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Figure 1

   

主なポイント より高いSILの要件を満たすには、電磁耐性について、受動部品だけでは達成が困難な厳しいレベルのマージンを確保することが求められます。本稿では、電源を保護するためのアクティブ技術（IC）を適用することにより、要件を満たすための方法がどのように改善されるのかを説明します。 例えば、サージ・ストッパを使用すれば、トランジェントが生じた際に下流の電圧をアクティブに制御できます。それにより、影響を受けやすい負荷に加わる電気的ストレスが大幅に低減されます。本稿では、エネルギーの大きいサージが発生する状況において、この手法が受動的なクランプ方式と比べていかに優れているのかを明らかにします。

概要

安全関連システム（SRS：Safety-Related System）の電源については、電磁耐性（イミュニティ）に関する要件が極めて重要な意味を持ちます。電磁妨害によって安全機能（Safety Function）が損なわれると、危険な故障が生じるおそれがあるからです。IEC 61508、IEC 61000-1-2、IEC 61326-3-1といった機能安全規格やそれらに関連する電磁両立性（EMC）の規格では、より高いレベルの耐性、試験におけるより厳しいマージンの確保、設計上の堅牢な対策が求められています。その目的は、過酷な電磁環境においてもシステムの動作の信頼性を保証できるようにすることです。従来、電磁耐性を確保するための手段としては、フェライト・ビーズ、RCスナバ回路（抵抗とコンデンサで構成）、TVS（Transient Voltage Suppressor：トランジェント電圧抑制回路）ダイオード、MOV（Metal Oxide Varistor：金属酸化物バリスタ）といったディスクリート部品が使われてきました。これらは基本的な保護手段としては有用なものです。しかし、それらを使用するだけでは、エネルギーの大きいサージ、厳しい電圧許容範囲、システムの複雑化といった課題に対処できないケースが少なくありません。そこで、アナログ・デバイセズは、サージ・ストッパ、理想ダイオード・コントローラ、電子ヒューズ（eFuse）、ハイサイド・ドライバといった高度なICソリューションを提供しています。これらを使用すれば、電磁耐性を大幅に高めることができます。そのため、機能安全（FS：Functional Safety）に関する要件を満たすのが容易になります。

はじめに

電源回路は、電力パスにおける最初のブロックに相当します。つまり、ノイズの多い電力網（グリッド）と繊細な電子機器の間の主要なインターフェースとして機能します。そのため、電源に対しては電磁環境適合性（EMC：Electromagnetic Compatibility）に関する厳しい要件が課せられます。電源は、電力パスにおける主要なノイズ源であると同時に、外部からの干渉に対する主要な防壁にもなります。表1に示したのは、電源に関連するEMC規格の例です。これには、電磁干渉（EMI：Electromagnetic Interference）に関する規格に加え、電磁耐性に焦点を絞った電磁感受性（EMS：Electromagnetic Susceptibility）に関する規格も含まれています。

EMCという概念は、EMIとEMSの両方を対象とします。電磁耐性（電磁イミュニティ）という言葉は、EMSに対応づけられます。EMSは機能安全における重要な要素です。電磁妨害に対して脆弱なSRSでは、必要なときに安全機能が失われてしまう可能性があります。そうすると、危険な故障が生じてしまうかもしれません。そのため、機能安全に関する基本的な規格であるIEC 61508では、電磁耐性に関する指針や要求事項を定めています³。

電磁耐性に関するIEC 61508の規定

IEC 61508では、電磁妨害のことを、SRSが耐性を備えるべき環境ストレスの1つとして位置づけています。また、電磁妨害に対する対策を講じることが義務づけられています。安全度水準（SIL：Safety Integrity Level）に応じ、求められる対策の有効性のレベルは様々です。有効性が低い対策としては、電源や重要なポートに対してノイズ対策用のフィルタを適用する、シールドを使用するといったものが挙げられます。一方、有効性が高い対策の例としては、最も条件の厳しいEMIに対処するためのフィルタを使用する方法などが挙げられます^3、4

機能安全が電磁耐性の要件に及ぼす影響

IEC 61508は、EMCについて表2に示すような要件を定めています。同規格では、電磁耐性の規格値と安全を確保するためのマージンについてはIEC 61000-1-2とIEC 61326-3-1を参照しています^3、4。

特筆すべき点として、IEC 61000-1-2⁵には、EMCを考慮したSRSにおいて機能安全を達成するための手法が提示されています。具体的には、IEC 61508の要件と比較して、より厳しい試験を実施するための条件の例を挙げています。そうした試験は、より高いSILが求められる場合に、電磁耐性の面で信頼性を高めるために実施されます。一方、IEC 61326-3-1⁶は、産業分野で使用される計測／制御／試験室用の機器について定めたEMC規格です。この規格も、SRSに対する電磁耐性の要件を定めています。同規格が対象としているのは、エンクロージャのポート、AC/DCの入出力ポート、制御用の入出力ポートなどです。より高いSILへの適合が求められる場合には、特定の試験のパラメータをIEC 61508と比べて相応の倍率で厳しく設定する必要があります。更に、IEC 61000-1-2もIEC 61326-3-1も、一般的なEMC規格で用いられる性能基準A、B、Cとは異なり、安全関連機能および非安全関連機能に求められる動作を規定する性能基準DS⁶を適用する必要があると定めています^4～7。

機能安全の規格に準拠するためには、SRSは、より厳しいEMCの要件に適合することが求められます。電磁妨害に対する堅牢性を高め、安全機能が、必要なときに設計どおりに確実に動作するようにしなければならないからです。また、SRSは強いストレスにさらされた場合でも直ちに故障するとは限りません。しかし、その信頼性には影響が及ぶ可能性があります。その結果、寿命が短くなり、安全性について解析する際、信頼性に関する前提条件を満たすことができなくなるかもしれません。そのため、様々な対策を採用し、下流の部品を電磁妨害から保護する方法が一般的になっています。

電磁耐性を高めるためのソリューション

電磁妨害に対する耐性を高めるためには様々な方法を利用できます。表3は、ディスクリート部品を外付けするタイプのソリューションについてまとめたものです。

サージに対する保護には、ディスクリート部品がよく使われます。非常に広く使用されているものとしてはTVSダイオードが挙げられます。これは、表3の電圧サプレッサに相当します。通常、TVSダイオードは、図1（a）に示すように保護の対象となる負荷と並列に接続します。それにより、過電圧のスパイクをクランプすると共に、トランジェントのエネルギーを消費します。システムが通常動作を行っている際、同ダイオードは非導電の状態を維持します。一方、エネルギーの大きいトランジェントが瞬間的に発生し、端子間の電圧がブレークダウン電圧V_BRを超えると、TVSダイオードはアバランシェ降伏を起こします。それにより、サージ電流はグラウンドに向かって迅速に流れます。結果として、規定されたクランプ・レベル（V_C）に電圧が制限され、下流の回路が保護されます。これについては、図1（b）も参照してください⁸。

サージが収まり、電源ラインの電圧がブレークダウンの閾値を下回ると、TVSダイオードは速やかに高インピーダンスの状態に戻ります。それにより、回路は正常な動作に復帰します。このような可逆的な動作に対応することから、TVSダイオードは、影響を受けやすい電子回路をESD（静電気放電）、雷サージ、スイッチング動作に伴うサージから保護する方法として非常に有効です⁹。但し、TVSダイオードを使用する方法には欠点もあります。クランプ動作が生じる際には、AC信号に大きなDC成分が付加される可能性があります。そのDC成分は、下流のACフィルタを簡単に通過してしまいます。

適切なTVSダイオードを選定する上で負荷の最大定格電圧が課題になるケースがあります。その場合、特にシステム・レベルのサージ電圧が高いまま残留するのであれば、2次的な直列クランプ素子としてサージ・ストッパ「LT4356-2」を追加します（図2）。それにより、出力（電源電圧）を安全な電圧レベルに制御することができます。この手法では、エネルギーの大きいサージが発生した際にTVSダイオードや下流の部品に過剰なストレスがかかることを防ぎます。それにより、システムの堅牢性が高まります。このような2段構成の保護手法を採用すれば、サージのエネルギーの吸収機能と正確な電圧制限の機能を分離できます。その結果、IECの規格で定められたサージに対する耐性の要件を満たすのに適した堅牢性と信頼性に優れるソリューションが得られます。

ICによる電磁耐性の最適化

EMCや機能安全に関する要件はより厳しくなっています。そうしたなか、過酷な電磁ストレスの下で予測可能な動作を保証するにはどうすればよいのでしょうか。問題は、ディスクリート部品だけでは十分な保護を実現できないケースが増えているということです。エネルギーの大きいサージ、厳しい電圧マージン、システムの複雑化により、受動的なソリューションの限界が露呈しつつあるとも言えるでしょう。特に、残留電圧が高い、エネルギーの消費を制御できない、部品点数が増えているといった場合、問題は顕著になります。こうした課題に対処するには、受動型のクランプ方式よりも優れた保護方法を適用するべきです。そこで、アナログ・デバイセズは電源を保護するための様々なICソリューションを提供しています（図3）。それらを使用すれば、異常な動作条件が生じたとしても、電圧、電流、電力をアクティブに管理できます。つまり、電磁耐性が大幅に向上します。それだけでなく、システムの設計が簡素化されます。

理想ダイオード・コントローラ

複数の電源の切り替えを実現するためには、標準的なショットキー・ダイオードをOR接続する手法（ORing）がよく使われます。しかし、この手法は順方向の大きな電圧降下や発熱の問題を抱えています。それだけでなく、電源を切り替える際に大きなトランジェント電流が流れ、伝導EMIが発生する可能性があり ま す 。「 LTC4359」をはじめとする理想ダイオード・コントローラを使用すれば、ORingに使用するダイオードを低損失のMOSFETに置き換えることができます。この構成において、理想ダイオード・コントローラはMOSFETの両端に生じる順方向の電圧降下が小さくなるように制御を行います。また、発振を生じさせることなくスムーズに電流を供給できる状態が維持されます。電源に障害が発生したときや入力の短絡が生じたときには、高速のプルダウン機能によって逆方向の電流トランジェントを最小限に抑えます。それにより、ノイズが電源バスへ逆流することを防ぎます。

サージ・ストッパ

従来のTVSダイオードをベースとする保護用回路は、エネルギーをグラウンドに誘導することで問題を解消します。ただ、多くの場合、高い残留電圧が存在することになるので、下流に大型のフィルタを設けなければなりません。TVSダイオードを使用する方法とは異なり、LT4356や「LTC4364」などのサージ・ストッパを使用する方法では、下流の電圧をアクティブに制御します。過電圧が発生した際、それらのICは直列パスのMOSFETを制御して出力の電圧と電流を制限します。それにより、影響を受けやすい負荷に対するサージの残留ストレスが劇的に低減されます。また、サージ・ストッパは、スパイクが発生した際には直列パスのMOSFETを駆動します。それにより、出力電圧を、事前に設定された安全なレベルまでに抑制します。その結果、受動型のクランプ方式を用いた場合に漏れやすい残留サージを抑えられます。サージ・ストッパを使用すれば、下流に大きなフィルタを配置することなく、サージに対する耐性が容易に得られます。

電子ヒューズ

電子ヒューズの例としては、「LTC4368」や「MAX17617/MAX17617A」などが挙げられます。これらのICの主機能は、電源の投入時の動作をアクティブに制御し、過電圧や短絡が発生した場合にフォルト電流を制限するというものです。それにより、電圧のドループや電流のトランジェントを抑制し、障害に起因する電磁妨害が電源バスに伝播することを防ぎます。各ICは、プログラムが可能な電流制限機能、突入電流の制御機能、熱に対する保護機能、過電圧保護機能、低電圧保護機能、障害の発生を通知する機能などを備えています。

ハイサイド・ドライバ

ハイサイド・ドライバの製品ファミリ「LTC700x」は、高電圧／大電流に対応するNチャンネルMOSFETの堅牢な制御を実現します。各製品は、障害に対する高速の応答、広い動作電圧範囲、高精度なゲートの制御といった機能を備えています。それらにより、突入電流や障害によるトランジェントを抑制すると共に、クリーンなターンオン／ターンオフ動作を可能にします。電流検出回路や上流の保護用回路と組み合わせることで、電源の分配方法を管理するための柔軟性と拡張性に優れるソリューションを実現できます。

まとめ

現在は、電磁妨害に対する要件と機能安全に対する要件がより厳しくなっている状況にあります。そのため、電源回路にはディスクリート部品を使用する基本的な保護手段よりも高度な対策を適用する必要があります。ICによる電力パスの制御機能、サージをアクティブに制御する機能、プログラムが可能なフォルト管理機能などにより、EMCの試験の条件下においても、予測可能な動作と高い堅牢性を実現できます。アナログ・デバイセズは保護用のICソリューションとして、サージ・ストッパ、理想ダイオード・コントローラ、電子ヒューズ、ハイサイド・ドライバなどの製品群を提供しています。それらを使用することにより、SRSの電磁耐性を高められる実証済みのソリューションを実現できます。

参考資料

¹ 「 Guide to EMC Standards for Power Supplies（電源装置に関するEMC規格ガイド）」TDK-Lambdas Americas、2025年3月

² 「 IEC/EN61000 Standards for Power Supplies（電源向けのIEC/EN 61000規格）」Advanced Energy、2019年

³「IEC 61508-2. Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems - Part 2: Requirements for Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems（IEC 61508-2　電気・電子・プログラマブル電子安全関連系の機能安全 - 第2部：電気・電子・プログラマブル電子安全関連系に対する要求事項）」International Electrotechnical Commission、2010年4月

⁴ 「 Functional Safety and EMI（機能安全とEMI）」exida、2018年

⁵「IEC 61000-1-2. Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part 1-2: General-Methodology for the Achievement of Functional Safety of Electrical and Electronic Systems Including Equipment with Regard to Electromagnetic Phenomena（IEC 61000-1-2　電磁両立性（EMC） - 第1-2部：一般 - 機器を含む電気及び電子システムの電磁現象に対する機能安全実現のための方法論）」 International Electrotechnical Commission、2016年4月

⁶「IEC 61326-3-1. Electrical Equipment for Measurement, Control and Laboratory Use-EMC Requirements - Part 3-1: Immunity Requirements for Safety-Related Systems and for Equipment Intended to Perform Safety-Related Functions (Functional Safety) - General Industrial Applications（IEC 61326-3-1　計測用、制御用及び試験室用の電気装置　電磁両立性要求事項　第3-1部：安全関連システム及び安全関連機能（機能安全）の遂行を意図した装置に対するイミュニティ要求事項 - 一般工業用途）」International Electrotechnical Commission、2017年5月

⁷「IEEE Standard for Techniques and Measures to Manage Functional Safety and Other Risks with Regard to Electromagnetic Disturbances（電磁妨害に関する機能安全およびその他のリスクを管理するための技術および対策に関するIEEE規格）」IEEE、2021年4月

⁸「 Practical Aspects of EMI Protection（EMI対策の実践的な側面）」Analog Devices、2002年8月

⁹Vikky K「How to Select a TVS Diode to Suppress Transients in Electrical Circuits?（電気回路のトランジェントを抑制するためのTVSダイオードを選定する方法）」Embedded Hardware Design、2024年12月

著者について

Bryan Angelo Borres

Bryan Angelo Borresは、アナログ・デバイセズのプロダクト・アプリケーション担当シニア・エンジニアです。産業用の機能安全が専門であり、TÜV認定の機能安全エンジニアでもあります。コンポーネント設計者やシステム・インテグレータがIEC

Camille Bianca Gomez

Camille Bianca Gomezは、アナログ・デバイセズのプロダクト・アプリケーション担当シニア・エンジニアです。保護用のコントローラ製品を担当しています。2022年3月の入社当初は、高性能の監視回路製品のサポートや開発に従事。それ以前は自動車の製造業界で設計技術者として3年半勤務し、エンジニアリング設計や製品開発の経験を積み重ねました。デ・ラ・サール大学ラグナ・キャンパスで電子工学の学士号を取得しています。