MBDでEMC設計をDX！

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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SD適用に関する技術資料

PD適用に関する技術資料

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。