界、そして電磁波に対する偶発的アンテナとして振る舞う。 従って、それらはその環境に存在するラジオやテレビの放送、 携帯電話の送信など全てを拾い上げる ――多くの周波数と変調のものを全て一度に。

特定の周波数範囲ではあまり良くないかも知れないものの、 いかなる導体でもラジオ受信機に接続してアンテナとして使用することができる。 針金のハンガーは FM 放送 (100MHz 前後) のための良いアンテナとなり、 古いアンテナが壊れた時にそれが自動車用アンテナとして用いられているのを見るのは 珍しくなかった。 (実際、私は最近引っ越した家の屋根裏部屋に取り付けられている 実に良く働く FM アンテナが針金のハンガーであるのに気付いて驚いた。) 紙を節約して地球を救うことを助けるために、 Figure 52 には導体内の RF ノイズのいくつかの例を含めてある。

9.2 主電源に関係する電磁現象 (電力品質)

9.2.1 波形歪み

高調波歪みは、 蛍光灯や放電灯のような、そして (今日では) 特に AC/DC 整流器のような 非線型負荷が吸い込む高調波電流によって引き起こされる。 中間高調波歪みは電源周波数に関係しない主電源電流によって引き起こされ、 大抵は周波数可変電力変換器 (例えば可変速 AC モーター・ドライブ) によって引き起こされる。

総高調波歪み (THD) は 10% に達することがあり、 高歪みの主電源のために特に設計されていない電子製品/機器は それが 8% を超えると誤動作を生じ得るものとみなされる。

最近は「スラスター」 (可変速 AC モーター駆動推進機) の使用が、 そして電気推進の使用さえもが増加していることから、 船舶や洋上施設においては 30% までの THD を見ることがますます普通となっている。 船舶は電力を自ら発電しており、 発電機の電源インピーダンスは高圧配電網から給電される 同じ VA 定格の変圧器よりも3倍程度高く、 同じ非線型負荷が3倍の歪みを発生するので、 これは地上で類似の負荷が引き起こすであろうよりも悪いものとなる。

Figure 53
Figure 53: AC 電源の歪みの例

Figure 53 は、私自身のファイルからの歪んだ主電源波形の例のいくつかを示す。 左上は産業用照明設備からのもので、 その電圧波形は AC/DC 整流器で重い負荷がかけられた電源網に特徴的な 「フラット・トップ」状を呈している。

この種の電圧と電流の波形は、軽工業、商業、そして住宅環境では珍しくない。 勿論、その電流は Figure 53 で示されている 110A よりも低い傾向があるが、 その電源インピーダンスもそれに応じて高く、 従って歪み波形は往々にしてほとんど同じままとなる。

右上の波形は、Dr Nick Maroudas が 2000年に彼の家の電源をオシロスコープで測定したものである ―― バナナの皮 No.104 [9] を参照。

右下の波形は、約 1.7kHz でスイッチングする 1MW AC モーター・ドライブに給電する 発電機からのものである。 その測定器の帯域幅は 5kHz (電源品質測定器で典型的) に過ぎず、 従ってもしそれがより広い帯域幅を持っていたならば、 その波形のノッチは既に非常に大きな振幅であるそれよりも深くなったことだろう。

高調波/中間高調波電流、そしてそれらが引き起こす電圧波形歪みは、 EMI 問題そのものである。 それらは、たとえ危険をもたらさなかったとしても、 非常に高いものにつく過熱を引き起こし得る。 [34] と [35] は、高調波/中間高調波電流、電圧歪み、そしてその影響についての、 より多くの情報を与える。

勿論、波形歪みは、50Hz、60Hz、あるいは 400Hz (航空機) のいずれであれ、 AC 電源においてのみ問題となる。 AC と DC (例えば通信室やブレード・サーバーで用いられる 48V 電源 [36]) の双方の電源を悩ませる、多くの他の電源品質問題がある。

9.2.2 電源電圧の変動

電源電圧の急激な変動は、 (網の電圧制御システムに何か不安定性がないものと仮定すれば) 急激な負荷変動によって引き起こされる。 ±10% までがあり得る； より高いレベルは、通常は電源インピーダンスの深刻な問題を示す。

配電網制御と故障解消からの電圧ディップとフリッカは いかなる深さ、またいかなる持続時間ともなり得るが、 統計的にはより小さい深さと持続時間が多くなる。

ドロップアウトと停電も配電網保護と故障解消によって引き起こされ、 勿論、停電は何週間も続き得る (特に自然災害の場合)。

Figure 54
Figure 54: もういくつかの電源品質問題

Figure 54 は、これらの3つの電源品質問題のややはっきりとしたバージョンを示す。 現実では、それらはこれほど単純に見えそうにはない。

例えば、絶縁故障がヒューズやブレーカーを飛ばす時、 通常は、まず、ディップやドロップアウト、 保護接続構造上の主電源関連ノイズの顕著な増加 (接地された中性線にも現れる)、 そして非常に高レベルの故障電流に伴う局所的な磁界の激しい増加があるだろう。

故障がスパークを伴うならば、持続的な広帯域 RF ノイズもあるかも知れない。

そして、故障した回路がいずれ過電流保護デバイスによって切り離される時、 大振幅の故障電流の遮断による放電に伴う RF ノイズの大きなバースト (電気的高速トランジェント・バースト) があるだろう。 発生した著しい過電流のあいだに電源網の配線に蓄積されたエネルギーの フライバックによって引き起こされた公称電源電圧の倍までのサージが、 これに続くであろう。

勿論、ラボで試験する時には、 クリティカルな通信インフラストラクチャ以外の全ての製品に対して (そして、ひょっとするとそれらに対しても)、 一度に一種類の EMI のみで試験するであろう。

Figure 55
Figure 55: 電源品質問題のもういくつかの例

Figure 55 はもういくつかの電源品質問題を図示する：

AC と DC の配電はケーブルを用いるので、 9.1章で述べた EMI 問題全てが該当することを忘れないこと ―― 多数の電気的ノイズ源が誘導するのではなく直接接続されるため、 そして主電源ケーブルは非常に長くて高いレベルの低周波ノイズを拾い上げ得るため、 往々にしてより大きなものとなる。

そして、例えば緊急用電源で運用されている病院のように発電機から給電する時には、 ほとんどの/全ての電力品質問題はより悪いものとなる。

[37] は、それへの対処方法とともに、より広範囲の電力品質問題の情報を与えている。

9.3 高出力電磁環境 (HPEM)

Figure 56
Figure 56: HPEM の脅威の例

HPEM のトピックは以下のものを含む：

Figure 56 は HPEM のいくつかの例を示すもので、IEC 61000-1-5 から取られた。

IEC 61000-1-5 シリーズ [36] として、様々な HPEM の脅威を、 そしてそれらに対してシステムをどのように強化するかを述べる 多数の IEC 規格が最近書かれている。

9.4 機械的、もしくは気候的に誘起された EMI

この話題は、電気的な接続に、そして電気的な絶縁に関係する。 低品質の接続は変動する接触抵抗を、そして断続的な接続さえも生じ得る。 接触抵抗の品質、そしてそれらが断続的 (一時的に開放回路となる) かどうかは、 往々にして機械的振動に、そして温度変動 (熱膨張の温度係数のため) に依存する。

従って、供給される電圧と信号に、 機械的衝撃、振動、そして温度によって引き起こされた変調を受け得る。

エンジンの振動が車両の速度センサーからのケーブルの接続不良を引き起こして 実際の速度信号と誤解させるノイズを引き起こす場合のように、 時にはそれらは実際の信号を模倣するものとなり得る [39]。

低品質の電気絶縁は、コロナ放電 (広帯域 RF ノイズ) を、そして 衝撃、振動、あるいは結露のような気象条件や導電性の塵埃に伴う時折の弧絡 (電気的高速トランジェント・バーストを引き起こす) さえも引き起こし得る。

そして、これらの問題全ては老化と腐食 (侵食、酸化、あるいは電解腐食のいずれであれ) に伴って悪化する。

9.5 架空ケーブルを用いた高圧配電

導体内の高電圧は、空気中への局所的なコロナ放電を、 そして数百 GHz に達する持続的な広帯域ノイズを生じる。

9.6 EMI の被害者： アナログ回路

アナログ回路への EMI の影響は、ノイズ、及び/もしくは歪み、 及び/もしくはフル・スケールに達するかも知れないゼロ・シフト・エラーを含む。 これは、しばしばシグナル・コンディショニング、増幅、 そしてアナログ - デジタル変換を必要とする、 生理学的パラメータ、化学反応、温度、圧力、質量、体積、流量、 速度、移動量、レベルなどの測定や制御で特に問題となる。

アナログ半導体は、 大抵はより厚い絶縁層を持つ大きなシリコン・プロセスによることから 通常はデジタル・デバイスほど脆弱ではないものの、 過電圧や過電流で容易に破壊される。

だが、シリコン (例えば RF 電力デバイス) であれ 他の素材 (例えばコンピュータのハード・ディスクのデータの読み取りに用いられる 巨大磁気抵抗効果デバイス) であれ、 非常に小さい加工寸法を用いるアナログ・デバイスもある ―― これらは公称電源定格より数ボルト高いだけの電圧で恒久的な損傷を受け得る。

9.7 EMI の被害者： デジタル回路 (ソフトウェアを含む)

良く設計されたデジタル回路は、大きなノイズ・マージン ――自らが発生する回路ノイズ (例えばグランド/電源バウンスによる) のピークと、 それぞれのデバイスが 1 と 0 のいずれの信号を受けているのかを判定する 閾値とのあいだの電圧の間隔―― を持つ。

通常のレベルの EMI がデバイスに 1 を 0 に、またその逆に誤らせないように、 外部ノイズ (同じ製品の他の部分、あるいは周囲の電磁環境からのものであり得る) は この閾値の範囲内に収められる。

従って、良く設計されたデジタル回路においては 機能上のエラーは EMI の振幅が閾値を超える時に生じるだけとなる傾向を持つが、 そうなると様々な誤動作 ――しばしば全く予測不能な―― が生じ得る。 時には、デジタル回路を様々な EMI の脅威に対して試験する時、 機能上のエラーの次のような段階的拡大を見る：

9.8 EMI の被害者： 電力スイッチング半導体

これらは、IBBT、SCR、そしてパワー FET を含む。 それらは全て、過電圧、サージ、ESD、そして過電流によって恒久的な損傷を受け得る。 高電圧と数十 kHz までの周波数を意図した大型のデバイスとして、 それらは通常は大きな内部静電容量、厚い絶縁、そして大電流に耐える導体を持つので、 ほとんどの種類の EMI によって容易に損傷を受けない。

ほとんどの高電力スイッチングの応用では、 いずれにしても非常に高レベルの「内部 EMI」が生じ、 デバイスが充分な耐力を持たなければ生き延びることはないだろう。 そうであっても、信頼できる、 自分を吹き飛ばさないようなものとするためには設計に注意しなければならず、 ある種の電力スイッチング・デバイスはノイズにより良く耐えるようにするために ゲートの制御のために導体の代わりに光ファイバーを用いる。

だが、全ての電力スイッチング・デバイスはより低い電力の回路で駆動され、 これは実に容易に干渉や損傷を受け得るマイクロプロセッサや類似の低電力 IC で制御される。 もし高電力スイッチング・デバイスの制御端子が誤った時にトリガされたならば、 交差導通を生じ、電源をデバイスを通して短絡し、誤動作、 及び/もしくは保護デバイスの作動、及び/もしくは実際の損傷を引き起こし得る。

高電力デバイスが交差導通する時、 それらは同様のエネルギーと破片を伴って手榴弾のように爆発し得る。

9.9 EMI の被害者： ラッチアップは全ての半導体に影響し得る

ラッチアップは製品の信頼性を決定する極めて重要な要素であり、 アナログとデジタルのいずれの処理に用いられているとしても、 NMOS、CMOS、バイポーラ、そしてそれらのテクノロジの変種や組み合わせ全てに関係する [40]。 いずれかの電源レール電圧をダイオード1つ分の降下電圧以上超える、 IC の任意の入力や出力のピン上の負や正の電圧トランジェントが、 ラッチアップの普通の原因である。

ラッチアップは高温によって、そして電離放射によっても引き起こされることもあり、 いずれかの存在は電圧トランジェントに対するラッチアップ感受性を高める。

ラッチアップ中、IC 内の SCR に似た寄生的な構造がターンオンし、 電源レールを短絡させる。 電源電流が外部コンポーネントによって制限されていなければ、 IC は過熱して恒久的な損傷を生じ得る。

過熱が外部の電源回路によって防止されており (安全上の理由で、火災を防ぐために必要となるかも知れないように)、 IC が損傷を受けない場合、電源を止め、デバイスが冷えるように数秒待ち、 電源を再供給することによってのみ通常の動作を回復させられ、 そうすれば IC は再び正常に働くようになるであろう。

明らかに、全ての種類の EMI トランジェントがラッチアップを引き起こし得るが、 ホット・プラグや、複数の電源レールを持つ場合の製品のオン/オフのような、 その操作が IC の電源レールよりもダイオード1つ分の電圧降下以上超える電圧を 1つ以上の入出力ピンに印加させ得る非 EMI 的な効果によっても引き起こされる。

9.10 EMI の被害者： 電気機械デバイス

多くの設計者が電気機械デバイスは全ての電磁的脅威に完全に耐性があると信じているようであるが、 その電源のディップとドロップアウトは、リレー、コンタクタ、そしてソレノイドを ドロップアウトさせ得る。 感受性は、製造元とモデル、古さ、そして温度に依存して個々に異なるので、 それらを何がドロップアウトさせるかを予測することは難しい。

今日の電気機械デバイスの主な用途が、 おそらくは何十人もの人の生命を保護するための 「ハード・ワイヤ」の安全システムであることからすると驚くべきことであるが、 電力品質問題に対する感受性を試験したことがある「リレー論理回路」設計者は、 いるとしても少数である。

原子力発電所の安全システムで用いられているリレーは 安全システムで求められる信頼性と比較して かなりありふれている主電源ディップでドロップアウトすることを見出した。

このため、彼らは、発電所運営者に それぞれのリレーの電源に「コイル保持」デバイスを取り付けさせた。 これらは、主電源が 50% 以下まで低下した時でもリレーを通常通り動作させ続け、 より低い電圧へのディップやドロップアウトのほとんどのあいだ保持させるであろう。 (発電所は常に電力を発生させているので、他の我々が予期し、 保護を行なわなければならないような完全な電力喪失は問題とならない。) リレー、コンタクタ、あるいはソレノイド (例えば安全用ドア・インターロックの) のエネルギーを電源品質問題が失わせた時に特定の問題を引き起こし得る、 少なくとも2つの一般的なリレー論理プラクティスがある。

1つは、リレーやコンタクタを常開接点で「保持」している時である。 それらは、通常は押しボタンのような一時的な接点によってエネルギーを与えられ、 その後はその時には閉じられている常開接点を通して電力を印加され続ける。

電源が一時的に保持レベルを下回って低下した時、 そのリレーやコンタクタがドロップアウトしたならば、 数ミリ秒に過ぎなかったかも知れないディップ、ドロップアウト、あるいは電圧変動が終わった後も、 それは通常の動作に復帰しないであろう。

もう1つのものは、リレー、コンタクタ、あるいはソレノイドが全電圧で引き込まれるが、 電力の節約のために低減された「保持」電圧を供給され続ける時である。 その低減された電圧が供給される方法によっては、 それらはディップ、ドロップアウト、あるいは電圧変動のあいだにドロップアウトし、 電源が正常に戻った時に再び引き込まれないかも知れない。

電気機械デバイスにおける他の EMI 問題は、以下のものを含む：

これは、電気的な状態を全く変えずに (あるいは部分的にのみ変えて) 機械的状態をオンからオフに変化させ得るので、 ほとんどの種類のスイッチ、リレー、そしてコンタクタにとって問題である。 繰り返すが、オフの筈の回路に電力が供給されるかも知れない。

また、カバーを外す前に電源を切り離すようにという指示にもかかわらず、 ほとんどの作業者や保守技術者は、 それに電源を供給しているスイッチ、リレー、あるいはコンタクタが オフ状態となっているのを見ることができれば、 その電気的接点の一部もしくは全てがまだオンであるかも知れないことに気付かず、 回路は安全であると仮定することだろう。 明らかに、感電の危険がある。

電気的な状態も変化させなければ機械的な状態を変化させられない 「ポジティブ・ガイド」接点を持つスイッチ、リレー、そしてコンタクタが入手可能であるが、 選択は非常に限られており、それらは大きくて割高である。 代替手段の1つは、 実際の接点位置のフィードバックを与える低電流接点を持つデバイスを用いることかも知れない。

電気機械コンポーネントでの問題の1つは、 製造業者がしばしば電子回路を加えて機能を向上もしくは追加しようとすることである。

例えば、この新型は伝統的な継電器で用いられているバイメタル、コイル、 そして磁石によって通常与えられているものに加えて 追加の多数のモーター保護機能を与える「電子頭脳」 (要するに安価なマイクロプロセッサ) を持つという、電動機制御用継電器の広告を何年も前に見たことがある。

その広告主が追加すべきであったものは、 モーターを保護し、また予測できない時に作業を止めないようにしたいのであれば、 いかなる高出力スイッチング・コンバータ、非常にノイジーな電源、 全てのウォーキートーキーから 5m 以内もしくは全ての携帯電話から 3m 以内で この「知的」継電器を使うべきではないという太字での警告であった。 勿論、これらは全て、伝統的な設計の継電器が全く問題なく働くであろうし、 実際にしばしば設置されている場所である。

従って、全ての電気機械デバイス内の電子的な部分について尋ね、 もし整流器、トランジスタ、あるいは IC を1つでも含んでいるのであれば それを電気機械的なものではなく電子デバイスとして扱うのは良い考えである。

9.11 EMI 問題は常に悪化し続けている

これは次の理由のために生じている：

電子設計や設計管理の勤め口 (ハードウェア、ソフトウェア、PCB、ケーブル、エンクロージャ設計など) への候補者全てが 「EMI と EMC について何をご存じですか？」 と尋ねられるようになるのも遠いことではないだろう。 彼らが行なう全てのことにグッド EMC エンジニアリングをどのように適用するかを理解しない者を 雇う財務的なリスクの価値はないであろう。

10 References

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Part 5) PCB layout (including transmission lines), Sept and Nov 2007
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[22] The IET, "EMC for Functional Safety", Edition 1, August 2008, www.theiet.org/factfiles/emc/index.cfm or www.emcacademy.org/books.asp

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[39] Dr A. F. Anderson, "Reliability in Electromagnetic Systems: The Role of Electrical Contact Resistance in Maintaining Automobile Speed Control System Integrity", IET Colloquium on Reliability in Electromagnetic Systems, Paris, 24th May 2007. Conference Digest: PEZ07827 (07/11827), available from the IET as a CD-ROM ISBN 978-0-86341-809-9, £35, www.theiet.org/publishing/conf-pubs/semdig07.cfm

[40] JESD78A "IC Latch-Up Test", published by JEDEC, February 2006

Copyright (C) 2010 Nutwood UK Ltd.

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: 2010-07-24