TDK EMC Technology 実践編 車載LANのEMC対策 TDK株式会社 マグネティクスビジネスグループ 友成 寿緒 1 はじめに ースはデータレートは異なるものの、自動車内部をケーブルにて接 昨今、自動車の高機能化に伴い電子制御装置（ECU）が急速に 続される点では共通です。自動車内部には様々なノイズ源が存在す 増加しております。そのため機器間を接続する共通のインタフェー るため、機器が外来ノイズの影響を受けないように、また、その機 スが 不可欠となり、それぞれ用途に合わせて最適なインタフェー 器自体からノイズを出さないようEMCを考慮した回路設計を行う スによって機器間接続されております。代表的な車載LAN規格と 必要があります。 ここでは、上述した代表的な車載LANである いえばCAN、LINが挙げられ、次世代のインタフェースとしてはバ CAN、FlexRay、LINにおけるEMC対策部品について説明いたし イワイヤを実現するFlexRayが挙げられます。これらのインタフェ ます。 図1 車載LAN（CAN/LIN/MOST/FlexRay）の採用事例 インナミラー （防眩） プリテンショナ （シートベルト） リモートキーエントリ エアバッグ フロントモニタ サンルーフ バックシート モニタ ミラー制御 リアモニタ インパネ トランク エアコン制御 ワイパ ステアリング エンジン制御 バッテリ ライト制御 ミリ波レーダ （プリクラッシュ セーフティシステム） サスペンション （ダンパ制御） ドアモジュール （ウィンドウSW） 冷却水温度センサ ハイブリッド制御 ギア制御 シート制御 車両制御（ESP） サスペンション （ダンパ制御） ブレーキ （By wire） ABS EPS 103 エアバッグ アクセル なぜ車載LAN ？ 2 今後も自動車の高機能化は進み進化していくことは間違いありま 低燃費、低排ガス、これが現在の自動車業界全体におけるキー せん。しかしながら、高機能化=>電子制御装置の増加=>ハーネ ワードでしょう。記憶に新しい2008年の石油高騰をきっかけに、米 スの増加を意味し、結果、燃費の悪化、排出ガスの増加を招きかね 国の自動車メーカーもようやく低公害車の開発に舵を切ることにな ません。このように排出ガス規制と自動車の高機能化は相反する動 りました。さらに米国政府も地球温暖化対策に積極的に乗り出す方 きなのですが、この問題を解決するための一つの解が車載LANシ 向で、世界が同じ方向に向いている状況下、自動車の排出ガスの規 ステムです。図2は車載LANシステムのメリットを示した図です。 制（欧州のEURO5、米国カリフォルニア州のZEV規制、日本のポ 機器間接続のネットワーク化を積極的に図ることにより、1対1接続 スト新長期規制など）は先進国を中心に年々厳しくなる方向で進め 時に比べハーネス量が低減できていることがわかります。また、導 られております。 入されるLANシステムはその機能によって大きく3つに分類されま このように排出ガス規制が強まる一方で、駐車アシスト機能、バ す（図3）。 ックモニタやミリ波レーダによる衝突防止装置などの高機能なオプ 通信速度を必要としないボディ系にはCAN/LIN、走る、曲がる、 ションは自動車の魅力を高める重要な要素となっております。図1 止まるといった基幹機能を担うパワートレイン系には、高速で安全 はどのような電子制御装置が最近の自動車で使用されているか示し 性の高いインタフェースのFlexRay、映像・音声データ伝送を必要 たものです。ドア操作などの身近な機能から、サスペンションなど、 と す る マ ル チ メ デ ィ ア 系 は 数 百Mbpsの デ ー タ 伝 送 が 可 能 な 自動車の基本機能である、走る、曲がる、止まるを司るような機能 MOST、IDB1394が主に使用されております。 まであらゆるところに電子制御装置が使用されているのがわかりま す。 図2 車載LANシステム導入のメリット 従来の電装部品制御の配線 ECM ABS CANに代表される車載LANの場合 High speed Door Lock A/C Lighting ECM Gateway EAT PCM Low speed ABS Lighting Door Lock A/C Gateway Seat P/W EAT AirBag PCM Seat P/W AirBag 図3 車載LANの構成 ボディ系車載LAN（CAN、LIN） パワートレイン系車載LAN（FlexRay） ブレーキペダル エアバック アクセラレータ ミリ波レーダ モータ シートベルト モータ サスペンション ターンシグナル モータ エンジン モータ ブレーキ パワーウインド モータ エアサス ワイパー マルチメディア系車載LAN（MOST） （IEEE1394） ヘッドライト ドア モータ モータ リアライト ドアミラー モータ ルームランプ シート モータ オーディオ カーナビゲーション システム 映像専用IF （GVIF、LVDS、RGB） エアコン、 ブロア モータ モータ ビデオカメラ テレビ ダッシュボード（ゲートウエイ） EPSモータ制御系ユニット DC/DCコンバータ EPSモータ モータドライブユニット バッテリ 104 テレビ スピーカ 自動車におけるノイズ規格とEMC問題 3 車載機器ではノイズによる誤動作がユーザーの命に関わる問題と 自動車の国際EMC規格としては、輻射ノイズ規格はCISPR25、 なる可能性があること、またAM、FM、TPM（Tire Pressure イミュニティ規格はISO11451/11452が挙げられます（図4）。 Monitoring）センサなどの無線システムへの干渉を防ぐ必要があ ることからこれらの規格の規制値はTV・PCなどの民生機器の規格 図4 自動車のEMC規格 に比べると大変厳しい値となっております。 実車評価 図5はそのことを示す一例です。図5（a）は弊社の3m法暗室の Emission規格 Immunity規格 CISPR12, CISPR25 EN55012, 25 ISO11451-2（放射イミュニティ） ISO11451-3（放射イミュニティ）*車載無線機 ISO11451-4（BCI法） ISO10605（ESD） 暗ノイズレベルを測定した結果です。動作している電子機器がない 状態でも、150kHz ∼ 1MHzまでの帯域では規格ラインを超えてい ることがわかります。これは使用したアンテナの増幅器の性能が原 因であるものの、暗ノイズレベルにおいても規格値内にすることは 部品評価 Emission規格 Immunity規格 CISPR25 EN55025 ISO11452-2（放射イミュニティ） ISO11452-3（TEMセル法） ISO11452-4（BCI法） ISO11452-5（ストリップライン） ISO11452-7（DPI） ISO10605（ESD） 大変な作業であることがわかります。増幅器の性能に依存しない 1MHz以上の帯域においてもマージンがない状態でこの規格を適応 する場合、電子制御装置からの輻射ノイズレベルはほとんど許され ないことがわかります。 また、図5（b）はイミュニティ測定結果の一例です。ある車載 LANインタフェースのドライバを接続するUTPケーブルにBCI法 図5 車載機器用EMC規格の厳しさ （a）輻射ノイズ 0.15MHz-30MHz 30MHz-1GHz 50 With mono-pole 40 30 Level（dBμV/m） Level（dBμV/m） 50 AM band 20 10 0 0.1 With Biconical/Log-periodic 40 30 CISPR25-Class5 1 5 Frequency（MHz） TPM band 20 10 0 0.5 FM band 10 50 100 Frequency（MHz） 500 1000 （b）イミュニティ 印加ノイズなし BCI measurement setup Oscilloscope Pulse generator Data 2600mm TXD RxD 900 mm 50mm Node1 （Tx） TP4 RF injection（SG） Node2 RxD （Rx） Level monitor （Spectrum analyzer） ノイズ印加なし。通信良好 100mAノイズ印加 ノイズ印加中。 イミュニティ試験の条件と試験結果。 試験方法はBCI（Bulk Current Injection）法を用いる。 ノイズ印加によってDataラインに大きな電圧が発生。 差動伝送であるため、 ある程度の電流レベルまでは影響を受けないが印加電流が100mAを越えると 通信エラーとなる。 Data RxD RXD端子から信号出力なし⇒通信不能 105 コモンモードフィルタの効果 4 にてノイズを印加したところ通信ができなくなりました。EMC対 策部品は外された状態ですので、耐ノイズ性能が弱くなっていたこ 本誌の他の章でも紹介されているように差動伝送のEMC対策に とが通信不能となった原因ですが、イミュニティに関してもEMC はコモンモードフィルタが有効です（コモンモードフィルタの原理 設計を施すことがいかに重要かを示しております。 などの詳細については本誌「信号に影響を与えず放射ノイズの根源 を絶つコモンモードフィルタ」、「高速差動インタフェースのEMC 車載LANではLINと低速CANを例外として、低振幅、低輻射ノ 対策」を参照ください。） イズレベル、外来ノイズに強いことを特徴とした差動伝送を採用し コモンモードフィルタを使用することで得られる効果としては、 ており、もともとEMCを考慮した物理層となっております。しか 1．輻射ノイズの抑制 しながら、自動車内には大電流による強磁界の影響やモータ系のノ 2．イミュニティ向上 イズ、点火プラグのような瞬間的に発生するバースト系のノイズな が挙げられ、これは上述した車載LANにおけるEMC問題を解決す ど、ノイズの発生箇所、種類、さらに周波数もさまざまであるため、 ることができる素子であることを意味しております。 差動伝送を採用している電子制御装置でも影響を受ける可能性があ 実際にCAN-ICを用いてコモンモードフィルタの効果を確認した ります。 結果を図6に示します。使用したコモンモードフィルタは後述する また、輻射ノイズの観点においても差動伝送は原理的には低EMI CAN用コモンモードフィルタとして一般的なACT45B-510-2Pで になるはずですが、現実にはシステム全体で見た場合、2本のライ す。 ン（プラスとマイナスライン）が完全に対称性ではないため輻射ノ 次項よりCAN、FlexRayでTDKが推奨するコモンモードフィルタ イズレベルはゼロとなりません。従って、イミュニティの面からも とLIN向けで行われるEMC対策手法とフィルタについて説明いた 輻射ノイズの面からもEMC対策を施す必要があります。 します。 図6 CANBUSラインにおけるコモンモードフィルタの効果（輻射ノイズ） （a）輻射ノイズ測定データ Vertical 90 90 80 80 70 70 Level（dBμV/m） Level（dBμV/m） Horizontal 60 50 40 スプリット ターミネーション フィルタなし 30 スプリットターミネーション ＋コモンモードフィルタ 20 60 50 40 30 フィルタなし スプリット ターミネーション スプリットターミネーション ＋コモンモードフィルタ 20 10 10 0 10 50 100 Frequency（MHz） 500 0 10 1000 Mono-pole 50 100 Frequency（MHz） Measurement setup 90 CAN Receiver Level（dBμV/m） 80 70 60 スプリット ターミネーション フィルタなし GND plane 50 1.5m CAN Cable 40 30 20 0 0.1 CAN Transceiver スプリットターミネーション ＋コモンモードフィルタ 10 0.5 1 5 10 Frequency（MHz） 50 PG（250kHz） 100 ◦スプリットターミネーションについては次ページにて説明 106 500 1000 （b）測定回路 5V Regulator コモンモードフィルタ TXD 10μF GND CANH VCC TXD CAN Cable（UTP） CANL CMF R2 R2 R2 R2 CMF 47nF RXD Pulse Generator （250kHz） CANH GND CANL VCC RXD スプリットターミネーション Split termination スプリットターミネーションは2つの抵抗の中点をGNDに接続し、 コモンモード成分をGNDに流すこと でコモンモード成分を低減する手法。 CANおよびFlexRayではメインバスの終端抵抗において適用される。 また、 分岐ノードは数kΩの抵抗で終端されることがあるが、 この抵抗に対してもスプリットターミネーショ ンを適用し、 コモンモードノイズ対策を行える。ただし、 抵抗値が高いため効果は限定的。 5 使用温度範囲はZJYSが−40 ∼＋125℃、ACT45Bシリーズが CANBUSフィルタ −40 ∼＋150℃＊に対応しており、信頼性の面においても車載機器 CANの歴史は長く1992年にダイムラーが採用してから始まりま 用部品に対する要求仕様をすべて満たすよう製品設計されておりま した。最初からCANが標準規格だったわけではなく、各メーカー す。 は独自インタフェースを開発して車載LAN化に取り組んできまし ＊ ACT45Bはエンジンルームなどの高温化における使用を想定し、150℃でも たが、開発の効率化、コスト削減、共通化による接続性の確保を理 信頼性保証できるよう設計された部品です。 由に2000年あたりからCANに統一化されていきました。このよう 6 に10年以上続くCANの歴史ですが、TDKのCANBUS用コモンモ FlexRay用フィルタ ードフィルタも歴史が長く、幾つかの変遷を経ております。TDK 次世代車載LAN規格「FlexRay」においてもEMCの問題はCAN のCANBUS用コモンモードフィルタは、構造で大別すると2つの と同様です。イミュニティ向上と輻射ノイズ抑制を行うために シリーズに分けられます（図7）。 FlexRayにおいてもEMC対策は回路設計において重要な要素にな ります。CANに比べると伝送レートが速いため（10Mbpsが仕様 図7 TDK-CANBUS用コモンモードフィルタ ラインアップ ACT45 シリーズ （ドラムコア） CAN用 コモンモード フィルタ ZJYS シリーズ （トロイダルコア） 上の最大伝送レート）、信号品質も考慮した上でフィルタを選定し なければなりません。さらに、イミュニティの面を考慮すると高い バイファイラ巻 ACT45B シリーズ 分割巻 ACT45S シリーズ バイファイラ巻 ZJYS81R5-2P シリーズ 電気的仕様について言及されております。公開されているフィルタ 分割巻 ZJYS81R5-2PL シリーズ DCR：2Ω以下（−40 ∼＋125℃の使用温度範囲内） コモンモードインピーダンスが必要となります。以上の背景から FlexRay ConsortiumがリリースしているFlexRay物理層の規格 書＊1とアプリケーションノート＊2においてコモンモードフィルタの 仕様は以下の通りです。 L値：100μH 漏れインダクタンス：<1μH 一つはトロイダルコアを使用したZJYSシリーズ、もうひとつは 参照規格は以下の通り。 ドラムコアを使用したACTシリーズです。 ＊1 FlexRay_Electrical_Physical_Layer_Specification_V2.1_Rev.B 特性においても ＊2 FlexRay_Electrical_Physical_Layer_Application_Notes_V2.1_Rev.B ①ディファレンシャルモードでインピーダンスを持つ 分割巻タイプ（Dual mode filter） ②ディファレンシャルモードでインピーダンスを持たない バイファイラ巻タイプ（Common mode filter） に分けられます。コモンモードフィルタとしては信号に影響を与え ない②が一般的ですが、ディファレンシャルモードノイズ成分を抑 制するために積極的にインピーダンスを持たせた①のタイプもノイ ズの状況に合わせて使用されております。 107 7 TDKのFlexRay用コモンモードフィルタはドラムコアタイプと LIN におけるノイズ対策 トロイダルコアタイプの2種類あります（図8）。 LINバスは差動伝送ではなくシングルエンド伝送であるため、フェ 両製品ともはんだレス継線技術を用いております。 ライトビーズやキャパシタ、3端子フィルタによる対策が有効とな ります。LINの伝送レートはCAN、FlexRayなどに比べ遅く、数十 kbps程度です。従って使用するビーズ、キャパシタも比較的大き 図8 FlexRay用コモンモードフィルタ ACT45シリーズ ZJYS90V-101-2P （ドラムコア） （トロイダルコア） な定数を使用する必要があります。イミュニティ試験での対策事例 を図9に示します。 イミュニティ試験では対策部品がない場合、印加されたノイズに ACT45R-101-2P 製品名 ZJYS90V-101-2PTL はんだレス接合 特長 はんだレス接合 100μH インダクタンス値 100μH −40 to ＋150℃ 使用温度範囲 −40 to ＋125℃ <2Ω ［150℃］ DCR <2Ω ［125℃］ よって通信エラーを起こすことが確認されましたが、3端子フィルタ （TDK品番：ACF321825-331、C:300pF）挿入によって改善され、 印加ノイズによる影響はなくなりました。 LIN推奨部品 3端子フィルタ：ACFシリーズ インダクタ：NLVシリーズ NLV25T-XXXX-EFD NLV32T-XXXX-EFD NLCVシリーズ NLCV25T-XXXX-EFD 図9 LINにおけるEMC対策 （a）対策回路例 NLCV32T-XXXX-EFD LIN（Local Interconnect Network） LINバスはシングルなのでLCフィルタでの対策が適している +12V +12V 100nF 100nF Vs +5V +5V 100nF Vs EN Vcc 1k LIN Driver RxD LIN Bus EN Vcc Filter 100nF LIN Driver RxD LIN Bus TxD GND GND TxD Pulse G 10kHz Cbus=10nF SLAVE NODE MASTER NODE 試験条件： ・EMCフィルタはスレーブノード側に挿入 ・1mm径、1.5mハーネス ・ハーネスは他にGND、12Vバッテリハーネスを接続 ・20kbps（＝10kHz）をマスターノードのTXD端子に印加 ・Cbus＝10nF （b） 評価回路 LINハーネスへのBCI（Bulk Current Injection）試験 ISO11452-4 電波暗室にて測定：プローブを使いケーブルに高周波電流を印加する Ground plane 1500mm 900mm Bulk current injection probe 50mm RF monitoring probe LIN RXD TXD R XD LIN Transceiver （MASTER NODE） Pulse generator 10kHz RX1 LIN Transceiver （SLAVE NODE） RF injection Level monitor （SG & Amp （Spectrum & RF coupler） analyzer） +5V EMC Parts 1.5m Cable RX2 LIN 108 +5V ACF3218 series （c） 試験結果 BCI（0 〜 100mA）印加時の受信端子Rxの出力波形を測定 EMCフィルタなし マスターノード 0mA 25mA 50mA 75mA 100mA 7 （Volt） 6 5 4 3 2 8 6 1 5 印加電流100mAの時に通信エラー発生。 LINラインにフィルタを入れることにより 改善されることが分かる。 2 1 0 -1 （nsec） マスターノード 6 5 4 3 2 1 8 （nsec） スレーブノード 0mA 25mA 50mA 75mA 100mA 7 6 （Volt） 0mA 25mA 50mA 75mA 100mA 7 （Volt） 100mA NG! 3 -1 5 4 3 2 1 0 0 -1 -1 8 0mA 25mA 50mA 75mA 100mA 4 0 8 スレーブノード 7 （Volt） 8 20（μsec/div） 20（μsec/div） まとめ 本編で述べましたよう車載機器のEMC対策技術は機器が正常に 動作するために重要な要素です。今後、高機能化は一段と進み、活 用される無線機器が増えていくであろうことを考慮すると、EMC 対策技術はますます重要になっていくと思われます。本誌にて紹介 した部品はEMC対策を行う上で補助的な役割ではありますが、 EMC対策において絶大なる効果をもたらします。TDKでは車載 LANに関する豊富な評価データを基に製品開発を進めており、さ まざまな要求に対応できるよう努めております。紹介しきれなかっ たノイズ対策事例も多数ありますので、お気軽にご相談ください。 109
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