ECU設計で失敗しない！IC入力端子のプルアップ・プルダウン抵抗値の決め方と安定設計のポイント

設計現場でよく使われる抵抗値

設計の現場では、10kΩ～100kΩ程度の抵抗値がよく使われますが、用途やICの仕様によって最適値は異なります。消費電力を抑えたい場合はやや大きめ、ノイズ耐性を重視する場合はやや小さめの値を選ぶのが一般的です。
ロジックIC・一般デジタル入力向けでよく使われるプルアップ・プルダウン抵抗値を、用途と使用環境別にまとめました。

ICの入力容量と立ち上がり時間を考慮する

プルアップ・プルダウン抵抗値の選定にあたっては、ICの入力容量や立ち上がり時間も考慮しなければなりません。高速な信号伝送が必要な場合、抵抗値が大きすぎると信号遅延が発生し、タイミング不良の原因となるため、入力容量と立ち上がり時間も考慮する必要があります。
さらに、前の章で説明したように、抵抗値の選定では極端な値を避けることも重要です。

では、実際にどのくらいの抵抗値が適切なのでしょうか？
ここで重要になるのが、ICのデータシートです。データシートには、入力端子のHigh/Low判定に必要な電圧や、許容されるリーク電流、入力容量などが記載されています。これらの情報をもとに、抵抗値を計算で求めることができます。
参考までに、CMOSロジックICのデータシートでは、入力Highレベルのしきい値と入力リーク電流の仕様は以下のように定義されています。

静的条件からのプルアップ抵抗の上限の決め方

まずはデータシートの静的電気的特性の情報から、プルアップ抵抗の上限を決めます。プルアップ抵抗の上限は、主にIC入力端子が確実にHighレベル（論理High）として認識されること、ノイズや外乱の影響を受けにくいことを基準に決めます。

基本的な考え方

• 1. ICの入力リーク電流を考慮する
  ICのデータシートに記載されている最大入力リーク電流I_IN(max)を確認します。
• 2. Highレベルのしきい値V_IH(min)を満たすこと
  入力端子が確実にHighと認識されるためには、プルアップ抵抗を通じて十分な電圧が入力端子にかかる必要があります。
• 3. 計算式
  オームの法則を使い、次のように上限値を求めます。

V_cc：電源電圧
V_IH(min)：ICがHighと認識する最小電圧
I_IN(max)：最大入力リーク電流

計算例

例として、入力端子の電気的特性が「電源Vcc=5V、V_IH(min)=0.7 x Vcc、I_IN(max)= 1uA」の場合に必要なプルアップ抵抗を考えてみます。V_IH(min)はHigh電圧閾値で、入力端子が確実にHighレベルを判定できる入力電圧です。V_cc電圧レンジによって特性が変わるため、V_cc電圧に応じた値を使用します。I_IN(max)は最大入力リーク電流で、IC入力端子の内部構造により本来流れないはずの状態でも、わずかに流れてしまう電流です。 プルアップ抵抗が設置された入力端子に、I_IN(max)の入力リーク電流が流れており、入力電圧がV_IH(min)になるための抵抗値R_maxを計算してみます。

計算結果より、プルアップの抵抗値を最大1.5MΩとすれば、ICは入力端子をHighと認識してくれることがわかります。

リーク電流とHighレベルしきい値からプルアップ抵抗値を求める

動的条件からのプルアップ抵抗の上限の決め方

I_IN(max)と V_IH(min)から求めたプルアップ抵抗の上限R_max 1.5 MΩ は、あくまで静的条件で High を判定できるための上限値です。しかし、実際の回路では入力端子には 入力容量C_in が存在するため、信号の立ち上がりは緩やかになります。プルアップ抵抗の選定にあたっては、信号の立ち上がり時間を決める、入力容量C_inと組み合わせた RC 時定数(τ=R∙C_in)が重要な要素になります。
プルアップ抵抗を備えた入力端子の電圧は、スイッチがオープンされた瞬間にすぐ High になるわけではなく、RC 充電曲線に従ってゆっくりと上昇します。
この立ち上がりが遅すぎると、以下の問題が発生します。

• 信号の立ち上がりが緩やかになり、ICが論理値Highを判定するのに時間がかかる
• ノイズが乗りやすく誤判定の原因になる
• 高速信号ではタイミング不良を引き起こす

一般に、デジタル入力が安定して High と認識されるには 3〜5τ 程度 が必要とされます。多くのマイコンやロジック IC の入力容量は 5〜20 pF 程度です。
ここでは代表値として C_in = 10 pF を用いて、プルアップ抵抗値を1k～1MΩの範囲で変化させたときの信号の立ち上がり時間を計算します。

プルアップ抵抗が1 MΩ の場合、立ち上がりが 50 µs もかかり、ノイズの多い環境や高速信号では不安定になります。一方で、10 kΩ 程度であれば 0.5 µs 程度で安定し、多くの ECU やデジタル回路で十分な応答速度が得られます。

I_IN(max)と V_IH(min)から求めたプルアップ抵抗の上限R_maxは1.5 MΩ でしたが、RC 時定数による立ち上がり時間を考慮すると、実務的には 10k〜100 kΩ 程度が上限になります。特にノイズが多い環境では、入力端子のインピーダンスを高くしすぎると外来ノイズの影響を受けやすくなるため、さらに余裕を見て1k〜10 kΩ 程度が選ばれることが多くなります。

プルアップ抵抗の下限の決め方

プルアップ抵抗の下限は、主にスイッチやICがON（Low）になったときに流れる電流が、ICやスイッチの許容値を超えないことを基準に決めます。
抵抗値が小さすぎると、スイッチON時に流れる電流が大きくなりすぎ、ICやスイッチ素子、さらにはプリント基板の配線定格を超えてしまう危険性があります。

基本的な考え方

• 1. ICやスイッチの許容電流を確認する
  データシートで「最大入力電流」や「最大シンク電流」などの項目を確認します。
• 2. 最大電流から抵抗値の下限を計算する
  オームの法則 $I=\frac{V}{R}$ を使い、以下の式で求めます。

計算例

例として、入力端子の電気的特性が「電源V_cc=5V、I_max= 5 mA」の場合に必要なプルアップ抵抗R_minを考えてみます。I _maxは端子許容電流で、IC入力端子に流し込むことができる最大の電流値でこれ以上流すとICが破損してしまう値です。
抵抗値R_minを計算してみます。

この場合、R_minを1kΩより小さい抵抗値にすると、スイッチON時に5mAを超える電流が流れてしまい、ICやスイッチの損傷リスクが高まります。 その他にも、プリント基板の配線の電流定格も考慮する必要があります。また、消費電力も増えるため、抵抗値が小さすぎると発熱や電力ロスの原因になります。