JP2020030073A

JP2020030073A - 電子製品の評価方法および評価装置

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Publication number: JP2020030073A
Application number: JP2018154669A
Authority: JP
Inventors: 秀勝佐々木; Hidekatsu Sasaki; 宏靖佐野; Hiroyasu Sano
Original assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Current assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2038-08-21
Also published as: JP7075121B2

Abstract

【課題】電子製品の誤動作原因となるノイズ周波数を明確にし、さらに誤動作の原因であるノイズを低減させる際のレベル指標を定める、電子製品の評価方法およびこの方法を用いた評価装置を提供する。【解決手段】ノイズ源１２が電子製品１０に備えられた伝送線路へコモンモードノイズの周波数をスイープしながら注入する第１過程と、前記伝送線路を介して前記電子製品１０に備えられたデバイス３０の端子３１，３２に注入されたコモンモードノイズの各周波数におけるノイズレベルを示す周波数特性を測定する第２過程と、前記デバイス３０に誤動作が発生する各ノイズ周波数におけるノイズレベルを示す耐久特性を取得する第３過程と、前記周波数特性と前記耐久特性とから、前記電子製品１０に誤動作を発生させる前記コモンモードノイズの周波数帯を特定する第４過程とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電子デバイスを用いて構成された電子製品の評価方法および評価装置に関する。

半導体素子などを用いた電子回路等が構成されている電子製品は、例えば、モータなどの動作時に発生するノイズが電源ラインや信号線などに重畳し、誤動作を起こすことがある。
電子回路等に誤動作を発生させるノイズとして、例えば、ファーストトランジェントバーストノイズ（Electrical Fast Transient/Burst noise ：以下、ＥＦＴ／Ｂノイズと記載する）がある。
このＥＦＴ／Ｂノイズは、回路ユニット等において、基準電位（基準グラウンド）と回路配線等との間に生じる電圧変動であり、回路ユニット等を構成する高電位側配線とシグナルグランド等の低電位側配線の両方に重畳されるノイズである。そのため、例えば、コモンモードフィルタなどを回路配線の適当な部位に備えて減少させている。

ＥＦＴ／Ｂノイズの影響を抑制するため、通信装置用電源にサージ吸収非線形素子等を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。この技術は、直流給電のリターン線のＧ線と、アース線のＥ線との間にサージ吸収非線形素子を介装し、Ｇ線とＥ線との間に生じるノイズ電圧をクランプする。また、ファーストトランジェントノイズの立ち上がり時間を遅らせるキャパシタンスを備え、これらによって、通信装置へ供給する電力に重畳している、もしくは含まれているファーストトランジェントノイズを効果的に吸収抑制するものである。

また、ＩＣやＬＳＩなどのデバイスのＥＭＣ評価において、ＤＰＩ（Direct Power injection）法が標準化されており、高周波ノイズ信号（ディファレンシャルモードノイズ）を上記のデバイスへ入力させ、ＤＰＩ法に則して当該デバイスの誤動作耐久評価を行う技術がある（例えば、特許文献２参照）。
この技術は、ＤＰＩテストを統括するコントローラが、高周波信号を発振してデバイスへ注入し、当該デバイスの動作に、パルス抜けや周波数乱れ、出力電圧の規格外れ、または、通信エラーなどを起したか否かを判定するものである。
ＤＰＩテストにおいて、上記のコントローラは、高周波信号の周波数をスイープして上記のような誤動作が発生した時点における注入電力（高周波信号）の演算結果を求め、高周波信号の周波数と誤動作発生時の注入電力とを関連付けた誤動作電力周波数特性を求めている。

特許第３３２９９８７号公報特許第６２８３１７４号公報

前述のコモンモードフィルタを使用する場合、コモンモードノイズをどの程度まで抑えると良いのか指標となるものが無い。そのため、多種多様なノイズ減衰用フィルタ素子などを回路内に備える場合が多くなり、コスト上昇とともに電子製品の小型化を難しくするという問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、電子製品の誤動作原因となるノイズ周波数を明確にし、ノイズを低減させる際のレベル指標を定める、電子製品の評価方法およびこの方法を用いた評価装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電子製品の評価方法は、ノイズ源が電子製品に備えられた伝送線路へコモンモードノイズの周波数をスイープしながら注入する第１過程と、前記伝送線路を介して前記電子製品に備えられたデバイスの端子に注入されたコモンモードノイズの各周波数におけるノイズレベルを示す周波数特性を測定する第２過程と、前記デバイスに誤動作が発生する各ノイズ周波数におけるノイズレベルを示す耐久特性を取得する第３過程と、前記周波数特性と前記耐久特性とから、前記電子製品に誤動作を発生させる前記コモンモードノイズの周波数帯を特定する第４過程と、を有することを特徴とする。

また、前記第４過程は、前記周波数特性を示す特性曲線および前記耐久特性を示す特性曲線を、横軸が周波数で縦軸がノイズレベルのグラフに示したとき、前記周波数特性曲線が前記耐久特性曲線以上のノイズレベルになる周波数帯を、前記電子製品に誤動作を発生させる周波数帯であると特定する、ことを特徴とする。

また、前記第１過程は、前記電子製品の２つの伝送線路に前記ノイズ源から同一振幅であって同位相のコモンモードノイズを注入し、前記第２過程は、前記２つの伝送線路に各々接続している前記デバイスの２つの端子間の電位差を測定することにより前記周波数特性を取得する、ことを特徴とする。

また、本発明に係る評価装置は、電子製品に備えられた伝送線路へコモンモードノイズの周波数をスイープしながら注入するノイズ源と、前記伝送線路を介して前記電子製品に備えられたデバイスの端子に注入されたコモンモードノイズを測定する測定部と、を備え、前記測定部は、前記デバイスの端子からコモンモードノイズを入力して所定様式のデータに変換する入力部と、前記入力部から出力されたデータを用いて所定の演算処理を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記デバイスの端子から入力したコモンモードノイズの各周波数におけるノイズレベルを示す周波数特性を表したデータを取得するとともに、前記デバイスに誤動作が発生する各ノイズ周波数におけるノイズレベルを示す耐久特性を表したデータを取得し、前記周波数特性を表したデータと前記耐久特性を表したデータとを用いて、前記電子製品に誤動作を発生させる前記コモンモードノイズの周波数帯を特定する、ことを特徴とする。

また、前記制御部は、前記周波数特性を示す特性曲線および前記耐久特性を示す特性曲線を、横軸が周波数で縦軸がノイズレベルのグラフに示したとき、前記周波数特性曲線が前記耐久特性曲線以上のノイズレベルになる周波数帯を前記各データを用いた演算によって抽出し、前記電子製品に誤動作を発生させる周波数帯であると特定する、
ことを特徴とする。

また、前記ノイズ源は、前記電子製品の２つの伝送線路に同一振幅であって同位相のコモンモードノイズを注入し、前記測定部は、前記２つの伝送線路に各々接続する前記デバイスの２つの端子間の電位差を測定することにより前記周波数特性を取得する、ことを特徴とする。

本発明によれば、電子製品の誤動作原因となる周波数を特定することができ、当該周波数に適した対策を施すことにより、効率よくノイズを削減することが可能になる。

本発明の実施例による評価装置の概略構成を示す説明図である。図１の評価装置によって測定した周波数特性を示す説明図である。図１のデバイスの耐久特性を示す説明図である。電子製品の誤動作原因として特定する周波数帯を示す説明図である。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
（実施例）
図１は、本発明の実施例による評価装置の概略構成を示す説明図である。この評価装置は、各周波数の高周波信号を出力する発振器等のノイズ源１２と、電子製品１０の各部からノイズ信号等を検出し、所定様式のデータへ変換して演算処理を行う計測装置１１によって構成されている。
ノイズ源１２は、２つの高周波信号を出力するように構成されており、上記の高周波信号を所望の振幅大きさ（信号レベル）に調整することができ、また２つの信号の位相を調整することができるように構成されている。また、所望の周波数帯域において、高周波信号の周波数をスイープすることができるように構成されている。

計測装置１１は、電子製品１０の所望の部分から高周波のノイズ信号を検出する（入力する）プローブ２０を備えている。なお、プローブ２０は、例えば２［ｋＶ］のコモンモード電圧に対応する高耐圧型の差動プローブである。
計測装置１１は、例えばスペクトラムアナライザの機能を備え、プローブ２０を用いて入力したコモンモードノイズなどの高周波信号等を所定様式のデータに変換する入力部２１、ＣＰＵやＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのプロセッサを備えて所定のデータ処理、演算等を行う制御部２２、制御部２２の演算処理に用いるデータや制御プログラム等を記憶し、また、制御部２２が行った演算結果等を記憶する記憶部２３などを備えている。

制御部２２は、例えば入力部２１から順次入力するデータを処理し、後述する各特性を表すデータを生成し、また、これらのデータを用いた演算処理を行って上記の特性を表す特性曲線から所定領域等を求めるように構成されている。
後述する各特性曲線等に関連する動作処理は、各特性などを表すデータを用いて制御部２２が演算処理等によって行うものである。

評価対象の電子製品１０は、デバイス３０などの回路素子等を、図示を省略した基板に実装し、当該基板に形成された配線パターン等によって上記の各回路素子等を接続した電子回路を備えている。
デバイス３０は、例えばＩＣやＬＳＩ等の半導体集積回路素子であり、複数の端子ピンを備えて構成されている。
図１に例示したデバイス３０は、外部から電力を入力する電源端子ピンのＶｄピン３１、デバイス３０の内部回路のグラウンド部分（シグナルグラウンド）と接続されているＳＧピン３２などを備えている。Ｖｄピン３１は、電子製品１０内部に備えられた伝送線路１２１に接続されている。また、ＳＧピン３２は、電子製品１０内部に備えられた伝送線路１２２に接続されている。伝送線路１２１，１２２は、いずれも基準グラウンド１２０に接続されていない。

次に動作について説明する。
電子製品１０の評価を行うとき、初めに、ＥＦＴ／Ｂノイズが当該電子製品１０へ侵入した場合に、デバイス３０等が実装されている前述の基板上、もしくは電子製品１０内部において発生する電位差を観測する。
この電位差の観測は、図１に示したように、デバイス３０のＶｄピン３１とＳＧピン３２にそれぞれ接続される伝送線路１２１，１２２（電子製品１０内部のコモンモード電圧の伝送線路）にノイズ源１２を接続する。また、Ｖｄピン３１とＳＧピン３２にプローブ２０を接触もしくは接続する。

上記のように各部を接続して電子製品１０を動作状態とし、ノイズ源１２からノイズ信号を出力させ、上記の端子ピン間の電位差（図１に示した電位差Ｖ３）を計測装置１１に入力して波形観測し、当該電位差の大きさを測定する。
この電位差の測定は、ノイズ源１２が発生するノイズ信号の周波数をスイープさせ、各周波数において電子製品１０に誤動作が生じる信号強度を測定する。
なお、この測定を行うとき、ノイズ源１２から同じ大きさの振幅で同位相のノイズ信号を伝送線路１２１と伝送線路１２２へ出力し、電子製品１０にコモンモードノイズを注入する。

図１に例示した評価装置では、ノイズ源１２から電圧Ｖ１のノイズ信号を伝送線路１２１へ出力し、また、電圧Ｖ２のノイズ信号を伝送線路１２２へ出力している。
ここで、ノイズ源１２から出力される電圧Ｖ１および電圧Ｖ２は、ノイズ源１２の各出力端子等と基準グラウンド１２０との間に生じる電位差であり、当該ノイズ源１２の出力端子において、同一の振幅大きさ（同一のノイズレベル）である。

図２は、図１の評価装置によって測定した周波数特性を示す説明図である。この図は、伝送線路１２１,１２２へ入力するノイズ信号の振幅を所定大きさ（一定の大きさ）とし、当該ノイズ信号の周波数をスイープしたとき、各周波数において観測されたデバイス３０のＶｄピン３１とＳＧピン３２との間の電位差Ｖ３を示したものである。
図中、横軸はノイズ源１２から出力されるノイズ信号の周波数を示し、縦軸はＶｄピン３１とＳＧピン３２との間において観測された電位差Ｖ３（デバイス３０に注入されたノイズレベル）を示している。

また、図中、特性曲線ａは、電子製品１０に誤動作が発生する振幅大きさ（ノイズレベル）のノイズ信号（ＥＦＴ／Ｂノイズ）を各伝送線路へ入力したとき、デバイス３０の前述のピン間において測定した周波数特性を示している。
また、特性曲線ｂは、電子製品１０が正常に動作することができる振幅大きさのノイズ信号（ＥＦＴ／Ｂノイズ）を前述の各伝送線路へ入力したとき、デバイス３０の前述のピン間において測定した周波数特性を示している。

電子製品１０の評価を行うときには、前述の周波数特性を取得するとともに、次に説明するＤＰＩ法によるデバイス３０の耐久特性（イミュニティ特性）を取得する。
デバイス３０のノイズに対する耐久特性を測定するときには、例えばデバイス３０の評価ボード（図示省略）を用いる。評価ボードには所定の端子等が備えられており、所定の端子に外部電源装置を接続し、デバイス３０に電源電力が供給されるように接続する。また、例えば、デバイス３０のＶｄピン３１に、高周波信号（ＥＦＴ／Ｂノイズ）が注入されるように、例えば評価ボードの所定端子に方向性結合器（ディレクショナルカプラ）を介してノイズ源１２（ＲＦモジュレータ等）を接続する。また、例えば上記の方向性結合器を介して計測装置１１（ＲＦパワーメータ等）を評価ボードに接続する。

上記のように各部を接続しておき、ノイズ源１２からデバイス３０の例えばＶｄピン３１ならびにＳＧピン３２へ直接高周波信号を注入する。このとき、Ｖｄピン３１とＳＧピン３２の間の電位差Ｖ３を測定する。
詳しくは、初めに、評価ボードのデバイス３０を動作させずに、例えば、評価ボードに設けられているノイズ入力端子（ノイズ注入ポート等）に所定強度のノイズ信号を供給し、このとき計測装置１１が示した計測値を取得する。この計測値を各ノイズ周波数において求め、当該評価ボードのノイズ入力端子から方向性結合器を介して計測装置１１までの伝送線路が有する伝送特性を測定する。

この後、評価ボード等に電源電力を供給してデバイス３０を動作状態とし、ノイズ源１２から出力するノイズ信号の強度（ノイズレベル）を変化させて、デバイス３０に誤動作が生じるノイズレベルを測定する。
ここで取得するデバイス３０に誤動作が生じるノイズレベルは、実測値に前述の伝送特性を加味して求めた値である。

図３は、図１のデバイス３０の耐久特性を示す説明図である。この図は、前述のようにＤＰＩ法によって測定したデバイス３０のノイズに対する耐久特性の特性曲線ｃを示したもので、例えば評価ボードに実装されたデバイス３０のＶｄピン３１とＳＧピン３２にコモンモードノイズを注入し、当該デバイス３０に誤動作が発生したときのノイズレベルを縦軸に示し、当該ノイズレベルで誤動作が発生したときのノイズ周波数を横軸に示している。
例えば、図１に示した計測装置１１の制御部２２は、前述のように電子製品１０の周波数特性を測定し、例えば図２に示した周波数特性の特性曲線ａを表すデータを取得する。また、前述のＤＰＩ法により耐久特性の特性曲線ｃを表すデータを取得する。

なお、デバイス３０の耐久特性は、前述のように計測装置１１等を用いて実際に測定してもよいが、計測装置１１の外部から当該耐久特性を表すデータを取得し、例えば記憶部２３などに予め記憶させておき、制御部２２が演算処理に用いる際に記憶部２３から読み出すように構成してもよい。
デバイス３０の耐久特性を取得した後、制御部２２は、前述の周波数特性（特性曲線ａ）および耐久特性（特性曲線ｃ）を表すデータを用いて、電子製品１０についてノイズ対策を要するノイズ周波数帯を特定する処理（演算処理等）を行う。

図４は、電子製品１０の誤動作原因として特定する周波数帯を示す説明図である。この図は、図２の特性曲線ａ，ｂと図３の特性曲線ｃとを、縦軸ならびに横軸のスケールを同一に揃えてグラフ表示したものである。
例えば制御部２２は、上記のグラフに各特性曲線を示したとき、ノイズレベルに関して特性曲線ａが特性曲線ｃ以上になっている周波数帯を抽出し、これをノイズ対策を要する周波数帯として特定する。

即ち、制御部２２は、図４に示した領域ｄを演算処理等によって求め、当該領域ｄに該当する周波数帯を抽出する。
領域ｄは、電子製品１０に誤動作を発生させるノイズレベルが、ＤＰＩ法によって取得したデバイス３０の耐久特性を超えている領域である。

この領域ｄが示す周波数帯のＥＦＴ／Ｂノイズが、電子製品１０に誤動作を発生させる原因であることから、当該周波数帯のコモンモードノイズを例えば基準グラウンド１２０へ放出させる素子等（例えばバイパスコンデンサ）を、電子製品１０の適当な位置に備えるとよい。
また、電子製品１０にノイズ対策を施す場合には、領域ｄの周波数帯におけるノイズレベルを、特性曲線ｃ（デバイス３０の耐久特性）が示すノイズレベル未満に抑制するとよい。このように、制御部２２が領域ｄを求めることにより、電子製品１０のノイズ低減を行う際のレベル指標を定めることも可能になる。

１０電子製品
１１計測装置
１２ノイズ源
２０プローブ
２１入力部
２２制御部
２３記憶部
３０デバイス
３１Ｖｄピン
３２ＳＧピン
１２０基準グラウンド
１２１，１２２伝送線路

Claims

ノイズ源が電子製品に備えられた伝送線路へコモンモードノイズの周波数をスイープしながら注入する第１過程と、
前記伝送線路を介して前記電子製品に備えられたデバイスの端子に注入されたコモンモードノイズの各周波数におけるノイズレベルを示す周波数特性を測定する第２過程と、
前記デバイスに誤動作が発生する各ノイズ周波数におけるノイズレベルを示す耐久特性を取得する第３過程と、
前記周波数特性と前記耐久特性とから、前記電子製品に誤動作を発生させる前記コモンモードノイズの周波数帯を特定する第４過程と、
を有することを特徴とする電子製品の評価方法。
前記第４過程は、
前記周波数特性を示す特性曲線および前記耐久特性を示す特性曲線を、横軸が周波数で縦軸がノイズレベルのグラフに示したとき、前記周波数特性曲線が前記耐久特性曲線以上のノイズレベルになる周波数帯を、前記電子製品に誤動作を発生させる周波数帯であると特定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電子製品の評価方法。
前記第１過程は、
前記電子製品の２つの伝送線路に前記ノイズ源から同一振幅であって同位相のコモンモードノイズを注入し、
前記第２過程は、
前記２つの伝送線路に各々接続している前記デバイスの２つの端子間の電位差を測定することにより前記周波数特性を取得する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電子製品の評価方法。
電子製品に備えられた伝送線路へコモンモードノイズの周波数をスイープしながら注入するノイズ源と、
前記伝送線路を介して前記電子製品に備えられたデバイスの端子に注入されたコモンモードノイズを測定する測定部と、
を備え、
前記測定部は、
前記デバイスの端子からコモンモードノイズを入力して所定様式のデータに変換する入力部と、
前記入力部から出力されたデータを用いて所定の演算処理を行う制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記デバイスの端子から入力したコモンモードノイズの各周波数におけるノイズレベルを示す周波数特性を表したデータを取得するとともに、前記デバイスに誤動作が発生する各ノイズ周波数におけるノイズレベルを示す耐久特性を表したデータを取得し、
前記周波数特性を表したデータと前記耐久特性を表したデータとを用いて、前記電子製品に誤動作を発生させる前記コモンモードノイズの周波数帯を特定する、
ことを特徴とする評価装置。
前記制御部は、
前記周波数特性を示す特性曲線および前記耐久特性を示す特性曲線を、横軸が周波数で縦軸がノイズレベルのグラフに示したとき、前記周波数特性曲線が前記耐久特性曲線以上のノイズレベルになる周波数帯を前記各データを用いた演算によって抽出し、前記電子製品に誤動作を発生させる周波数帯であると特定する、
ことを特徴とする請求項４に記載の評価装置。
前記ノイズ源は、
前記電子製品の２つの伝送線路に同一振幅であって同位相のコモンモードノイズを注入し、
前記測定部は、
前記２つの伝送線路に各々接続する前記デバイスの２つの端子間の電位差を測定することにより前記周波数特性を取得する、
ことを特徴とする請求項４または５に記載の評価装置。