MBDでEMC設計をDX！

EMC設計は、EMC対策という言葉より後の時代になって出てきた言葉です。電子機器の不要輻射や伝導ノイズについては、1980年代頃から本格的に規制されるようになりました。それ以前から、各種無線機やラジオ、テレビの周波数帯への妨害となる違法電波の取締は行われていました。これに対し電波の送受信をしない電子機器からの意図しない電磁波ノイズの放出に関して、当時はアナログの電子機器が主流の時代だったので電子機器はノイズの影響を受け易く、”ノイズの垂れ流しは許されない”という思いで多くのエレキ技術者がノイズ対策に取り組んでいたと思います。

しかしながら、この意図しない電磁波ノイズの放出（EMI）を低減させるのは当時のエレキ技術者にとって必ずしも容易なものではなく、EMIを低減することを主な目的とした電子機器の調整をEMC対策というようになったと思います。当時は設計した電子機器を先ず試作して、実際に評価（動作確認の後にEMIの測定）を行って、EMIのレベルが規制値を超えるか否かを”出たとこ勝負”的に評価して、運悪く規制値を上回ってしまうとEMC対策部品を”とっかえひっかえ”で電子機器に後付けして何とか規制値以下にすることを必至になって行っていました。この活動は明らかに”対策”であって、”設計”するという雰囲気はありませんでした。つまり、EMC対策とは、特にEMIにおいてノイズレベルを規制値以下にするために実際の機器に直接調整・修正を行う活動でした。

このような機器への後付け調整を行うEMC対策のリスクを改善したいと考えるのが自然の流れで、機器の試作評価前にEMC対策を行うことが検討され、そのためにノイズ低減のための方策の研究が進み、EMI対策の効果を事前に見積もる試みもなされてきました。こういった活動は以前のEMC対策とは異なるので、EMC設計と呼ぶようになったと思います。あるセミナーで某大学の教授も”これからはEMC対策ではなくEMC設計をする時代だ”と、約10年前に言っておられました。即ち、EMC設計とは製作前の機器のEMC評価を設計段階（デジタルデータの段階）で見積もり且つ、ノイズ規格値以下に調整して機器の製作後のEMCリスクを低減する活動であり、将にDX（Digital Transformation）時代におけるEMCの究極形態なのです。

EMC設計はまだまだ発展半ばです。現在、いくつかのツールベンダーは回路基板CADに対してEMCルールチェッカーで検証、或いは電磁界解析ツールで解析、といったEMC設計を提案しています。これに対しセットメーカーの商品化プロセス（機器の企画→設計→試作→量産）にとって、そういったツールの適用・運用がマッチしないとう状況もあります。セットメーカーとしては商品化の時間軸が最優先されるので”後戻りはない・させない”、という勢いで商品化プロセスは進みます。回路基板CADの作成プロセスも同様で、EMCチェッカーの結果や解析結果をCADデータに十分反映できず（反映させるは時間的損失を伴うため）、結局チェックツールや電磁界解析ツールは使われなくなったりします。

こういった残念なEMC設計にならないように当社は”PD適用”、”SD適用”、”WD提案”をユーザー様に向けてご用意しております。是非ご検討ください。

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数年前から、「機器のEMC対策にAI（Artificial Intelligence）を導入してみよう」、という話がちらほら聞かれていました。その背景の一つといて、機器のEMC評価・対策の現場を担ってきた熟練技術者の勘や経験を若い世代の技術者に伝承させていくためのツールとしての期待があったようですが、それ以上に、「誰でもEMCの仕事ができるようにする」、という要求の方が大きいでしょう。

私の現場での経験の中でも、若いEMC技術者が担当した機器でEMCの問題が起きて、なかなか解決できない状況の時に、百戦錬磨の熟練EMC技術者が出てきて、何とかEMCの問題を解決していった、ということが何回かありました。また業界的にも、「EMC対策は長年の勘と経験がものをいう」、と言った傾向があります。

ただ、今になって考えると、熟練EMC技術者はEMC問題に対する観察の仕方と、それに対する対処方法の選択に慣れていただけで、若いEMC技術者はまだそれに慣れていなかっただけではないかと思われます。確かに、そういったEMC対策技術の習熟に長い時間が掛かるので、それを補うために”AI”を、と考えられたのかもしれません。しかし、これはあくまでEMC問題発生に対する対処法であって、根本的なEMC対策ではないのです。

では根本的なEMC対策とは何でしょうか？それは、機器の回路設計の段階でのEMC設計として課題となるノイズを低減させておくことです。このEMC設計は回路シミュレーションで事前に検証が可能です。それがちゃんと実施されていないために、前出の熟練EMC技術者は本来であればしなくていい施策を機器に行っていたのかもしれない、とも考えられるのです。しなくてもよかったEMC対策のためのAI適用になっているとしたら、誰しも無駄なAI適用と思うでしょう。

最近、AIエンジンを搭載したEMC対策ツールがツールベンダーから出てくるようになりました。その詳細については説明文レベルでしかわかりませんが、実際の機器のEMIを測定結果からその原因を蓄積した（inputした）過去の測定データを参照してEMIの原因特定を補佐するといったもののようでしたが、その対策方法については提案してくれないようでした。これでよいという技術者もいるのでしょう。ただ、私の経験としては、原因不明のノイズ放射ということはあまりなく（大概ノイズ源は特定される）、どうすれば実機に後付けで効率よくノイズ放射を低減できるかが問題でしたので、対策方法を提案（それもスマートな）してくれないのは残念だなと思いました。AIをEMC対策に導入するのであれば、EMC評価前にリスクと事前の対処を提案できるものであってほしいと思います。

そもそもセットメーカーの関係者であれば、設計機器のEMCのリスクは事前にある程度予想がついている筈です。ただ、それを知りながら大した対策を取らないまま（担当者の認識不足の場合もあります）試作まで進めて、やっぱり問題になった、ということが結構あったように思います。こういったことはAIを使うまでもなく、事前にできる検討をしておくことが、根本的なEMC設計になるでしょう。その事前にできる検討ツールとして、当社の”PD適用”、”SD適用”をご検討頂きたいです。

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電子機器から放射されるノイズ（不要輻射・EMI）対策としてEMCノイズ対策部品としてのフェライトコアはEMC技術者にとって、最も期待できる定石の部品ではないでしょうか。EMI対策としてフェライトコアが対策箇所にマッチすると、放射ノイズを10dB以上低減でき、EMI対策を担当したEMC技術者にとっても晴れ晴れしい気持ちになるでしょう。

しかしながら、EMCノイズ対策部品としてのフェライトコアは電子機器を設計するメカ担当者からするとあまり歓迎できない部品なのです。先ず部品として形状が大きく且つ重いため、ただケーブルに通してブラブラさせておくことができない（特に可動性のある部位等）ので、保持し且つ電子機器の筐体に固定させるためのフェライトコアのホルダーも用意しなければならず、部材の準備と手配、更に製品製造時の組付け作業等で費用がかかるので、できれば使用して欲しくないEMCノイズ対策部品なのです。

また、フェライトコアはコア自体の体積がEMI低減効果に影響します。即ち、大きなコア程EMIを低減する効果があります。コアの材料としても材料メーカーならどこでも製造できる安価なフェライト（Mn-Zn系/Ni-Zn系）です。20年位前の国内のEMCノイズ対策部品メーカー（材料メーカー）ではよりEMI対策効果が期待できる高性能なフェライト材料の開発が行われていました。しかし、コスト意識の高いセットメーカーにとっては大きくなっても安いフェライトコアを求めた結果、現在では海外のものが主流となっています。

フェライトコアでEMI対策できる周波数帯は30MHzからせいぜい300MHz位でしょうか。300MHz以上の帯域では殆どEMI対策効果はありません。これはフェライトコアの材料としての磁気特性によるものです。また300MHzと言っても小さなコアではEMI対策効果は殆ど期待できず、コア形状を大きくすることで小さくなっていく対策効果を保持させます。また、ケーブルを複数回フェライトコアに巻き付けてEMI対策効果を補強します。このようなケーブルのコアへの巻き付きも手作業で行うことになるので、生産数量の多い製品では避けたい方法です。

一方、EMC技術者の中には、フェライトコアにより非常によいEMI対策が得られた場合と、そうではなかった場合を経験されていると思います。これについて業界の文献やハウツー本では、ノイズがケーブルにコモンモードでのっていれば効果があり、ノーマルモードの場合は効果が低い、等と説明されたりしています。確かにそのように見えますが、実はどちらもノイズはノーマルモードで伝搬しており、もっと違うところに原因があると、私は考えております。またフェライトコアのEMI対策効果を十分に発揮させる上で、フェライトコアのケーブルにおける装着位置も極めて重要な要素です。こういったフェライトコアに関する詳細については当社の”EMC設計・背景説明”の中でご説明致します。

そもそもフェライトコアを使わずに済んだら、機器設計関係者から生産工程の方々、そしてお金を払って製品を買っていただくエンドユーザー様までいろんな意味で負担が軽減されます。（EMCノイズ対策部品メーカーには好ましくないかな）このフェライトコアを使わず済ませる設計方法が、当社のEMC設計、”PD適用”、”SD適用”です。ご検討のほどよろしくお願い致します。

電子機器のEMCノイズの評価において、電子機器から放射されるノイズ（不要輻射・EMI）の対策に多くの時間を費やしてしまうケースが結構あります。このEMI対策するために現場のEMC技術者は現場で出来得るいろいろな方策を繰り出して何とか”EMIを規格値＋マージン3dB以上”を確保させてEMI対策を完遂させます。EMIの状況がよくない場合などは、現場のEMC技術者の負担は相当なもの（逃げ出したくなるほど）になったりします。

EMI対策として、回路基板上に実装するEMCノイズ対策部品としてEMIフィルタ（EMCノイズフィルタ）がEMCノイズ対策部品メーカーから提案されています。それらはビーズ素子のような単体部品やLC構成を1個の部品に集積したEMIフィルタなのですが、何となく気になるのがフィルタという扱いです。

フィルタ（高周波帯向け）とは、通過帯域と阻止帯域を設定して、通過帯域ではインピーダンス整合化させ、阻止帯域ではインピーダンス不整合化させる特性を持たせて、通過帯域の信号のみを回路後段に送るもので、当然のことならがアナログ回路の手法です。

しかし、ロジック回路の信号に対してフィルタというのは違和感があります。EMIフィルタ搭載によってEMC評価での結果で、EMI対策完遂、電子機器性能不具合無し、という結果が得られたということで、その場は収まるのかもしれません。しかしEMIフィルタ搭載によって、実は問題箇所に関わった搭載部品及びその実装方法、更にそれに関わる配線設計に根本的な問題があったことを見えなくしてしまっているのかもしれません。

ロジック回路における矩形波をノイズフィルタ（アナログフィルタ）を通すと、出力される信号は基本波の正弦波に近づきます。ロジック回路をあまりよく知らない人は、高調波ノイズが無くなってEMI対策として好ましいのではないかと思うかもしれませんが、ロジック回路にとっては全く良くないのです。先ず、正弦波化することで、矩形波で言うところのセットアップ・ホールドタイムの確保ができなくなり（回路動作の不安定化）、またロジック電圧に対してオーバー・アンダーシュートが発生（MOSゲートにおける破損）、更にはインピーダンス不整合帯域における反射によりEMIフィルタの入力端側の配線において定在波が生じやすくなり、これが新たなEMIの原因になる場合があります。特にハーネス（ケーブル）を使ってロジック信号を伝送する場合は注意が必要です。

やはり、ロジック回路にはノイズフィルタが無いのが普通の景色です。そういった状況になっているかを回路図段階で検討できるのが、当社の“SD適用”です。是非ご検討頂きたいです。

EMCノイズ対策部品は電子機器・装置メーカー側のEMC規格適合のために仕方なく使っています。設計する製品の動作の仕様にとってEMCノイズ対策部品（ビーズやノイズフィルタ等）は動作の障害にもなりかねず、EMC性能を満足させつつ製品の仕様の性能を確保できるように設計現場で調整・追加実装しているのではないでしょうか？また、製品の性能評価の段階で、後工程でのEMC評価に備えて、お守り的（お呪い的？）にEMCノイズ対策部品（コンデンサやフェライトコア）を事前に仕込んでおく場合もあるかもしれません。

こういったEMCノイズ対策部品は、製品のエンドユーザーに製品仕様上で提供する価値は全くないでしょう。ですから、セットメーカー側としては何とかEMCノイズ対策部品を使わないで済ませたいと考えます。しかし、製品の設計担当は、後工程の性能評価時に削除することを前提に最初予備的にEMCノイズ対策部品つけて試作してしまうと、後工程で外す検討をする時間を確保することができずに結局EMCノイズ対策部品をつけた状態で量産化となってしまうといったことに。こういったところはEMCノイズ対策部品を供給する電子部品メーカーの思う壺といった処でしょう。

ところで電子機器・装置の中でどの程度使われているでしょうか？ケースバイケースかもしれませんが、電子部品の員数構成で10%以下程度になるのではないでしょうか？例えば、使用電子部品が1000個（比較的大規模の回路基板になりますか？）レベルで100個程度。部品コスト、管理費、実装費等を考慮すると実はEMCノイズ対策部品に結構なコストが掛かります。全てが無駄、ではないとしても半分程度にはできないか、考えたくなると思います。

こういったEMCノイズ対策部品の削除は”気合”や”勢い”ではなかなか上手く行きません。EMCノイズ対策部品を一度つけてしまうと、外すことによる機器の弊害検討を行う必要がありますから時間的なロスが大きく結構厄介です。EMCノイズ対策部品の削除はがやはり機器設計初期の段階で行うべきものなのです。そのため回路設計段階でシミュレーション検討してEMCノイズ対策部品の必要性を検討しておくことが最も有効です。回路設計におけるSPICE_Sim（例えば波形）は実際の結果と非常によく一致します。そのうえ通常のPCで瞬時に計算でき、素子の条件変更等で目的の特性を得ることができます。 このようなシミュレーション検討として、当社がEMC設計として提供している”PD適用”、”SD適用”は将にEMC対策部品の削減検討に適しています。これを是非回路図検討段階で実施して頂きたいです。この実践に向けては設計技術者の”気合”や”勢い”は必須となりますかね。

昨今のDX（デジタルトランスフォーメーション）がビジネスの各シーンでキーワードとして使われています。セットメーカー様の中には新製品設計において既にDXを導入・実践中というところもあるでしょう。製品設計に関わるツールの類については常に最新のものが各ベンダーより提案され、メカ設計・エレキ設計を統合したCAD設計の環境も完成されつつあり、いわゆる”デジタルツイン”の実現もそれ程遠い将来ではないかもしれません。

そういった中で新製品設計におけるEMC設計はどうなのでしょうか？理想の状態としては、”デジタルツイン”により、製品に関するEMC性能をデジタル環境の中で事前に評価して製品が実際に製造された際にはEMC課題がすべてクリアされている、ということになるのでしょう。

しかしながら、EMCのようなノイズ課題解決が設計する製品にどれだけの付加価値、即ち製品のエンドユーザーにとってどれだけの価値を提供できるか、を考えた時セットメーカーとしてはEMC課題に対する設計ツールのコスト、そのツールにデータを入力するための設計システム運営上の変更、ツールのオペレータの確保、またオペレーションに掛かる時間等を考慮すると、やはり費用対効果の低さと工数時間のロスによりEMCを”デジタルツイン”の範疇にすることは考えないでしょう。（大概の製品はそのEMC性能に関係なく設計仕様の性能を出せる。）そもそもノイズの課題についての解析・予測については複雑な要因が関係するため、今の学術レベルのアプローチを以ってしても完全な事前設計は難しいのが現状です。

現在、ツールベンダーからはEMC設計に関してSI、PI評価を基にしたEMC設計向けのツールとか、回路基板（プリント基板）の配線設計に対するEMCルールチェッカーが提供されていますが、実際はできたもの（CADデータ）に対する評価という性格が強く、設計する製品に関するEMC、特に不要輻射（EMI）に対して十分な評価をしていない（できない）のが実状です。結局、チェックはしたけれど実際に作ってみないと分からないといったところです。従って、現在のEMC設計はDXしていたように見えて、実はDXまでには至っていないと思われます。

少なくとも、SI、PI評価が設計する製品のEMC評価に繋がるものであるべきと考えます。当社の”SD適用”、”PD適用”はSI、PI評価をそのメカニズムからEMC評価に関係付けます。そして、不要輻射（EMI）低減のために如何なる設計をすべきかをアドバイスします。これらの詳細につきましては、是非当社にお問い合わせください。

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2021/4/17－残念ながらコロナ禍は暫く続きます。製品・装置設計の現場では、EMC評価は基本的に測定サイトで行うしかないので、EMC担当者は現場に行かなければならず、リモート勤務の選択はありません。もし事前にEMCの設計・作り込みができれば、少なくともEMC担当者がサイトに出向く頻度を少なくしたり、現場での作業時間を短くすることはできるでしょう。また、それによりサイトの利用効率も上がるでしょう。事前のEMC設計として、当社の回路図段階でのEMC設計シミュレーションを是非ご検討ください。シミュレーションであれば設計検討の場所を問いません。

EMC設計技術として、回路シミュレータを利用する方法について元セットメーカーの設計者が解説致します。EMC設計が回路基板設計の前段階の回路図設計段階で実施できるので、ノイズ設計と共にEMCノイズ対策部品（ビーズ、EMIノイズフィルタ、コンデンサ、フェライトコア等）の員数削減にも貢献します。