PCBでノイズとEMIを抑制するための正しいアナログフィルタ設計
電子業界は、より小さなPCBにより多くの機能を詰め込み、デバイスは低電力で高周波で動作しています。動作周波数が上昇し、信号レベルが下がるにつれて、ノイズ抑制はさらに重要になります。これは、PCB設計におけるEMIフィルターを使用してノイズを管理しやすくなります。PCB設計にフィルターを追加することで、大きな漂遊磁場が存在するEMIが発生しやすい環境や、低電力RFアプリケーションにおいて信号の整合性を向上させることができます。
業界標準では、デバイスにノイズ抑制、EMIフィルター、およびEMCフィルターの機能を含めることが求められています。導電放射基準を満たすためには、150 kHzから30 MHzの周波数でEMIノイズを抑制する必要があります。一部の製品にはより厳しい基準があり、下限は9 kHzから始まります。IoTアプリケーションでは、1 MHzでリップルフィルタリングが必要とされ、データと信号の整合性を維持します。
アクティブフィルター対パッシブフィルター
私の最初のPCB設計では、外部の低周波信号を測定するデバイスを構築する必要がありました。最初の試みでは、一貫性のある測定を期待していたのに、データポイントが乱雑な混乱になりました。すぐに原因を見つけました：私の低品質の電源が、かなりのノイズを伴う電圧を出力していました。大規模な電源のアップグレードに頼るのではなく、プリント基板上に直接EMIノイズフィルターを設計することで、この問題を解決することができました。
ベストな設計技術を用いてノイズ抑制とEMI低減を行ったとしても、設計がノイズの影響を受けやすい可能性があります。信号の整合性をさらに向上させるために、アクティブおよびパッシブのフィルタリング方法を使用して、EMIフィルターとEMCの両方を減少させることができます。プリント基板にどのフィルターを使用するかを選択する前に、常にフィルター設計をテストし、フィルターがPCBの適用可能なノイズ低減および電磁干渉基準を満たしていることを確認してください。
パッシブフィルターは、特定の周波数で回路内のノイズを防ぐために、標準的な電子部品のインピーダンスを使用します。アクティブフィルターは、パッシブフィルタリングコンポーネントをアンプやトランジスタのような動力部品と組み合わせます。アクティブフィルターは、小さなフットプリントを持つ表面実装デバイスとしてもパッケージ化されることがあります。
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EMI PCBフィルターデザインやノイズ抑制を作成する前に、信号からフィルタリングしようとしている周波数帯について何かを知る必要があります。
マイクロ波アプリケーション用に設計されたPCB
アクティブフィルターの簡単な例として、一次のローパスアクティブフィルターがあります。ローパスRCフィルターは、非反転オペアンプに接続することができます。このトポロジーは、バンドパスフィルターやハイパスフィルターにも適用可能です。二次のアクティブフィルターは、より複雑な設計を持っています。三次以上のフィルターは、複数の一次および二次フィルターを直列にデイジーチェーン接続することで容易に構築でき、これらのフィルターはフィルタリングバンドの端でより急なカットオフを提供します。
アクティブフィルターを使用する主な利点は、提供できる利得です。反転入力にフィードバックとプルダウン抵抗を含めることにより、増幅を適用することができます。
オペアンプICの小さなフットプリントにより、PCBレイアウトに強力なフィルターを配置でき、他のコンポーネント用に十分な余剰スペースが残ります。アクティブフィルターの欠点は、オペアンプが高周波数で高い減衰を持つことと、アクティブフィルターが低周波数アプリケーションでのみ使用できることです。
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パッシブマイクロストリップフィルター
マイクロストリップトレースは、PCBに直接埋め込まれたパッシブフィルターを構築するために使用できます。中心周波数と帯域幅は、マイクロストリップのジオメトリに基づいて調整することができます。これらのフィルターは製造が容易ですが、他のパッシブフィルターよりも大きなフットプリントを持つ傾向があります。
これらのフィルターを分析することも比較的簡単で、その形状により、インダクタとキャパシタの回路としてモデル化することができます。回路解析が得意なら、これらのフィルターを等価回路に簡単に還元し、手作業でフィルタリング特性の公式を導き出すことができます。
異なるマイクロストリップの形状やレイアウトは、バンドパスフィルター、ローパスフィルター、またはハイパスフィルターとして機能します。真のハイパスフィルターは、分散マイクロストリップ要素を使用して製造するのが非常に難しいです。ハイパスフィルターを形成する一つの方法は、非常に高い帯域幅と上限カットオフ周波数を持つバンドパス設計を使用することです。高いパストポロジーを持つと思われるフィルターも、高周波動作が分析されるとバンドパスフィルターであることがわかります。
電源フィルター
DC電源は通常、整流回路と平滑キャパシタを使用してACをDC電力に変換します。電源の出力には、電源に内蔵されたフィルタリングがあっても、いくらかの残留リップル電圧が含まれている場合があります。残留リップル電圧は、シンプルな受動電源フィルターを設計することによって抑制することができます。
リニアレギュレータは、電源からの低周波リップル電圧の多くを抑制できますが、約10kHz以上のノイズ成分に対しては効果が低下します。100kHz範囲の高周波成分はLCフィルターで抑制できます。さらに高いMHz範囲の高周波成分は、IC間にバイパスコンデンサを配置することで抑制できます。
適切な電圧要件を念頭に置くことで、統合EMIフィルターの管理が容易になります
IoTデバイスでは、1MHzまでの電圧リップルとその高次高調波のフィルタリングが重要になります。IoTデバイスでのデータ送信中、データはベースバンドモジュールに送られ、1MHzの信号にエンコードされます。この1MHzの信号は、RF送信モジュール内でキャリア信号と混合されます。MHz周波数までの電圧リップルとノイズを除去することで、無線伝送中の信号とデータの整合性が保たれます。
PCB設計ソフトウェア、例えばAltium Designer®は、デバイスにノイズ抑制機能を簡単に追加できます。広範なコンポーネントライブラリとルールベースの設計インターフェースにより、フィルターの設計が容易になります。Altiumの専門家に今日相談して、詳細を学びましょう。
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