EMCテストに合格するための最適なEMIフィルターの種類は何ですか？

EMCテストに合格する必要があり、新製品が謎のEMI源によって機能不全に陥っている場合、製品の完全な再設計を検討し始めるかもしれません。スタックアップ、レイアウト/ルーティング、およびコンポーネントの配置は、始めるのに良い場所ですが、特定のEMI源を抑制するためにできることがさらにあるかもしれません。

設計に配置できるEMIフィルターには多くの異なるタイプがあり、適切なフィルターはさまざまな周波数範囲でEMIを抑制するのに役立ちます。これらの回路は受動型または能動型であり、異なる帯域で異なるレベルの抑制を提供します。設計に最適なEMIフィルターの選択は、基板上のスペースから必要な減衰まで、さまざまな要因に依存します。さらに、一部のフィルターは比較的広帯域です（例：オペアンプ）が、他の回路は狭い周波数範囲のみを対象とすることができます。

EMIフィルターのタイプ

EMIフィルタは、受動型と能動型のフィルタに分類され、それぞれ受動部品または能動部品で構成されます。さらに詳しく言うと、これらの異なるタイプのフィルタは、共通モードノイズまたは差動モードノイズの特定のタイプを対象としています。明らかに、これらの回路は、両方のタイプのEMIをフィルタリングするためにカスケード接続することができます。EMIの問題を修正しようとしている場合、特にEMCテストに失敗した後は、フィルタリングを超えた複数の解決策を実装する必要があるかもしれません。

それぞれのカテゴリに分類される一般的なEMIフィルタのタイプを見てみましょう：

受動EMIフィルタ

差動モード受動EMIフィルタ

おそらく最も一般的な受動EMIフィルタは、フェライトチョークです。これは基本的にいくつかの寄生容量を持つインダクタで、数十MHzまでの低通フィルタリングを提供します。これらのコンポーネントは、共通モードまたは差動モードの導電EMIのフィルタリングを提供することができます。これをラップトップで読んでいる場合、電源コードが入力電力線上の高周波ノイズを除去するためにこれらのチョークの一つを使用している可能性があります。PCBを見ると、フィルタリングを提供するために使用できる他の回路がいくつかあります。

下の画像は、差動モードの受動EMIフィルタとして使用されるLC回路のコレクションを示しています。これらのフィルタ回路は、物理的には復帰経路のための単一の参照しか持たないため、差動モード回路です。ここでの例は、ベンチPSUやバッテリーのように2線式DC電圧で駆動されるデバイスです。ただし、近くに浮遊または接地されたシャーシが存在するかもしれませんが、下の回路では、直接電流を導くことはなく、システムの残りの部分から完全に隔離されています。

これらのフィルタの中で最も単純なものは、Cフィルタ（シャントコンデンサとして接続される）とLフィルタ（直列インダクタとして接続される）です。これらは、広い周波数範囲でノイズを除去するために、重要な回路や重要なコンポーネントの入力に配置することができます。より複雑な構成は下の画像に示されています。PiフィルタとTフィルタに関しては、それぞれ低および高のソース/負荷インピーダンスで最も効果的です。

希望の信号を特定のコンポーネントに通過させつつ、他の全ての周波数を抑制したい場合は、バンドパスフィルタを構築する必要があります。同様に、アンテナからの漂遊放射のような、単一周波数での強い信号を抑制したい場合は、バンドストップフィルタが必要になります。回路内のL/C要素の数がフィルタの数を決定することに注意してください。より高次（つまり、カスケード）のフィルタを構築すると、通過帯域の外側でより急なロールオフが得られます。

共通モード受動EMIフィルタ

上記のEMIフィルタは、追加の参照導体を導入することで共通モードフィルタとして構築できます。よく知られているように、共通モード電流は、シャーシ内の金属や何らかの外部導体（つまり、グラウンドループを介して）への寄生容量によって誘導されます。共通モード電流は、その電源線を介してシステムに入ることもあります。例えば、スイッチングDC電源の出力やACメインからです。

共通モードノイズに対処するために、差動線上で使用できる3つの潜在的なオプションがあります：

1. 直列に高インピーダンス要素を使用すること、すなわちコモンモードチョークを使用する
2. システムの基準（通常はシャーシまたは地球に戻る）に対して低インピーダンスのシャント要素を使用する
3. 容量性結合を排除するためにレイアウトを変更する

下の画像は、ポイント1と2を満たした配置を示しています。下のEMIフィルタ回路は、ACメイン入力または2線式DC入力（+VおよびDCコモン）に適用され、シャーシに接続する接地線が含まれています。この回路には、コモンモードチョークと、コンデンサのペアを介したローパスフィルタの2つの別々の要素が含まれています。

アクティブEMIフィルタ

アクティブフィルタは、受動フィルタのトランジスタ駆動アナログです。これらのフィルタは、オペアンプと受動部品を使用して、希望の帯域でのフィルタリングを提供します。これらのフィルタは、比較的フラットな通過帯域または阻止帯域で急激なロールオフを提供するために、高次フィルタとして構築することもできます。オペアンプで構築できる基本フィルタのいずれも、特定のアプリケーション用のSoCや他の特殊ICに統合されることがあります。また、単一の回路でコモンモードノイズと差動モードノイズを抑制するように設定することもできます。

例としては、共通モードチョークと一対のキャパシタがオペアンプに接続された上記の回路図があります。アンプの伝達関数は、フィードバックループにリアクティブ要素を追加することで調整できますが、このタイプのアクティブEMIフィルタ回路の安定性に注意してください。この電子設計の分野は非常に広範であり、多くの教科書で取り上げられています。この主題に関する素晴らしい教科書の一つは、John L. HilburnによるManual of Active Filter Design

マイクロ波およびミリ波周波数へのさらなる進展

です。この分野でのEMI/EMCテストとコンプライアンスはより複雑であり、設計およびテストされるデバイスも同様に複雑です。テスト中の製品からのEMIが大きな問題である場合、または製品内のEMIを解決することが難しい場合、上記のポイントを超えて検討すべきより高度な設計選択肢があります。吸収性コンフォーマルコーティングは、特にGHz周波数でのボード端からのEMIに対して、追加の隔離を提供するのに役立ちます。独特の隔離構造も、製品内の異なる回路ブロック間の放射EMIを抑制するだけでなく、外部EMIからの追加の隔離を提供する上で大いに役立ちます。RFレイアウト/ルーティング、スタックアップデザイン、および独特のRFインターコネクトアーキテクチャに関するベストプラクティスは、これらのタイプの製品からのEMI放出および受信を抑制する上で大いに役立ちます。

EMIフィルター、インターコネクトのジオメトリ、または隔離技術のどのタイプを使用する場合でも、プリレイアウトおよびポストレイアウトのシミュレーションツールを使用して信号整合性への影響をシミュレートするべきです。プリレイアウトSPICEシミュレーションは、EMIフィルターの設計を適格化し、フィルターが望ましい帯域内で適切なレベルの減衰を提供することを保証するのに理想的です。

EMIフィルター回路を使用するタイミング

EMCテストに合格しない場合に取るべき行動は重要な点です。クライアントからEMCテストに合格しない設計の修正を依頼された経験がありますが、解決策が常にフィルタリング回路を必要とするわけではありません。時には、基板や筐体の適切な接地が問題であったり、特定の回路の再作業に加えてEMIフィルタの追加が解決策となることもあります。

1. レイアウトと接地から始めます。EMCテストの失敗を引き起こす幽霊のようなEMI問題の修正を依頼された場合、最初に確認するのはデジタルルーティング用に使用される分割されたリファレンスプレーンと、多層基板でのリファレンスプレーン間の不適切な切り替えです。
2. 接地とルーティングを正しく行っていても、まだEMIの問題が残っている場合、新しいEMIフィルタの追加や既存のEMIフィルタの再設計が必要になるかもしれません。共通モードノイズの場合、PCBへの静電容量性ノイズの結合を防ぐために、システムの接地方法を再考する必要があるかもしれません。
3. 上記の2つのステップは、主にシステムに入るまたは出る伝導性EMIと、伝導電流によって生じる放射性EMIを対象としています。EMIフィルターを使用し、基板の最適なレイアウト実践を実施してもなお、強い放射性EMIが観測される場合は、より積極的な対策として基板レベルまたは筐体レベルのシールドを追加する必要があるかもしれません。

上記のポイントを超えて、EMIフィルタリングは一部のシステムにとって必須かもしれません。例えば、低レベルのアナログ信号とインターフェースする精密測定および制御システムや、グリッドに接続する高電力システムがあります。システム内のすべてのインターフェースにフィルタ回路を追加する前に、これらのポイントと特定のEMIソースを考慮してください。

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