共通モードノイズをインピーダンスバランシングで低減する方法

小さなPCBのようなコンパクトな空間で動作するシンプルなスイッチングレギュレータ回路は、通常、出力電力レベルに顕著なノイズを重ね合わせることなく、騒音環境で展開できます。ボードを適切にレイアウトすれば、入出力のEMIを除去するためのシンプルなフィルタ回路だけで済むことが多いでしょう。レギュレータが物理的にも電気的にも大きくなると、放射されるEMIやPCBレイアウト内の伝導EMIなど、ノイズ問題がはるかに顕著になることがあります。

共通モード伝導電流は、複数のグラウンドを持つDC-DCコンバーターで典型的な問題であり、これは容量結合によって生じます。標準的な方法は、共通モードチョークなどを使用して出力にフィルタリングを行い、出力ノードに到達する共通ノードノイズを処理することです。しかし、これは共通モード電流ループに存在する放射EMIを抑制することはできず、最後の選択肢として遮蔽を残します。しかし、遮蔽の必要性を減らしながら、両方のタイプのノイズを抑制できるとしたらどうでしょうか？

これらのタイプのスイッチングコンバータでは、電源の出力ノードから共通モードノイズを抑制するためにインピーダンスバランシングアプローチを使用できます。これはシンプルなアイデアに従っており、システムグラウンドがインピーダンスを定義するためのグローバルリファレンスとして使用されます。これがどのように機能し、設計でシミュレーションで調査すべきことを見てみましょう。

インピーダンスバランシングとは何か？

インピーダンスバランシングは、3導体構成（2信号、1 GND）を使用して、アンプで差動電圧測定を行う技術です。この技術は、XLRオーディオケーブルで使用され、差動受信機がケーブルを通じて伝導される可能性のある共通モードノイズを完全にキャンセルできるようにする手段として使用されます。Mark Harrisは最近のブログ投稿でこれについて簡単に議論していますが、これはセンサーではなくオーディオや電源供給の文脈で行われました。

中心的なアイデアは、2つの信号線のインピーダンスを等しく設定することで、ケーブルの各単独エンド側が受信機で同じ入力インピーダンスを見ることが保証され、差動受信機で共通モードノイズの拒絶が保証されます。

考えてみれば、このシステムにおける信号線とグラウンドの配置は、PCB上の差動ペアと何ら変わりません。差動ペアでは、各トレースがその単一終端インピーダンスをペアの参照平面（この場合、グラウンド平面）に対して定義されます。インピーダンスバランシングと差動信号の唯一の違いは、インピーダンスバランスのある相互接続では、V1とV2の信号が等しく反対である必要はなく、理論的には任意の値であってもよいということです。その後、受信機は参照平面に対して各ペアの電圧を測定します。

スイッチングコンバータにおけるインピーダンスバランシング

スイッチングコンバータにおける共通モードノイズは、通常はシャーシGNDであるか、またはシステムGNDやエンクロージャシールディングの一部である他の大きな導体に対して、容量性結合によって発生します。これは、高電流を供給する物理的に大きな電源レイアウトでは非常に問題となる可能性があります。寄生容量Cp（下記参照）は非常に大きくなり得るため、スイッチングコンバータ回路の高いdI/dtスイッチングイベント中に非常に低いインピーダンスを示します。

ここから、紫色の矢印が大きな電流ループを描いていることがわかります。共通モードチョークで負荷での導電電流を取り除いても、共通モード電流ループからの強い放射放出が発生します。これは、トランスを用いた絶縁を伴うスイッチングコンバータトポロジー、例えばLLC共振コンバータでも発生することがあります。

次のブーストコンバータ回路での一つの解決策は、インダクタの背後にキャパシタを配置し、POS_OUTおよびNEG_OUT端子の前でシャーシグラウンドに戻すことです。ここでは、負のレールがソースV1でシステムグラウンドに戻され、負のレールとシステムの残りの部分との間で共通モードノイズの経路を容易にします。キャパシタC1/C2とインダクタL2の追加は、MOSFETに流れ込む共通モードノイズの経路となるブリッジ回路を作成します：

意図的にキャパシタを使用して高電圧レールと低電圧レールをグラウンドに戻すことで、レイアウト内に二つの反対方向に進む電流を設定し、ブリッジ回路を模倣します。以下のインピーダンス条件が保持されるとき、結果として生じる共通モードノイズは排除されます：

これについては、以下の参考文献でより詳細に議論されています：

• 張、帥濤ら。「DC-DCブーストコンバーターにおける共通モードノイズ減衰のためのインピーダンスバランシング技術のモデリングと最適化。」エレクトロニクス 9、第3号 (2020): 480。

最終的に、電源ノイズの存在下での差動ADC入力やモータードライバーに対する類似の戦略が議論されています：

• ベ、ブンヒら。「チップ-PCB階層構造を持つADCにおける電源ノイズ効果を軽減するためのオンチップ設計技術。」2012 IEEE国際電磁両立性シンポジウムで、pp. 549-553. IEEE, 2012。
• 陳、瑞瑞ら。「DC給電モータードライブにおけるインピーダンスバランシングによる共通モードノイズの削減。」2018 IEEE応用パワーエレクトロニクス会議および展示会（APEC）で、pp. 2515-2520. IEEE, 2018。

PCBレイアウトを作成したら、MOSFETの高側と低側で対称ルーティングを実装することを確認してください。これは、反対方向に進む電流ループを設定し、反平行磁場を生成するため重要です。共通モードノイズのキャンセルの一部ではないルーティングの任意の部分は、共通モード電流からの放射がはるかに弱い差動モード放射放出を持つことになります。

寄生要素を含むインピーダンスバランスのシミュレーション

上記の回路では、すべてのコンポーネントにいくらかの寄生要素と自己共振があることを覚えておくことが重要です。つまり、上記のインピーダンス関係は特定の周波数までしか保持されません。より高い自己共振周波数を持つコンポーネントを使用すると、はるかに高い周波数まで共通モードノイズを除去できます。このフィルタ回路の伝達関数をシミュレートして、このシステムでのノイズ抑制の限界を確認してください。

Altium Designer®の最高のPCB設計ツールを使用すると、回路を簡単に設計し、共通モードノイズを除去するためのインピーダンスバランススキームをシミュレートできます。また、単一のアプリケーションで完全な設計ツールセットを備えた空のPCBレイアウトにスキーマティクスを即座にキャプチャすることもできます。

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