コンバーターはベンチテストでは問題なく動作します。しかし、EMC試験ラボに持ち込まれると、スキャンが失敗します。さらに悪いことに、輸送中に近くの無線リンクを遮断してしまうこともあります。
電磁干渉対策を単なる最終チェック項目として扱うことはできません。交流-直流変換において、EMI抑制は規制遵守、製品安全性、そして長期的なシステム信頼性という3つの要素を同時に保護します。電磁両立性の不具合は、設計変更に最もコストがかかる段階になって初めて明らかになることが多いのです。
まずは物理法則から始めましょう。ノイズ源を特定し、結合経路をたどり、それからフィルタを選択します。このガイドは、日々基板レベルの設計と製造上のトレードオフのバランスを取るハードウェアエンジニアや製品開発チーム向けです。
主要なポイント（要点）
まずノイズ源と結合経路を特定します。次に適切なフィルタを選択します。
差動モードノイズにはLCフィルタが必要です。同相モードノイズにはチョークコイルとYコンデンサが必要です。
入力フィルタはコネクタ部分に取り付けてください。Yコンデンサのリターン線はシャーシに短絡させてください。
リンギングを防ぎ、入力を安定させるために、各LC回路段にダンピングを施してください。
研究所での検査前に排出ガスを検出するため、早期にベンチテストによる事前適合性試験を実施する。
AC-DC変換におけるノイズ源
スイッチング効率のトレードオフ
交流-直流変換回路では、効率とノイズのトレードオフが常に存在します。スイッチング周波数を上げると、トランスを小型化してコア損失を低減できます。しかし、その高速な立ち上がりエッジは、電圧と電流の急激な変化を引き起こします。高速な立ち上がりエッジは、高いdv/dtとdi/dtを意味し、これらの変化は伝導性および放射性エミッションの両方を増幅させます。
ここでは、非常に難しい問題に直面します。スイッチング電源では、スイッチング周波数を高くすると電力密度が向上しますが、高調波エネルギーがフィルタの性能が低下する周波数帯域に押し出されてしまいます。一方、立ち上がりエッジを遅くすると電磁波スペクトルは滑らかになりますが、スイッチの消費電力は増加します。これは固定設定ではなく、設計変数として扱うべきです。スイッチング周波数とゲート駆動周波数を同時に選択し、結果として得られるスペクトルを早期に確認してください。
フーリエ解析によるノイズの読み取り
スイッチング波形は周期的なパルス列です。フーリエ解析では、このパルス列を基本波とその高調波に分解します。高調波の振幅は周波数とともに減少し、エンベロープの傾きは立ち上がり時間と立ち下がり時間に依存します。これを利用して、基板を製作する前に、最も大きな電磁波放出が発生する場所を予測することができます。
スペクトル中のノッチ周波数は、パルス符号化信号のフーリエ変換によって得られる。ある研究では、コンバータ全体ではなく、パルス列のみについてこれらのノッチ方程式を導出した。シミュレーション結果と実測値のノッチ周波数は導出された方程式とよく一致しており、著者らはコンバータ全体の導出を今後の課題とした。
ノッチ周波数の理論的導出について述べる。導出された方程式は、コンバータシステム全体ではなく、パルス符号化信号のフーリエ変換に対応するものである。シミュレーション結果と実験結果のノッチ周波数は、導出された理論式とよく一致するが、コンバータ全体の導出は今後の課題とする。
この結果は慎重に使用してください。パルス列モデルは、AC/DCコンバータのノイズ低減計画において有用な初期推定値を提供しますが、スイッチング電源におけるすべての共振を捉えるわけではないため、実験台で予測結果を確認してください。
EMIの主な結合メカニズム
ノイズが問題となるには、何らかの経路が必要です。電磁干渉（EMI）の主な結合メカニズムは、大きく2つのグループに分けられます。それぞれのグループは独自の挙動を示し、それぞれ異なる対策が必要です。
伝導経路と放射経路
伝導結合には直接接触が必要です。発生源と受信側は、ワイヤ、ケーブル、プリント基板の配線、または金属筐体を共有します。ノイズは、その導体に沿ってコモンモード電流またはディファレンシャルモード電流として伝わります。放射結合は別の方法で機能します。発生源と受信側は、ラジオアンテナのように機能します。発生源は電磁波を空間に発信し、受信側がそれを受信します。
カップリングパス | メカニズム | 主な特徴 |
|---|---|---|
導電性: | 供給源と受容体間の直接接触経路 | 送電線、電線、ケーブル、プリント基板の配線、または金属筐体を介して形成され、導体上ではコモンモードまたはディファレンシャルモードとしてノイズが現れる。 |
放射 | 送信機と受信機は無線アンテナとして機能する | 発生源は電磁波を放出し、それが空間を伝播して被害者に受信される。 |
誘導結合（容量性および磁気性）も存在します。伝導経路や放射経路に比べると、誘導結合はまれな現象として扱います。故障した基板のデバッグを行う際は、放射、伝導、誘導結合または容量結合の順に確認してください。最初の2つでほとんどの故障が説明できます。
レイアウトシェイプの結合の理由
レイアウトによって、各EMI結合メカニズムの強さが決まります。ある技術セミナーでは、実際に測定されたDC/DCコンバータを用いてこれを実証しました。異なるPCBレイアウトは、コンバータのEMI特性を直接変化させました。受動部品の配置と選択もEMC性能に影響を与えました。同じセミナーでは、150kHzから1GHzまでのCISPR32クラスBの制限を満たすためのフィルタ戦略が紹介されました。この範囲は、レイアウトに起因する結合をフィルタリングと並行して管理する必要があることを示しています。
フィルター内部では、コンポーネントの近接性が重要となる。
PFCチョークとCMチョーク間の磁気近接場結合は、EMIフィルタの挿入損失を悪化させる可能性がある。
レイアウト、シールド、およびCMチョーク設計により、磁気近接場結合が低減され、ノイズが抑制されます。
2つの並列コンデンサ間の結合はフィルタの動作を変化させ、負の相互結合はコンデンサのESLを相殺する可能性がある。
CLCフィルタでは、コンデンサ間の寄生的な誘導結合と容量結合のバランスを取ることで、性能が最適化される。
2段フィルタでは、直列インダクタ積分方式により近接場結合を利用して低周波DM性能を向上させる。
適切なレイアウトは、フィルター部品を追加する前に排出量を削減します。まず形状を修正し、それからフィルターを調整してください。
差動モードノイズとコモンモードノイズの比較
DMノイズとCMノイズの定義
ノイズがどのモードで発生しているかが分からない限り、ノイズを修正することはできません。2つのモードは、方向、経路、および伝達方法が異なります。
コモンモードとは、一対の回線において信号またはノイズが同じ方向に流れることを意味し、差動（ノーマル）モードとは、一対の回線において信号またはノイズが逆方向に流れることを意味します。
差動モードノイズは一方の導体を通って出力され、その帰還経路を通って戻ってきます。コモンモードノイズは両方の線路を同じ方向に流れ、グランドまたはシャーシを通って戻ってきます。この違いによって、どのフィルタを選択するかが決まります。
側面 | 差動モードノイズ | コモンモードノイズ |
|---|---|---|
| ノイズは2本の導体（1本は送信経路、もう1本は帰還経路）を通して送られる。 | ノイズ電流とは、出入口経路に関係なく流入し、2本の導体を同じ方向に流れる電流のことである。 |
現在の方向 | 逆方向（電流が互いに打ち消し合う）。ノーマルモードとも呼ばれる。 | 両方の導体を通して同じ方向 |
伝播 | 電源/信号線ペア内に留まる | 低電圧レベルでも広範囲に広がる |
典型的な起源 | 電源と信号電流 | 金属製の筐体や床を通して他の機器に漏れる放射ノイズ |
抑制 | LCフィルタ（インダクタ＋コンデンサ）でカット | LCフィルタは機能しません。入力部にコモンモードフィルタとコンデンサが必要です。 |
LCフィルタだけではコモンモードEMIは除去できません。入力側にコモンモードチョークとコンデンサが必要です。
LISNを用いたノイズ測定
ラインインピーダンス安定化ネットワークは、AC/DCコンバータのノイズ測定において安定した基準を提供します。このネットワークはコンバータに対して一定のインピーダンスを示し、主電源を分離します。ネットワークは、相線（Vp）と中性線（Vn）の2つの電圧を出力します。これらの電圧は、モード電流とVp = 50(ICM + IDM)およびVn = 50(ICM − IDM)の関係にあり、50はオーム単位です。2つの出力を加算すると差動項が相殺され、コモンモード電圧の2倍が残ります。また、減算するとコモンモード項が相殺され、差動モード電圧の2倍が残ります。アナライザは位相情報を失うため、測定前にこの処理を行ってください。
実践的な手順が役立ちます。
LISNは両方のモードの合計を測定するものであり、それぞれを単独で分離することはできないことに注意してください。
コモンモード電流を測定するには、RF電流プローブを電源線と中性線の間に挟み込みます。
2本のワイヤをプローブに逆方向に通して差動モード電流を測定すると、測定値は6dB高くなります。
プローブの最大電流定格を下回ってください。
両方の測定値を比較して、どちらのモードが優勢かを判断し、それに基づいてフィルターのサイズを決定します。
この手順では、DMインダクタンスまたはXコンデンサを追加するかどうかが分かります。また、伝導性エミッションがコモンモード経路から発生している場合も示されます。
DC/DC入力用EMIフィルタの選定
DC/DC入力用のEMIフィルタを選ぶ際は、まず必要なコーナー周波数を確認してください。LCのコーナー周波数はスイッチング周波数の約10分の1に設定します。1MHzコンバータの場合は、100kHzのコーナー周波数が必要です。この周波数差により、理想的な2次ローパスEMIフィルタは基本周波数で約40dBの減衰量が得られます。実際の基板では、コンデンサのESLと配線インダクタンスによって特性曲線が平坦化されるため、減衰量は少なくなり、多くの場合30dB程度になります。
| ターゲット | 実践ノート |
|---|---|---|
カットオフ周波数 | スイッチング周波数の約1/10 | 基本波における理想的な減衰量は約40dB |
減衰勾配 | 40 dB/10年が理想的 | 寄生虫は実際の傾斜を減少させる |
インダクタンス値 | 0.47 µH～22 µH | インダクタンスが低いほど、DCRとサイズが小さくなります。 |
1µF～100µF | 電圧定格と温度ドリフトを確認してください。 | |
減衰Q | 0.5〜0.8 | 入力コンデンサの3～4倍のダンピングコンデンサを追加する |
LCフィルターの基本と電圧降下
単一のLCローパス回路が最もシンプルな選択肢です。π型フィルタや多段回路は、より厳しい制限条件や、大きく変動するソースインピーダンスに対応できます。コンデンサ段数を増やすと高周波減衰は向上しますが、突入電流が増加し、ダンピング特性も変化します。各段を追加するごとに、安定性を再度確認してください。
インダクタにかかる直流電圧降下をよく観察してください。直流抵抗（DCR）は余裕を奪い、ピーク電流定格の部品でもホットプラグ時には飽和する可能性があります。インダクタのサイズは平均電流ではなく、ピーク電流に合わせて選定してください。di/dtが大きいループは短く保ちましょう。インダクタをコンバータの入力ピンの近くに配置し、電流を短い経路で戻してください。
安定性と重心動揺低減のための減衰
減衰のないフィルタはリンギングを起こします。フィルタの出力インピーダンスは、制御ループ帯域幅全体にわたってコンバータの入力インピーダンスよりも十分に低くなければなりません。これはミドルブルックの基準であり、これを無視すると、大きな電圧降下、長いオーバーシュート、および入力発振が発生します。このルールを使えば、はんだごてに触れる前にEMIフィルタをチェックして選別することができます。
減衰方法にはいくつかの選択肢があります。
高損失磁性材料（マイクロメタルズMix-41、44、73）は、基本波電流を流しながらフィルタ共振を減衰させる。
ダンパー回路は、カットオフ周波数におけるピーク値を2～3dB以下に抑えることで、MIL-STD-461F/G CS101などの試験におけるノイズ増幅を抑制します。
RCスナバ回路とフィルタコンデンサ内の抵抗減衰により、応答が安定する。
受動部品のコストが基板上のスペースを圧迫する場合、能動制振も選択肢の一つとなります。
減衰を確認するには、時間領域テストだけでなく、周波数応答解析を使用してください。注意すべきトレードオフが1つあります。フィードバックループのゲインを上げるとノイズ低減とEMIのフィルタリングは向上しますが、適切に補償しないと位相余裕が減少する可能性があります。コモンモードについては、入力にチョークコイルとYコンデンサを追加してください。LC段だけでは阻止できません。これらのタイプのEMIフィルタは連携して動作し、適切な組み合わせによって放射を制限値以下に抑えることができます。
低EMIを実現するAC/DCフロントエンド設計
整流、バルクコンデンサ、突入電流制限
フロントエンドは、それ以降のすべての回路のノイズレベルを決定します。まずはバルクコンデンサから始めましょう。充電されていない電解コンデンサは、電源投入時に直流短絡のように動作します。この短絡によって大きな突入電流が発生し、そのサージ電流が整流器、ヒューズ、コネクタ、そしてコンデンサ自体に負荷をかけます。突入電流リミッターのサイズは、最初のプラグ接続時だけでなく、蓄積されたエネルギー量とその発生頻度に基づいて決定してください。
コンデンサのESRはリップル以外にも影響を与えます。ESRが極端に低いと整流器のピーク電流が上昇する可能性があるため、コンデンサだけに頼るのではなく、部品の選択とレイアウト、そして小さな直列抵抗とのバランスを取ることが重要です。部品を交換する際は、ESRと周波数、そしてリップルディレーティングの関係を確認してください。部品の寿命は、容量と電圧だけでなく、リップル電流定格とESRによって決まります。
パラメータ／選択肢 | リップルへの影響 | 突入電流／整流器ストレスへの影響 | デザインノート |
|---|---|---|---|
コンデンサのESR（低すぎる） | 出力リップルを変化させ、ハムノイズ結合のためにESLと相互作用する。 | ESRが非常に低いと、整流器のピーク電流が増加する可能性がある。 | レイアウトによるバランス調整とオプションの小型直列抵抗 |
コンデンサのESR（オリジナルとは異なる） | 出力リップルと制御ループの安定性が変化する | 突入行動を変化させる | ESRと周波数およびリップルディレーティングの関係を検証する |
リップル電流定格 | 評価の低い代替品は、発熱しやすく、劣化も早い可能性があります。 | - | リップル電流とESRが生存率を決定する |
バルク容量 | - | 充電されていない電解コンデンサは、電源投入時に直流短絡のように見える。 | NTCサーミスタ、アクティブリミッター、またはプリチャージ抵抗器/リレーを使用してください。 |
整流器／リターンノードの配置 | コンデンサを整流器の近くに配置することで、リップル結合を低減できます。 | - | スター接地とRC/LCフィルタリングは、敏感なレールに役立ちます |
コンデンサの並列接続 | リップル耐性を向上させ、実効ESRを低減します。 | - | 対称的な銅配線と整合したループ領域が電流を均等に分配します。 |
バルクコンデンサは整流器と帰還ノードの近くに配置してください。感度の高い電源レールにはスター接地とRCまたはLCフィルタを適用することで、ハムノイズやノイズ結合を低減できます。コンデンサを並列接続すると、銅線を均等に配線し、ループ面積を一致させて電流が均等に分配されるようにすれば、リップル許容度が向上し、実効ESRが低下します。
突入電流対策としては、NTCサーミスタは安価でシンプルですが、起動後に発熱し、電力を浪費します。アクティブリミッターはコストが高く制御ロジックが必要ですが、定常状態の損失を排除できます。決定する前に、熱的余裕と部品コスト、組み立ての複雑さを比較検討してください。
PFC、Yコンデンサ、およびCMチョーク
PFC段は、メインコンバータのノイズに加えて独自のスイッチングノイズを発生させます。そのスイッチング周波数と高調波は入力フィルタと相互作用するため、PFCとフィルタは一体の設計課題として扱う必要があります。フィルタのコーナー特性をPFCのスイッチング周波数と比較し、ベンチテストで減衰量を確認してください。
安全コンデンサは、電源の前端にあるEMIフィルタに配置され、多くの場合、入力ケーブル上のフェライトチョークや、フィルタリング段のコモンモードまたはディファレンシャルモードチョークの隣にあります。クラスYコンデンサは、共通のシャントポイントをアースに接続することでコモンモードノイズを処理します。直流電源への交流入力の場合、1つのYコンデンサはラインをアースに接続し、もう1つのYコンデンサはニュートラルをアースに接続します。
Yコンデンサはコモンモードノイズを除去するために設計されており、電源ラインとシャーシの間に接続されます。ACフロントエンド製品では、コモンモードチョーク、Yコンデンサ、Xコンデンサからなる一体型入力フィルタが使用されています。
成分
配置（接続）
EMIフィルタリングにおける役割
Yコンデンサ（CY）
線間接地と中性線間接地
コモンモードノイズをフィルタリングする
コモンモードチョーク（L1、L2）
ラインとニュートラルに関するシリーズ
コモンモードフィルタリング用のインダクタンスを提供する
Xコンデンサ（CX）
ライン・ツー・ニュートラル
差動モードノイズをフィルタリングする
電流経路の Y コンデンサの前に CM チョークを配置し、Y コンデンサの戻り線を短くしてシャーシに直接接続します。戻り線が長くなるとインダクタンスが増加し、シャントが損なわれます。この構成はスイッチングモード AC/DC 電源の低 EMI 設計の基盤であり、厳しい制限値で EMI フィルタを選択する場合に最も重要になります。AC/DC コンバータの良好な伝導 EMI 性能は、部品の値と同様に、このフロントエンドのジオメトリに依存します。AC-DC 変換を整流器、バルクステージ、PFC、フィルタのチェーンとして扱います。各リンクが抑制する必要のあるエミッションを形成します。
トポロジーとトランスフォーマーの選択
フライバック方式とLLC共振方式のトレードオフ
フィルタ部品を選ぶ前に、選択するトポロジーによってノイズレベルが決まります。フライバックはPWMハードスイッチングの一種です。トランジスタは、大きな電圧がかかっている状態でオンになります。寄生容量はその電圧まで充電され、オン時にトランジスタを通してエネルギーを放出します。そのエネルギーは熱と電磁波として放出されます。
LLC共振コンバータは、従来とは異なる動作原理を採用しています。共振回路がオン状態を自然な電圧波形と電流波形に合わせるため、スイッチにはゼロ電圧（ZVS）が印加されます。ソフトスイッチングにより容量性ダンプ損失が低減されます。その結果、ハードスイッチング方式のフライバックコンバータでは対応が難しい高出力レベルにおいても、電磁両立性が向上します。
属性 | フライバック | LLC共振 |
|---|---|---|
スイッチングモード | 印加電圧下でのハードスイッチング | 共振タンクによるソフトスイッチング（ZVS） |
電源投入時の損失 | 熱や電磁波として放出される静電容量エネルギー | 自然な波形に同期して切り替える |
EMIの影響 | 高周波および高電圧ではさらに悪化する | 損失の低減、互換性の向上 |
設計上のトレードオフ | よりシンプルな規制 | より良いEMI、より複雑な規制 |
LLCゲインを得るには、より複雑な制御が必要になります。通常、出力レギュレーションには周波数変調が必要ですが、設計上はZVS（ゼロ電圧スイッチング）を維持します。低消費電力でシンプルな制御が必要な場合はフライバック方式を選択してください。高出力で効率とエミッションの両方が重要な場合は、LLC方式を選択してください。
トランスフォーマー設計とオプトカプラフィードバック
トランスは磁気部品であると同時にアンテナとしても機能します。ウィンドウ内の巻線の配置方法は、漏洩インダクタンスと寄生容量に直接影響し、これら両方が電磁干渉と効率を左右します。密な層状配置は漏洩を低く抑え、スナバ回路やクランプ回路が吸収しなければならないエネルギーを低減します。インターリーブ配置も結合を強化しますが、容量が増加する可能性があります。
巻線間の静電容量は、絶縁バリアを介してコモンモードノイズを結合します。静電容量が大きいとコモンモード性能が低下し、EMIフィルタへの負荷が増大します。サンドイッチ構造（一次巻線－二次巻線－一次巻線）は漏洩を低減しますが、絶縁が難しくなります。伝導性および放射性の制限を満たすためには、シールド巻線とコモンモードチョークが必要になることがよくあります。
注：電線の直径は意図的に選択してください。直径が小さいほど寄生容量と表皮効果は低減されますが、電流密度は高くなります。
オプトカプラのフィードバックループは、同じバリアを介して閉じられます。オプトカプラとその補償ネットワークはスイッチングノードから離し、フィードバック配線はトランスのギャップを避けて配線してください。フィードバック経路に混入するノイズはジッタとして現れ、ジッタはフィルタが調整していない方向に電磁波スペクトルを広げます。AC-DC変換においては、トランス、バリア、フィードバックループを一つのレイアウト問題として扱ってください。
レイアウトにおけるEMCおよびEMI設計戦略
フィルタの配置と高周波電流経路
優れたEMCおよびEMI設計戦略は、リターンパスから始まります。高周波電流は、回路図に描いた経路ではなく、インピーダンスが最も低い経路を通ります。その電流にしっかりとしたグランドプレーンを与えれば、電流は配線の下にとどまります。高周波配線の下でグランドが分割されないようにしてください。分割を避けられない場合は、スティッチングコンデンサでブリッジしてください。
入力フィルタは、ノイズが基板全体に拡散する前に、コネクタのすぐ近くに配置してください。スイッチングレギュレータは、RF回路やアナログ回路から離して配置してください。高周波配線は短くし、90度の角ではなく、45度または曲線状の曲がりを使用してください。
レイアウト戦略 | 主要な実践方法 | ガイダンス |
|---|---|---|
ソリッドグラウンドプレーン | 地面に全面を敷く | トレースの下にリターン電流を保持する |
地面が割れる | ギャップを埋めるためにコンデンサを連結する | ギャップにコンデンサを縫い付ける |
ガード痕跡 | 側面に敏感な配線、ビアで接地 | ビア間隔はλ/20。クロストークを最大約20dB低減。 |
デカップリング | 電源ピン付近にセラミック製の低ESL部品を使用 | ピンから1～2mm以内の範囲で0.01～0.1μF |
制御されたインピーダンス | 配線インピーダンスをシステムに合わせる | RF の場合は 50 Ω。 FR-4 εr ≒ 4.2 |
EMIフィルタを選ぶ際は、その値だけでなく、部品の配置場所も確認してください。長い配線の後に配置されたフィルタは、配線が既に放射したノイズを拾ってしまいます。EMIフィルタは、実際の基板上で、実際の帰還経路を使ってテストしてください。フィルタリングは、シャントコンデンサがグランドに短く直接接続されている場合にのみ機能します。
注：ピンから離れた場所にデカップリングコンデンサを配置すると、インダクタンスが増加し、高周波では効果が失われます。
沿面距離、空間距離、およびIEC 62368間隔
フィルタのレイアウトは、電気的性能よりも先に安全間隔によって制限されます。IEC 62368では、絶縁バリア全体に確保しなければならない沿面距離と空間距離が規定されています。Yコンデンサとコモンモードチョークは、このバリア上に配置されます。これらのパッド、配線、スロットは、規定の距離を遵守する必要があります。
表面に沿った沿面距離と空気中の空間距離を測定します。基板に切り込みを入れると、高さは増えませんが沿面距離は増加します。Yコンデンサのリターン線はシャーシに直接配線し、他の配線はその領域から外してください。フィルタ部品を移動した後は、エミッションのために間隔を再度確認してください。伝導限界値を満たすレイアウトでも、安全審査に合格しない場合があります。
基準、制限、および事前遵守
CISPR 32およびEN 55032 伝導および放射制限
CISPR 32とEN 55032は、マルチメディア機器で目標とすべき放射エミッション制限値を定めています。この規格は、伝導エミッションと放射エミッションの両方を対象としています。伝導エミッション制限値は、商用機器の場合9kHzから30MHzまで適用されます。放射エミッション制限値は30MHz以上で適用されます。AC/DCフロントエンドは主電源に接続されているため、伝導エミッション制限値全体にさらされます。下流のDC/DC段はより静かな電源を受けますが、そのスイッチングノイズはコンバータを通してフィードバックされます。AC入力は最も厳しいテストポイントとして扱ってください。
使用するLISNは入力タイプによって異なります。商用交流電源には、Tekbox TBLC08のような50μH + 5Ω || 50Ωのネットワークが必要です。車載用直流電源には、Tekbox TBOH01のような5μH || 50Ωのネットワークを使用します。どちらのタイプも、無響室を使用せずに再現性の高い測定値が得られます。
ベンチ上での事前適合性試験
実験室での作業手順を踏むことで、ほとんどの問題は検査室への持ち込み前に発見できます。以下の手順に従ってください。
CISPR 32やEN 55032など、対象となる規格を特定してください。
スペクトラムアナライザにプリアンプ、近接場プローブセット、LISNを接続し、大きなグランドプレーンの上に設置する。
近接場プローブを使用して基板とケーブルをスキャンし、ホットスポットを探します。
レイアウト、シールド、またはフィルタリングを修正してから、再テストして比較してください。
安全マージンが確保できた時点で、認証申請を提出してください。
近接場プローブは、数センチメートル程度の近距離でのみ機能します。相対的な測定値が得られるため、限界値を検証するのではなく、発生源の位置を特定するために使用してください。過渡リミッタは必須です。AC電源投入時の過渡現象により、+20 dBm～+30 dBmのRF定格を持つミキサーダイオードに最大±325 Vの電圧が放電される可能性があります。Tekbox TBFL1などのリミッタは、5 Wの過負荷時でも出力を+11 dBmに制限します。
IEC 62368 に基づく安全間隔の制約により、この作業は制限されます。Y コンデンサのパッドと CM チョークの配線は、必要な沿面距離と空間距離を確保する必要があります。フィルタを交換するたびに、間隔を再度確認してください。
熱特性、筐体、およびDFM（設計製造性）のトレードオフ
熱、遮蔽、および囲いの影響
コンバータ内部では、熱とシールドがほぼ同じスペースを占めます。筐体の設計、空気の流れ、部品の配置場所など、すべてが温度上昇に影響します。ディレーティングの確認は、オープンベンチではなく、最終的な筐体内部で行う必要があります。ベンチ上では低温に保たれる部品でも、筐体を閉じると定格温度を超える可能性があります。
連続運転時や過酷な環境下では、十分な熱マージンが必要です。このマージンには、経年劣化、埃の蓄積、最悪の状況などが含まれます。空気の流れが限られた小型筐体では、わずかな効率低下でも使用可能な電力が大幅に減少する可能性があります。機械設計を確定する前に、熱予算を計画しておきましょう。
シールドは電磁干渉を直接的に変化させます。基板実装モジュールは入力接続部の近くに配置されることが多く、シールドが弱いと放射干渉によってこれらの接続部に伝導ノイズが発生します。プラスチック製のモジュール筐体は通常、シールド効果を全く提供しません。オプションのケースキットを使用すると、電源導体に結合する放射ノイズを低減できます。シールド、慎重なレイアウト、ループ面積の縮小、しっかりとしたグランドプレーン、フィルタリング、デカップリング、ダンピング、バイパスといった機械的対策と電気的対策を組み合わせることで、EN 55022クラスBなどの規格準拠目標を達成できます。
フィルタ部品に対するDFM制約
EMIフィルタは、ラボだけでなく組立ラインも通過できるものでなければなりません。細いワイヤを使用したコモンモードチョークは、取り扱い中に破損する可能性があります。大型のXコンデンサは、レイアウト上の制約となる立ち入り禁止区域を設ける必要があります。標準的なフットプリントとリール包装の部品を選択してください。実装機が部品のサイズと重量に対応できることを確認してください。
制振部品はコストとリフロー工程を増加させます。入力コンデンサの3～4倍の容量を持つ制振コンデンサは基板面積を占有し、異なる誘電体が必要になる場合があります。追加する部品ごとに半田プロファイルを確認してください。熱容量の大きい部品の近くにある小型コンデンサの「墓石現象」のリスクについて、製造元に問い合わせてください。
テストポイントとチューニングパッドは、適合性確認前の作業に役立ちますが、量産時にはコスト増につながります。どのパッドを残し、どのパッドを削除するかを早期に決定してください。パッドの位置を変更すると寄生結合が変化し、伝導測定結果がずれるため、フィルタのレイアウトは改訂後も安定させておく必要があります。フィルタの変更はすべて、新たなベンチスキャンが必要な設計変更として扱ってください。
まずノイズの種類と結合経路を特定します。次に、それに合わせてフィルタを選択して配置します。この手順を踏むことで、推測に頼る必要がなくなります。
最も重要な3つの習慣は以下のとおりです。入力が安定するように、すべてのLC段をダンピングする。部品を移動した後でも、YコンデンサとIEC 62368の間隔制限を遵守する。実験室での検証よりも前に、ベンチテストによる事前適合性試験を実施し、伝導性エミッションを検出する。
EMIは、障害発生後の修正ではなく、反復的なボードレベルのタスクとして扱う。
仕様策定時にEMC目標値を設定する。
スペクトラムアナライザと近接場プローブを用いて段階的にテストを行う。
不具合のある周波数だけを調整してください。
製造上のトレードオフは早期に検討しましょう。シールドは放熱を妨げ、微細ピッチ構造はコスト増につながります。AC-DC変換のレビューには、フィルタ設計者とPCBサプライヤーを参加させましょう。わずかな要件変更でも、全面的な再設計が必要になる場合があります。
FAQ
スキャンが失敗した場合、最初にどのノイズモードを追跡すべきでしょうか？
部品に触れる前に、モードを分離してください。RF電流プローブをラインとニュートラルに挟み込み、コモンモード電流を測定します。2本のワイヤをプローブに逆方向に通してディファレンシャルモード電流を測定します。両方の測定値を比較し、支配的なモードに合わせてEMIフィルタのサイズを決定します。
LC回路ではなぜコモンモードノイズを抑制できないのか？
差動モード電流は一方の導体から流れ出し、もう一方の導体から戻ります。コモンモード電流は両方の線路を同じように流れ、シャーシまたはアースを通って戻ります。LC回路は最初の経路のみをシャントします。2番目の経路を抑制するには、入力側にコモンモードチョークとYコンデンサが必要です。
フィルターのリンギングや発振を防ぐにはどうすればよいですか？
フィルタの出力インピーダンスは、制御ループ帯域幅全体にわたってコンバータの入力インピーダンスよりも十分に低く保つようにしてください。これはミドルブルックの基準です。カットオフ周波数でのピークが低くなるようにダンピングを追加し、時間領域テストだけでなく周波数応答解析によって応答を確認してください。
入力フィルターは基板上のどこに配置すべきでしょうか？
ノイズが基板全体に広がる前に、コネクタ部分に配置してください。Yコンデンサのリターンは短く、シャーシに直接接続してください。シャントコンデンサはグランドへの経路がタイトである必要があり、そうでないと配線のインダクタンスによって効果が損なわれます。実際の基板上で、実際のリターン経路を使用してフィルタをテストしてください。
