ECU設計で失敗しない！IC入力端子のプルアップ・プルダウン処置と実験で学ぶ安定設計

ECU設計に初めて取り組む方へ。ICの入力端子は、未使用のまま放置すると予期せぬ誤動作やノイズの原因となります。多くの方が、流用回路を参考に入力端子に抵抗を入れているものの、「なぜ必要なのか」は意外と知らずに作業しているかもしれません。端子処理の意味や重要性を理解することで、より安定した設計が可能になります。本記事では、なぜ端子処理が必要なのか、プルアップ・プルダウンの基本、そして実際の実験結果を交えながら、初心者にも分かりやすく解説します。

IC入力端子の未使用処理が必要な理由

ECU設計において、ICの入力端子を未使用のまま放置すると、予期せぬ誤動作やノイズの原因となります。特にCMOS入力端子はオープン状態だと電位が不安定になり、外部からのノイズや静電気の影響を受けやすくなります。未使用端子を適切に処理することで、安定した動作とノイズ耐性を確保できます。実際、端子処理をしない場合、LEDが不安定に点灯したり、ICのHi/Low判定が正しく認識されなくなったり、といった現象が発生します。こうした誤動作は、設計段階で見逃されがちですが、量産後のトラブルにつながることもあるため、初心者の方も端子処理の重要性を理解しておくことが大切です。

プルアップ・プルダウンの基本

すべてのIC入力端子に必ずプルアップやプルダウンが必要というわけではありません。ICの仕様によっては内部でプルアップ・プルダウン抵抗が実装されている場合もあり、また用途によっては未接続でも問題ないケースも存在します。設計時には、使用するICのデータシートや回路図をよく確認し、必要に応じて外部抵抗を追加してプルアップまたはプルダウン処置をします。抵抗値は一般的に1kΩ〜10kΩ程度が使われますが、ノイズ耐性や消費電力なども考慮して選定しましょう。正しい知識を持って、状況に応じた端子処理を行うことが、安定したECU設計につながります。

プルアップは、入力端子をVcc（電源）側に抵抗で接続し、通常時はHiレベルを維持します。一方、プルダウンは、入力端子をGND（グランド）側に抵抗で接続し、通常時はLowレベルを維持します。
ICの入力端子にプルアップ・プルダウン抵抗を追加した場合の回路例とIC入力端子電圧を図示しました。プルアップ・プルダウンがある場合、スイッチのON/OFFの状態に関わらず、IC入力端子の電圧レベルは安定します。

一方、プルアップ・プルダウン抵抗がない場合、スイッチOFF状態ではIC入力端子は「オープン」となり、電気的にどこにも接続されていない浮いた状態になります。このとき、入力端子の電位（電圧）は不安定（不定）となり、外部からのノイズや人体の静電気など、微弱な電流や電圧の影響を受けやすくなります。

なぜ入力端子の電位は不安定になるのか？

「不安定」とは、入力端子の電位が0V（Low）でも電源電圧（Hi）でもなく、どちらとも判定できない中途半端な状態を指します。この状態では、IC内部の回路が正しく動作せず、誤動作やノイズの影響を受けやすくなります。このようなオープン状態の入力端子は、周囲の電磁波や静電気、他の回路からの漏れ電流などによって、端子の電位が予測できない値に変動します。これをICが「Hi」と「Low」を誤って判定し、LEDがチカチカ点滅するなど、意図しない動作が発生します。安定した動作のためには、必要に応じてプルアップ・プルダウンを設けて端子の電位を明確にすることが重要です。

実験：プルアップ・プルダウンの有無による挙動比較

IC入力端子模擬回路の制作

プルアップ・プルダウンの有無による挙動を比較する実験を行いました。ここでは視覚的に分かりやすくするため、IC入力端子の電位状態をLEDで点灯させる模擬回路を制作しました。このIC入力端子模擬回路は、入力端子にHiが入力されると緑LEDが点灯し、Lowが入力されると赤LEDが点灯します。

MOSFET	2N7000
緑LED	OSXX5154A-VV
赤LED	OSR6LU5B64A-5V

部品リスト

入力端子の電位状態をLEDで表現するIC入力端子模擬回路

入力端子のHi/Lowの定義と安定動作のポイント

書籍によっては、入力端子に電源電圧が印加された状態をHi、0Vが印加された状態をLowと説明している場合があります。しかしこの表現だけでは、入力端子が「オープン」状態、つまりどこにも接続されていない場合に電位が不安定になる理由を説明しきれません。
ICの入力端子のHi/Low判定は、端子の電位がIC内部のしきい値を超えているかどうかで決まりますが、入力端子に流れる電流をイメージすると「オープン」状態の理解が進みます。Hi状態では、電源（Vcc）から入力端子に向かって電流が流れます。Low状態では、入力端子からGNDに向かって電流が流れます。
※ICのデータシートでは、入力端子の信号のHi/Low状態を判定する電圧範囲として、Hiしきい値は”Vih=0.7*Vcc以上”、”Vil=0.3*Vcc以下”など、電源電圧を基準とした具体的な値で記述されています。
プルアップ・プルダウンがない場合、入力端子はオープンとなり、電流の流れが途切れるため端子は安定した電位を保つことができず、入力端子電圧は「不安定」になります。この状態で外部ノイズや静電気などの微小な電流が端子に加わると、入力端子の電位は容易に変動してしまい、ICはこの不安定な電位をHiともLowとも確定できずに誤動作を引き起こす要因となります。
一方、プルアップ・プルダウンを設置すれば、抵抗を介して「電源から入力端子へ」または「入力端子からGNDへ」微弱ながらも一定の電流が常に流れるため、端子は安定した電位を保つことができます。
このように、プルアップ・プルダウン抵抗を正しく設置すれば、入力信号がOFFの状態でも端子の電位を安定させるのに必要な電流の流れを確保することができ、外部ノイズや静電気による誤動作を防いで安定した動作を実現できます。

入力端子模擬回路にプルアップ・プルダウンを追加して実験する

IC入力端子模擬回にスイッチとプルアップ・プルダウンを追加した回路を制作し、スイッチON/OFF状態でのLEDの挙動を確認してみました。

プルアップありの場合、スイッチOFFで緑LED点灯（Hi入力）、スイッチONで赤LED点灯（Low入力）し、期待通りの動作を示しました。また、プルダウンありの場合も、スイッチOFFで赤LED点灯（Low入力）、スイッチONで緑LED点灯（Hi入力）し、同様に期待通りの結果となりました。これは、プルアップ・プルダウンによりスイッチOFFのときにも入力端子が安定した電位を保っていられる例です。

入力端子模擬回路でプルアップを除いて実験する

プルアップ・プルダウンがない場合は、LEDはどのような挙動を示すのでしょうか？
IC入力模擬回路にGND側のスイッチのみを追加して、プルアップを設置しない回路を制作して動作を確認しました。

プルアップなしの場合、ボタン操作に関係なくLEDが不安定に点灯し、入力端子部分を指で触れるだけで緑LEDと赤LEDの輝度が不安点に変化する挙動を示しました。上の写真の例では、スイッチOFFの状態で入力端子部分を指で触れると、本来は緑LED（Hi入力）または赤LED（Low入力）のいずれか一方しか点灯しないはずが、両方のLEDが中途半端な輝度で点灯してしまっています。これは、入力端子がオープン状態となり、外部ノイズや人体の静電気によって電位が変動するためです。プルダウンを未実装にした場合も同様に、このような不安定動作が発生します。こうした実験結果からも、プルアップ・プルダウンの有無がIC入力端子の安定動作に直結することが分かります。初心者の方も、実験を通じてその重要性を体感してみてください。

電流制限抵抗としての役割

プルアップ・プルダウン抵抗は、入力信号が「不定」になるのを防ぐだけでなく、プリント基板に流れる電流を制限し保護する目的で使用する場合もあります。たとえば、スイッチがONになった際、抵抗値が低すぎるとプリント基板に過大な電流が流れ最悪発火するリスクがあります。逆に、抵抗値が高すぎると入力端子の電位を安定させるのに十分な電流量を確保できず、外部からの微小なノイズで誤動作が起こりやすくなるなどノイズ耐性が低下します。

電流制限抵抗の例

電流制限抵抗には一般的には1kΩ〜10kΩ程度の抵抗値が使われますが、最適な値は回路の仕様や使用するICによって異なります。設計時には、必ずICのデータシートや参考回路を確認し、適切な抵抗値を選定することが重要です。抵抗値の選定ポイントとしては、消費電力・ノイズ耐性・ICの入力電流許容値などを総合的に考慮します。
プルアップ・プルダウン抵抗は、単なる端子処理だけでなく、ICの長寿命化や安定動作にも大きく貢献します。正しい抵抗値を選ぶことで、回路全体の信頼性向上につながります。

まとめ

IC入力端子の未使用処理は、安定したECU設計の基本です。プルアップ・プルダウン抵抗を適切に選定・配置することで、誤動作やノイズの影響を防げます。
初心者の方も、実験を通じてその重要性を体感し、今後の設計に役立ててください。