Electromagnetic interference (EMI)

IEC 62368-1が60950-1および60065安全基準を置き換える IEC 62368-1がヨーロッパとアメリカでIEC 60950-1および60065を置き換えた現在、ITおよびオーディオ/ビデオの電子設計者にとってこれが何を意味するのかを解説します。

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：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

PCBにおける冷却ファンの電気ノイズ低減 PCやラップトップを開けて、そのファンやヒートシンクをじっくりと見たことがない人はいないでしょう。高速コンポーネント、高周波コンポーネント、または電力コンポーネントを扱っている場合、これらのコンポーネントから熱を取り除くための冷却戦略を考える必要があります。蒸発冷却ユニットを設置するか、水冷システムを構築するという核オプションを使用したくない場合は、冷却ファンを使用すると、最小の形状で最良の結果を得ることができます。対流熱伝達を助けるために、ヒートシンクにファンを追加することは良い考えです。ファンの電気ノイズと放射EMI システムを冷却するためにどの方法を使用するにしても、または冷却システムを構築している場合でも、ファンを駆動するために使用される方法に応じて、特定のEMI/EMCの点を考慮する必要があります。 AC駆動 AC駆動ファンは、周波数制御なしでは速度制御ができないため、コンパクトなシステムではあまり使用されません。また、これらのシステムは一般的に高AC電圧で動作するため、工業システムで見られることが多いです。これらのファンは、基本周波数および高次高調波で顕著な伝導EMI（共通モードおよび差動モード）を発生させ、これが電源/グラウンド線を通じて伝播します。これは通常、共通モードフィルタリング（LCネットワーク）に続いて差動フィルタリング（別のLCネットワーク）、そして直列のRCフィルターで除去できます。 DC駆動 DCファンは電気的にノイズがないように見えるかもしれませんが、音響的および電気的ノイズを発生します。異なるタイプのファンは、それぞれ独自のEMIを発生させ、 EMCテストの合格を困難にします。DCモーターを駆動しても、ローターを引き寄せたり反発させたりするために使用される回転する磁石のおかげでEMIを発生させます。これは、整流時に強いスイッチングノイズを生じます。DCファンから発生するEMIは、通常、ファンの電源リード内の伝導EMIに限定されます（2線式DCファンの場合）。このファンの電気ノイズは通常、共通グラウンドに注入され、ファンを駆動する任意のアンプの出力で再現されます。シンプルな単軸DC冷却ファンこれは、DCファンが放射されるEMI（電磁干渉）を発生させないという意味ではありませんが、放射されるEMIは、永久磁石とステータ巻線からの未封じ込め磁場（UMF）により、回転速度と同じ周波数になります。UMFはほとんどのファンにある程度存在しますが、UMFに対処する最初のステップはメーカーの責任です。一部のメーカーは、少なくとも2つの取り付け面でUMFを抑制するために、ファンに薄い鋼のエンクロージャを設置します。これは、放射されるEMIがファンの向きに強く依存することを意味します。 UMFからの放射されるEMIは、近くの高インダクタンス回路に低周波のリップル電流を誘導することがあります。一般に、大きなファンは駆動のためにより強い磁場を必要とするため、与えられた回転速度でより強いEMIを示します。しかし、数千RPMの回転速度でさえ、この放射されるEMIの周波数は数百Hzの範囲内にしかなりません。 PWM駆動 PWM駆動ファンは、デューティサイクルとPWM信号を変化させることで速度制御を提供します。PWM駆動では、スイッチングMOSFETや他のデューティサイクルが変化する回路を扱っています。速度制御は、適切なデューティサイクルとパルス周波数を設定することで提供されることに注意してください。これは、非常に低いパルス周波数の極端な場合、PWM信号が低い間にファンが停止するまで遅くなる可能性があるため、実際にはかなり重要です。PWM信号が非常に速い（高周波）場合、ファンを速くしすぎようとすると、エイリアシング効果による興味深いノイズが聞こえます。 PWMで駆動されるファンの場合、ほとんどのPWMドライバーは、MHz範囲に達する高周波で共通モードノイズを発生させます。PWMで駆動される誘導モーターは、導電性EMIとして電源線を通じて近くの回路に共通モードノイズを誘導することがあり、これはEMC評価に影響を与える可能性があります。このタイプのファン駆動は、速度制御が必要なコンピューターでより一般的です。この場合、ファンが安定した速度を維持するために温度制御および速度調整回路の使用が必要であり、コントローラーが必要に応じてデューティサイクルを増減できるようにする必要があることに注意してください。シンプルな単軸DC冷却ファン PWM回路自体もオーバーシュート/リンギングによって伝導EMIを発生させることに注意してください。これは平滑化またはフィルタリングされるべきですが、バイパスコンデンサやフェライトビーズをファンの入力に追加する前に、ファンメーカーのガイドラインを確認するべきです。この問題に対処するための推奨事項には、LCフィルターの構築、リンギング信号を除去するためのバンドストップフィルター、出力にRCフィルターを使用することなどが含まれているのを見たことがあります。いずれにせよ、フィルタリング戦略がメーカーの推奨事項を満たしていることを確認してください。 PWM信号の立ち上がり時間が速い場合、スイッチング信号が近くの回路にクロストークを誘発するスイッチングモード電源で見られるような類似の問題が発生することがあります。大型ファンを駆動するために高電流PWM信号を使用している場合、PWM信号のスイッチング動作が近くのデジタル回路に不随意のスイッチングを引き起こすことがあります。これは、PWMパルス列の周波数やデューティサイクルに関係なく発生します。この時点で、PWM回路に

EMC認証と製品私は、エレクトロニクス分野での自分のキャリアのほとんどを、中小企業やスタートアップ企業と協力することに費やし、彼らがアイデアを物理的な製品の形にするのを支援してきました。ほぼすべてのクライアントが抱えており、私が何度も見てきた誤解は、電磁両立性コンプライアンスに関するものでした。多くの企業は、自社製品にEMCテストが必要であることを知りませんでした。また、認証にかかる期間と費用や、要件が自社の製品にどう適用されるかを把握していない企業もありました。認証について知っていた人でも、自社製品にWi-Fi、Bluetooth、その他のRFトランスミッターやトランシーバーが搭載されていないため「RFテスト」を受ける必要はないと、その多くが誤って信じていました。また、数十あるいは数百の基板だけを製造する企業であるから、認証を受ける必要はない、または認証を受けなくても問題ないと考える人もいました。中でも驚きだったのは、市販の電子基板（Arduinoやブレークアウト基板など）を使用し、それらをすべて筐体に配線するだけの企業なので、デバイスを認証する必要がないと考える人がいたことです。ほぼすべての国には、独自のEMC規制と認証要件があります。国境を接している国同士や、ある国の認証/規制当局が規制の策定を主導している場合は、各国の規制が類似する可能性があります。例えば、カナダと米国には非常に似た要件があり、またヨーロッパのほとんどの国では、CE規格への準拠のみが要求されます。製品を販売する地域ごとにデバイスを認証する必要がある場合に比べ、共通の要件を定めることで認証プロセスが簡素化され、コスト効率が高くなります。また国によっては、自国内のラボで規制に照らして製品をテストすることを義務付けている国もあります。その場合、テスト用のデバイスを複数のラボに送る必要があるため、認証取得の費用と時間が大幅に増加する可能性があります。この記事では、特に非意図的な放射機器、つまり意図的なRF放射のないデバイスに焦点を当てています。何らかの放射を発生させることなく、電子回路を構築するのは不可能です。導体に可変電流が流れる際には常に磁場が発生し、電磁エネルギーが放射されるからです。これらの放射が、指定された制限値を確実に下回るようにすることで、他のデバイスや無線信号に干渉しないようにするために、規制や指令が存在しています。コンプライアンスが重要な理由 EMC規制がなければ、不適切に設計されたデバイスによって無線通信が不可能になる環境が生じ、接続されている他のデバイスや付近のデバイスの機能を、損傷または破壊する可能性があります。こうした規制がなければ、携帯電話、無線による航空管制、Wi-Fiによるインターネット接続、衛星通信など、電磁波を利用したあらゆる種類のテクノロジーが利用できなくなる可能性があります。極端な例を挙げていると思われるかもしれませんが、未認証のデバイスが無料放送のテレビ信号を妨害し、そのデバイスと同じ建物内で一部のチャンネルの信号品質が低下して視聴できなくなったり、付近のCBラジオが機能しなくなったこともあります。極端な例ですが、Makerのイベントでは、テストを一切受けていない高周波・高アンペアのモーターを備えたロボットのせいで、ペースメーカーを装着した年配の男性が困難な状況に陥り、ロボットの電源を切ることになったのを目にしました。こうしたことが、企業とその製品にどう関係するのでしょうか？産業施設に設置する単一のユニットを作成している場合はどうすればよいでしょうか？Tindieで販売するブレークアウト基板を作成している場合は？欧州委員会の電磁両立性指令のウェブサイトを引用すると、「機器（装置および固定設備）は、市場に投入され、および/または使用される際に、EMC要件に準拠する必要がある」とされています。 1台のデバイスを1回限りの使用のために販売する場合でも、100万台のデバイスを製造して流通させる場合でも、機器の認証を受けることが法的に義務付けられています。この要件は、PCBを作成するのではなく、複数の既製の基板を1つの筐体に組み立てる場合にも適用されます。同様の要件は、米国（FCC認証）、カナダ（ISED規制）、およびその他のあらゆる国で適用されています。 EMIおよびEMCに関する業界標準と規制の詳細については、こちらをご覧ください。規制に関して、何もせずに切り抜けられると考える人はいるかもしれません。しかし、私が過去に仕事をした小規模のクライアントは、過去に製品のコンプライアンス文書の欠如を摘発されていました。そのうちの1つは、年間の販売数がわずか数百台という米国の個人事業主で、注文品をヨーロッパの代理店に発送していましたが、仕向国の税関が、CE書類が提示されるまで発送を保留したのです。別の企業は、意図的な放射機器（RF製品）を販売しており、この取扱量も少量でしたが、未承認の製品を販売したとしてFCCから数十万ドルの罰金を課されました。販売量が少なくても、製品が規制当局の目に留まった場合、逃れることはできません。製品の認証を受けることは、コンプライアンス違反によって製品が破棄されたり、罰金を科されたりするよりも、はるかに安上がりなのは確かです。製品の認証を受ける方法最終的には、認証を希望する規制機関が承認または認可したラボに、自社製品を送付する必要があります。しかし、必要なサービスを提供するラボを予算内で見つけるのは困難な場合があります。スケジュールが許すなら、エレクトロニクスの展示会に足を運んでみるのも一案です。さまざまなラボのエンジニアと話す機会が得られるため、たとえ遠方でも、そのために出張する価値があるはずです。また、電子機器の製造/組み立てのビジネスに焦点を当てた比較的小規模な展示会では、複数のラボから代表者らが参加している可能性があります。最も安い見積もりを提示した会社が、必ずしもテストに最適とは限りません。特に初めて手続きを行う場合は、認証プロセスにおいて、かなり緊密にラボと連携する必要があります。理想的には、テストを実施するラボに、製品の開発プロセス全体を通じて協力してもらうのが望ましいと言えます。試作品を開発するときは、ハードウェアを持参してラボを訪問するか、ハードウェアをラボに送付して、試作品の事前準拠テストを行います。試作品を早期にテストすることで、問題が見つかった場合にハードウェアにタイムリーな変更を加えることができるので、最終製品だけをテストに送る場合と比較して、貴重な時間と費用を節約できます。問題が見つかった場合、優れたラボのエンジニアは、単に不適合だと伝えるのではなく、豊富な経験に基づいて問題の解決方法についてのアイデアを提供してくれるでしょう。さらに良いことに、事前準拠テストに直接赴くことで、こうした提案の一部をその場で実装し、すぐに再テストすることができます。それにより、問題を列挙したリストではなく、変更点を列挙したリストを持ってオフィスに戻ることができるのです。

PCB EMI/EMC ガイドライン：あなたの設計でEMI/EMC基準を満たすもし、携帯電話を2台並べたら、突然どちらも正常に動かなくなったらどうでしょう？幸いにも、このようなことは起こりません。なぜなら、設計者や製造業者が、これらのデバイスが導電性および放射性の電磁干渉（EMI）に関するEMC基準に準拠するように、真剣な努力をしているからです。どのデバイスも、市場に出る前にEMC基準を満たしている必要があります。これは複雑に聞こえるかもしれませんが、次のデバイスがEMCテストに合格するのを助けるための、いくつかのシンプルな設計戦略があります。さまざまなEMC基準団体とその仕様を知ることから始めるのが良いでしょう。 PCB設計のためのEMC/EMI基準 EMC基準は、規制基準と業界基準の2つの広いカテゴリーに分かれます。あなたの設計のための規制基準は、製品を市場に出して販売したい場所（必ずしもそれが設計されたり製造されたりする場所ではない）に依存します。最初のEMC基準のいくつかは、1979年にアメリカ合衆国連邦通信委員会によって確立されました。その後、ヨーロッパ共同体が独自のEMC基準を定義し、これが将来の欧州連合基準の基礎となり、現在はEMC指令として知られています - 正式には欧州議会の電磁両立性（EMC）指令2014/30/EUと命名されています（こちらからヨーロッパの基準を見ることができます）。業界標準への適合は、法的な問題だけでなく、特定の環境やアプリケーション領域で展開される電子機器の一貫性と相互運用性を保証するための業界固有の問題でもあります。効果的に、業界のEMC標準は、製造、組立、性能などの他の業界標準と同じ役割を果たします。EMC要件を定義する主要な業界標準機関および規制機関には、米国連邦通信委員会（FCC）米国連邦航空局（FAA）アンダーライター・ラボラトリーズ（UL）アメリカ無線技術委員会（RTCA）国際電気標準会議（IEC）、通じて国際特別無線障害委員会（CISPR）国際標準化機構（ISO）自動車技術者協会（SAE）電気電子技術者協会（IEEE）米国軍を通じてのMIL-STD標準セット IECおよびCISPRの標準はヨーロッパでより人気がありますが、IEEEの標準は米国でより人気があります。特に、IEEEの標準はアンテナ校正試験の基礎を形成します。MIL-STDのEMC要件は、世界で最も厳格な標準の中の一つであり、電子機器の商業セクターに適応される最初の標準のいくつかでした。 EMC標準に準拠するための広範な要件企業が非準拠のデバイスや製品をリリースした場合、警告を受けるか、

Thought Leadership 高速 PCB 設計における EMI: 信号の立ち上がり時間を理解する高速設計についてもっと学び、高速PCBレイアウトにおけるスイッチング速度、立ち上がり時間、およびEMIの対処方法について理解しましょう。