PCBで電源EMIをどう戦うか

電源は、私たち全員が当たり前のように考えがちなシステムの一つです。電源設計における誰もが最初の課題は、通常、電圧と電流の出力が望ましいレベルに達することを確認することであり、その後に熱に関する考慮が続くことでしょう。しかし、安全上の問題、EMC要件、高いPWM周波数の使用、小型パッケージングの必要性などのため、電源のEMIは主要な設計考慮事項であるべきです。電源のEMIを無視することは、設計者自身のリスクであり、EMCテストに合格できないと、時間とお金を無駄にする再設計の山を引き起こすことになります。

そうは言っても、電源のEMIの主要な原因は何であり、電源設計者はそれらをどのように抑えることができるのでしょうか？電源からのEMIは、主に負荷に駆動される伝導EMIとして現れますが、特に高電流スイッチングレギュレータを設計する際には、デバイスからの放射EMIも存在します。この記事で全ての原因を網羅することはできませんが、一般的な電源EMI問題のいくつかを解決するために始めることができる戦略のリストをまとめます。

電源EMIの原因を見つける

上述したように、電源は主に伝導性のEMIを出力しますが、スイッチング電源では特に強い放射性EMIが発生することがあります。電源のEMIについて考えるとき、トポロジーを考慮し、PCBレイアウトを計画する際に、望ましくない電流や放射を対処するかどうかを検討する必要があります。シンプルなリニアレギュレーターやLDOは、高周波・高電流のスイッチングレギュレーターよりも対処すべき問題が少ないでしょう。

以下の表では、電源ユニットとオンボードレギュレーター回路のEMIの3つの一般的な原因とその原因を概説しました。一瞬だけ、電源内で発生するEMIと電源に接続されたボードが受信するEMIとを区別する必要があることがあります。実際には、各システムタイプのEMIの大きさはスケールの問題であり、EMIを生成する基本的なメカニズムは組み込み電源レギュレーターと電源ユニットで同じです。

これらの各領域については多くの文献があり、各領域は孤立して考えることはできません。例えば、様々な動作モード（例えば、リンギング）やスイッチングパラメーター（高PWM周波数）が組み合わさって共通モード電流を生じさせ、それがEMIを発生させたり、全体の電力供給を減少させるために下流のコンポーネントに伝導されたりします。

電源のEMIに関連するこれらの領域を簡単に見てみましょう。

共通モード電流

共通モード電流の原動力は少し直感に反します。共通モード電流は電気的効果であり、電場の変化によって駆動されるため、電源の共通モード電流は筐体への寄生容量によって媒介され、寄生インダクタンスによってではありません。以下のグラフィックは、電源のDC調整セクションの入力電流がPWR/GNDレール上で共通モードノイズとして現れる例を示しています。

この電流経路は、ACメイン入力から入力共通モードノイズがフィルタリングされた後でもシステム内に現れる可能性があります。また、非常に大きなループインダクタンスを持ち、新たなEMIの発生または受信の場所となることがあります。

そもそもなぜこのようなことが起こるのでしょうか？その理由は、上記の図のポイントAと筐体の間に電位差があり、寄生容量を介して一部の電流がメインに戻るように導くことができるからです。同様の問題は、グラウンドセクションが分割されたイーサネットボードでも発生する可能性があり、共通モードノイズがイーサネットネットリンクのPHY側に結合することがあります。

解決策：共通モード電流がシステムに入る方法によります。ACメインからの伝導電流の場合、電源の出力に何らかのフィルタリングが必要です。共通モードチョークが標準ですが、ローパストポロジーを持つ共通モード電流フィルタを使用することもできます。πフィルターは、差動モードノイズの追加フィルタリングに使用できます。産業用イーサネットスイッチのようなシステムでは、共通モード電流が発生しますが、リターンパスを追跡することで、それらが敏感な回路に伝導するのを防ぐのがあなたの仕事です。

寄生リンギングの原因は何ですか？

上記の表で、特に不連続モード運転時に発生することがあるリンギングの原因をいくつか特定しました。しかし、寄生要素も設計内の減衰条件を変更し、リンギングを伴う過小減衰共振を引き起こす原因となり得ます。実際のコンポーネントにはリンギングに影響を与える多くの寄生要素が存在します。リンギングは、実際の回路内のリアクティブ要素によって引き起こされるため、正確にはEMIの一形態ではありません。しかし、リンギングはその様々な形態で他の形態のEMIに寄与することがあります（この記事を参照）、したがって、特に電源供給装置において、EMIの議論に含めるべきです。リンギングにおいて顕著な参加者となる寄生要素には、

• MOSFETリード線のインダクタンス、ボディ容量
• インダクタ/トランスフォーマー巻線容量
• PCBレイアウト内の電流経路の寄生インダクタンス
• 回路内の寄生要素と意図されたRLC要素との相互作用

があります。電源レイアウト内の寄生要素と望ましいコンポーネントは、過小減衰共振を示す可能性のある等価RLC回路を形成します。リンギングは、寄生要素によって形成された等価RLC回路の共振周波数に応じて、高MHz周波数に及ぶパワースペクトルを持つ出力上の差動モードノイズとして現れます。

解決策：より小さな寄生成分を持つ部品を使用することですが、これは物理的に大きいまたは小さい部品を意味する場合があります。残念ながら、これは聞こえるほど簡単ではありません。実際にもシミュレーションにおいてもそうです。さらに、設計で最も重要な寄生成分に焦点を当てる必要があり、レイアウトが完全に寄生成分から自由になることはないと受け入れる必要があります。

放射EMI

放射EMIには2つの主要な源があります。第一に、MOSFETが切り替わるたびにスイッチングレギュレーターでバーストが発生し、これは広い電力スペクトラムにわたっていくつかの導電EMIも生成します（下記参照）。第二に、共通モード電流も放射EMIの源です。これら2つの源からの放射パターンは非常に複雑で、複数の高調波にわたることがあります。

解決策：電源出力から導電（差動モード）EMIの一部を取り除くために、ローパスフィルタリングを使用する必要があります。放射EMIは、放射が差動モード放射EMIの約100倍も強い共通モード電流の削減に焦点を当てることで大幅に減少します（下記の例の測定値を参照）。スイッチングによる放射EMIはほとんど避けられませんが、スイッチングセクション近くにグラウンドプアを施し、低ループインダクタンスのルーティングを確保することで抑制できます。

上記で示された伝導EMIスペクトルは、放射EMIスペクトルにも現れる可能性があります。これは、クロック信号線の経路に沿って大きなループインダクタンスがあるため、強く放射することができるスイッチングクリスタルからも見られます。同様のことが、高周波PWM信号が大きなリファレンスプレーンの近くに配置されていない場合にも発生します。この二次問題は、MOSFETや他のスイッチングコンポーネントのスイッチングの性質そのものというよりは、ルーティングに関連しています。

これらの対策が効果を発揮しない場合、基板上に実装できる遮蔽対策があります。ほとんどの設計者は、基板に取り付け可能で、特定の回路やコンポーネント群を対象とすることができる遮蔽カンについてはおそらく馴染みがあるでしょう。次に、導電性テープ、導電性ガスケット、メッシュ遮蔽材料など、エンクロージャに取り付けることができるエンクロージャソリューションがあります。これらのソリューションを接地する方法に注意してください。設計にファラデーケージを作成するために必要な適切な使用法は、システムで「接地」をどのように定義しているかに依存します（つまり、地球、シャーシ、またはシステム接地）。

電源のEMI問題の診断

SPICEシミュレーションは、電源回路のトポロジーと電気的性能を調べるのに適しています。特に、伝導ノイズや放射ノイズを発生させる可能性のあるスイッチングレギュレーターについてです。しかし、これらのタイプのEMIは、物理的なレイアウトに大きく依存するため、単純なSPICEシミュレーションでは完全に診断することができません。フィールドソルバーユーティリティを使用すると、レイアウト内の放射放出が強い場所、強いリンギング、共通モード電流を特定することができます。これを適切に行うには、設計を直接フィールドソルバーユーティリティにインポートする必要があります。これにより、ツールがレイアウトを直接考慮できます。

電源供給のEMIを調査し、EMIを減らすために設計を変更する必要がある場合、Altium Designer®の完全なPCB設計ツールセットを使用できます。伝導EMIや放射EMIに関するより高度な計算を行う場合、Altium DesignerのユーザーはEDBエクスポーター拡張機能を使用して、設計をAnsysフィールドソルバーにインポートできます。このフィールドソルバーと設計アプリケーションの組み合わせにより、プロトタイピングを開始する前にレイアウトを検証できます。

デザインが完成し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームを使用すると、プロジェクトの共有や協力が簡単になります。Altium DesignerをAltium 365で使用して行うことができることの表面をかすめただけです。製品ページでより詳細な機能説明を確認するか、オンデマンドウェビナーのいずれかをご覧ください。