伝導性放出ブートキャンプ

内部結合放射または外部接続ケーブルから電子システムに悪影響を与える伝導放射は、伝導イミュニティ試験に合格するか、デバイスからの電気ノイズを制限したいと考えているハードウェア設計者にとって懸念事項です。その結果、電気ノイズがシステム内をどのように伝わるかを理解する必要があります。これには、さまざまな種類のノイズ電流、その測定方法、そして最終的には製品を外部に出すためにどのような種類の抑制メカニズムを使用するかを理解する必要があります。もちろん、これを行うには、得られる伝導性放出の種類に対してどの抑制方法が最も費用効果が高いかを判断する必要があります。

伝導性放出とは正確には何なのかをより深く理解するために、まずエンジニアが遭遇することになる 2 種類の放出について説明します。これらのエミッションと、それらが放射エミッションにどのような影響を与えるのかについての最初の原理を理解した後、その経路と典型的な発生源について説明します。これにより、ハードウェア設計者は設計段階でこれらの問題を認識できるようになり、後の段階で高価なコンポーネントを追加することを回避できます。発達。問題を特定して理解した後、次に最も重要なトピックは、これらの排出量をどのように測定するかです。ここで、エンジニアはテスト中に、注入イミュニティテスト用の方向性結合ネットワークまたはエミッション測定用のラインインピーダンス安定化ネットワーク (LISN) のいずれかの 2 つの一般的なデバイスに遭遇します。最後に、測定方法を理解した後、さまざまなアプリケーションのフィルターとコンポーネントについて説明します。

この記事の最後では、伝導性放出とは何か、その発生源と経路、その測定方法、そして最後に設計のさまざまな段階で伝導性放出を制御する方法について十分に理解できるはずです。

図 1: ノイズ源、経路、受信機の概要を示す EMC モデル

伝導性放射とEMCモデル私たちの全員ではないにしても、ほとんどの人が、車のステレオシステムのオルタネーターの鳴き声や、テレビに干渉する掃除機による伝導性放出の問題を経験したことがあります。そのため、問題を迅速に解決するには、ソースパスレシーバーの EMC モデルのどこに伝導エミッションが適合するかを理解することが重要です。

ほとんどの伝導性放出問題の発生源は、システムの外部から発生するものと、テスト対象のモジュールまたはシステムの内部または局所から発生するもののいずれかに分類されます。このため、ノイズ源がシステムに与える影響を軽減するために、フィルター設計や配線配線を対象とした伝導性放出物質が多く見られます。この例としては、前に説明した、図 2 で説明した発電の結果として意図しないノイズ電流を生成するオルタネーターが挙げられます。

図 2: (左) 無線動作を妨害する伝導性放射。 (右) アンテナに放射され無線動作を妨害する伝導性妨害波

このノイズ電流はエンジン速度によって変化する可能性があり、伝導経路または放射経路を介して無線性能に悪影響を与える可能性があります。ノイズ源は高調波成分や高振幅を含む特性を持っているため、通常は簡単にターゲットにできると思われるかもしれませんが、このノイズがたどる経路を追跡するのは困難なことがよくあります。このようなタイプのパスの例は、通常、接地が不十分なケーブル、導電性のシャーシ、トランジスタのヒートシンクなどの無害なものから生じる寄生容量など、意図しない結合メカニズムの結果です。図 3 は、オフラインのスイッチングコンバータが 150 kHz で駆動されている例を示しています。点線のコンデンサは、ヒートシンクと「グランド」の間に存在する寄生容量を表しています。赤い線は、ノイズ電流の経路を表しています。この伝導電流によって生成される電圧を測定するのに役立つ、LISN と呼ばれる後で触れるデバイスを持ち込むことができます。また、図 2 と図 3 では、経路には、アンテナからステレオアンプ、または導電性シャーシへの放射経路が含まれていることを覚えておくことも重要です。

図 3: 寄生結合のあるコモンモード電流経路の例

伝導性放出を制御するには、まず伝導性放出の種類を特定するのに役立ついくつかのルールを作成する必要があります。これにより、発生源を特定してフィルタリングするか、経路を特定し、経路を変更するか、システムを変更して、伝導性放出が発生しなくなるようにすることができます。問題。

伝導性放出の種類伝導性エミッションの問題に対処する最初のステップは、動作電流経路 (ループ) または意図しない電流経路 (放射または共通線に沿った) を介して、ノイズ経路がシステム内をどのように伝達されているかをまず特定することです。したがって、伝導性放出は、それが発生した条件に基づいて分類され、その結果、異なる救済策が得られます。

差動モード動作電流と直列に現れる最初のタイプのノイズ電流は、差動モード電流または差動モードノイズと呼ばれます。差動モードノイズを説明するときに通常示される一般的な図を図 4 に示します。ここでは、従来の 3 線式システムでは、ノイズ源が負荷全体に沿って示されています。ここでの差動モード電流は、ホットラインとニュートラルラインと直列と呼ばれるノイズ電圧を生成します。非 3 線式システムでは、これらは信号線と戻り線とみなされます。これは動作電流と直列に現れ、その名前が示すように本質的に差動です。

図 4: 3 線式システムの差動モードのノイズ源の例

幸いなことに、差動モードの問題をデバッグする場合、差動モードはループ電流と直列であるため、通常は簡単です。そのため、次のような回路図を注意深く分析することで、問題を解決する手がかりを見つけることができます。

図 5: 電圧降下を引き起こすバイパスコンデンサの ESR

コモンモードノイズ差動モードノイズ電流を反対方向に流れるノイズ電流と呼んだ後、その逆のノイズ電流が同じ方向に現れると言うのは理にかなっています。エミッションは信号パスとリターンパスの両方に共通であるため、コモンモードノイズと呼ばれます。この状況を視覚化するために、図 6 の単純な 3 線システムを再度参照します。ここでは、通常は電流が流れない経路である真のグランドに現れるノイズ電流によるノイズ電圧がわかります。ここでのコモンモード電流は、ホットラインとニュートラルラインの両方に共通のグランドに現れます。

図 6: 3 線式システムにおけるコモンモードノイズ源の例

残念ながら、このタイプのノイズ電流は、ノイズ電流が通過する経路に非常に敏感であるため、識別するのがさらに困難です。それらのパスには通常、寄生要素が含まれており、通常の動作電流とは関係がないため、回路図には表示されません。図 7 には、2 つのトランジスタとフローティング金属ハウジング内の負荷を駆動する DC/DC コンバータを含む 2 線システムでコモンモードパスがどのように伝播するかを示す例が示されています。

図 7: 寄生素子によるコモンモード放射の経路の例

コモンモードノイズの問題は設計者にとって頭痛の種であり、通常は次のような物理的問題の一部です。

さらに、これらは大部分の電子システムに現れる可能性がありますが、通常、次のような場合に頭痛を引き起こす可能性が最も高くなります。

さらに、コモンモード経路は、通常、放射性エミッションの問題の大部分の原因でもあります。これは、この経路を通るノイズ電流によって作られる電流ループが差動モードよりも大きくなる傾向があるためです。

伝導性放出がたどる経路をデバッグして分析しようとする場合、コモンモードとディファレンシャルモードの問題は相互に排他的な状況ではないことを理解することが重要です。たとえば、ソースとリターンパスの間で不平衡な差動モード電流は、コモンモードノイズとして現れる可能性があります。さらに、このため、問題を管理する最も効率的な方法は発生源での抑制であり、一般的なノイズ発生源に注意を払う必要があります。

慎重な分析を行わないと、一方を減らすためにフィルタリングおよび抑制技術を使用すると、もう一方が増加する結果になる可能性があります。

放射問題としての伝導放出伝導放出の測定方法について説明する前に、コモンモード電流とディファレンシャルモード電流は単なるハードウェアの問題ではなく、放射電界にも関係していることを理解することが重要です。どちらか、または両方が過剰に存在すると、動作上の問題が発生するだけでなく、デバイスが放射性物質の試験に不合格になる可能性があります。コモンモード電流とディファレンシャルモード電流を制御するには、まずこれらの電流が測定フィールドにどのように関係するかを理解する必要があります。ディファレンシャルモードの放射エミッションとディファレンシャルモード電流を推定するために使用できる一般的な方程式は、次の式で表されます。

差動モード電流はループ電流であるため、発生するエミッションは通過するループの面積に比例することに注意することが重要です。逆に、コモンモード電流によって生成される磁界は次の式で与えられます。

これらの両方の方程式では、周波数と 2 つの定数に依存していることがわかります。これらの定数はおよそ 1 桁異なります。

システムの差動電流とコモンモード電流の両方がシステム内のノイズの原因であると考える場合、コモンモード電流から生じる磁界は差動モード電流の磁界よりもはるかに強いことに注意する必要があります。代数を使用して、ロップ面積を、ワイヤ長を、周波数を 48 MHz に設定して方程式を簡略化すると、コモンモード電流と差動モード電流が互いにどのように関係しているかを把握できます。これは次のように示されます。

この式は、この単純化されたパラメータのセットの場合、コモンモード電流の単一マイクロアンペアが、差動モード電流のミリアンペアによって生成されるのと同じ磁場を生成できることを示しています。

測定技術さまざまな種類のノイズ源とその欠点について説明し、いくつかの例を示しましたが、それらを修正するための次の論理的なステップは、それらを評価する方法を理解することです。ノイズが回路に及ぼす影響とデバイスからの放射を評価すると、2 つの一般的なデバイスが得られます。その 1 つ目は LISN です。 LISN は、テスト対象デバイスからの伝導性放射の測定に使用され、テスト設定間の再現性と外部ノイズの変動からの分離を保証します。 2 つ目は方向性結合ネットワーク (DCN) です。これは、テスト対象のデバイスが伝導性放射に対してどのように反応するかを評価するために使用されます (通常、注入イミュニティテストと呼ばれます)。ここでのテストは、ノイズを測定するのではなく、デバイスの AC 電源に課されるさまざまな量の注入 RF ノイズにデバイスがどのように反応するかを確認するように設計されています。

これらの各デバイスの物理的なセットアップ、仕様、およびテストセットアップの詳細は、業界ごとに異なります。

ラインインピーダンス安定化ネットワークの紹介まず、デバイスからの放射を測定するための貴重なデバイスとしての LISN について説明します。その主な目的は、対象となる測定周波数の範囲にわたってラインインピーダンスを一定にすることです。 1 MHz までインピーダンスが一定の 50 オームではない LISN インピーダンスの例を図 8 に示します。

LISN は、テスト対象のデバイスを電力線のインピーダンス変動から分離し、測定ポートを提供することを目的としているため、入力電力と一致し、電源電流をノイズ電流から分離するだけでなく、外部ノイズ電流による影響をブロックします。測定。図 9 に示すこのブロック図は、製品および商用電源システムに関連して LISN が存在する場所を詳しく示しています。

図 9: DUT の隣に配置された LISN の図

LISN の内部を詳しく見てみると、インダクタとコンデンサで構成されるローパスフィルタが見つかります。この図をよく見て、図 4 と図 6 に戻ると、LISN が測定ポートからコモンモード電圧と差動モード電圧の両方を測定していることがわかります。

LISN 内のコンポーネントの値は似ていますが、業界や周波数範囲が異なれば同じではありません。これは、各仕様と規制機関が、動作環境に特有の異なる安定化インピーダンスを必要とするためです。ただし、図 11 に示す一般的なものがいくつかあります。

図 10: DUT に接続された AC 電源入力に接続された LISN の内部図

図 11: LISN の内部構造の例

LISN を使用すると、テスターや設計者は、デバイスからの放射が増え続ける規制機関に準拠しているかどうか、または電源フィルタリングで追加の作業を行う必要があるかどうかを確認できます。ただし、商用電源システムの他の場所から、たとえばモーターのオン/オフなどの伝導妨害が存在する場合に何が起こるかを知りたい場合は、方向性結合ネットワークが耐性をテストするためのデバイスとなります。

カップリングネットワークの紹介外乱下でデバイスがどのように動作するかを測定することは、幅広い用途で役立ちます。設計者が車両システムに電流を流すオルタネーターが電子機器に損傷を与えないようにする必要がある自動車分野から、冷蔵庫がオンになるたびにコンロがオンになることがないようにする商業システムまで。この記事では、61000 シリーズのテストで定義されている商業および産業用のテストに関する国際電気標準会議 (IEC) 規格に焦点を当てます。 IEC は、61000 シリーズのテストにおける広範なテスト基準にわたる伝導障害と放射障害をカバーする一般的な設定を規定する管理団体です。この記事の内容に関連するものは次の 2 つです。

これらのテストは、コモンモードとディファレンシャルモードの両方のセットアップでデバイスを外乱にさらし、主電源、信号線、測定線、別のシステムに接続するアース接続など、少なくとも 1 本の導電ケーブルを備えたデバイスに最も役立ちます。これらは、システムに侵入する可能性のある PWM、クロック、リレーチャタリングなどの一般的なノイズ源に対して製品の弱点をさらすことを目的としています。イミュニティテストのブロック図は図 12 のようになります。信号発生器、アンプ、方向性結合器が連携して、通常の AC 主電源に加えて変調された一定のノイズ信号を供給します。

図 12: テスト設定における方向性結合器のブロック図

一部のハイエンドシステムでは、パワーメーターとコンピューターコントローラーを使用して、注入される外乱の振幅の測定と制御の両方を行い、対象となる周波数範囲にわたるシステム内の RF 損失を考慮します。 4 ～ 6 回の一連のテストでは、注入されるノイズの振幅は、テスト対象の認証レベルに応じて 1、3、または 10 V のいずれかで一定に保たれます。排出ガス測定とは異なり、このテストは、許容基準がユーザーの選択に基づいており、IEC はテスト要件と方法の概要を示しているだけであるため、所属する業界に応じて微妙な違いが生じる可能性があります。たとえば、動作中にデバイスが 3V の外乱で適切に機能するようにしたい場合がありますが、10V ではデバイスが周囲条件で誤動作する必要がない場合があります。さらに、すべての方向性結合器が同じというわけではなく、アプリケーションに合わせてさまざまな種類があります。一般的なものの例を図 13 に示します。

図 13: 3 つの異なるタイプの方向性結合器の写真

デバイスのパフォーマンスを測定し、多くの場合と同様に問題が見つかったら、次のステップは、製品を販売できるようにスプリアス放射をフィルタリングまたは抑制するために何ができるかを考えることです。

フィルタリングおよびその他の抑制技術可能な限り最も効率的な方法で、早い段階で伝導性放出を攻撃することが、設計プロセス後半でのコストのかかる変更を回避する最善の方法です。このため、開発プロセスの初期段階でシステムを評価し、問題が見つかった後は、「これはコモンモードの問題なのか、ディファレンシャルモードの問題なのか」を自問する必要があります。各タイプの放射には独自の抑制メカニズムがあり、修正方法は、レイアウトの改善やフィルターなどのコスト重視の技術から、高価なチョーク、フェライトビーズ、ケーブル配線などの最後のデバイスまで多岐にわたります。どちらの状況でも、フィルタの目的は、ノイズ源のインピーダンスと受信機に影響を与える経路との間に不整合を生じさせ、電流経路のインピーダンスに影響を与えることです。

まずフィルタリングから始めます。多くのエンジニアは、一次ローパスフィルターがモーターやマイクロプロセッサーからのノイズを除去できることを初めて知って以来、よく知っています。差動モードフィルタの目的は、フィルタがノイズを吸収または負荷から遠ざけるように、回路からフィルタまでの間にインピーダンスの不整合を提供することです。

これらのフィルタコンポーネントは通常、直列インダクタンスと並列キャパシタンスで構成され、電源と負荷のインピーダンスが設計で考慮されている限り、必要な電流への影響を最小限に抑えるように設計できます。これらのリアクタンス素子のインピーダンスがフィルタリングにどのように役立つかを理解するには、コンデンサを高インピーダンス（開回路を含む）、逆にインダクタを低インピーダンス（裸線でできている）と考えると役立ちます。この知識をもとに、図 15 は、これらの要素がどのようにして、多くのラインフィルターに見られる PI または T ネットワークなどの原始的なフィルターから高度なフィルターを形成できるかを示しています。

図 14: ソースと負荷から見たフィルターのインピーダンス

図 15: さまざまなタイプのフィルタインピーダンスと、それらをソースおよび負荷に接続する方法を示す表

使用するコンポーネントのタイプを選択するときは、コンポーネントとリードの寄生成分がこれらのフィルタのパフォーマンスに大きな役割を果たす可能性があること、および多くの場合、トラッキングジェネレータを備えたスペクトラムアナライザがフィルタの評価において貴重なツールとなる可能性があることに留意することが重要です。これらのフィルタの挿入損失。

差動モードフィルタは最もよく知られた差動モードフィルタコンポーネントの 1 つですが、最も普及しているコモンモードの例はおそらくチョークとフェライトビーズです。さらに、その名前が示すように、これらのコンポーネントは、同じ方向に流れる電流に大きなインピーダンスを与えることにより、コモンモード電流経路にのみ影響を与えます。図 16 に示す図は、ディファレンシャルモード電流が減衰することなくリングチョークを通過できる一方で、コモンモード電流がどのように相殺磁界を生成するかを示しています。

図 16: コモンモードチョークにおける電流とその磁場

他の例は、電力線 (ラップトップのコードに接続された小型デバイスなど) 上に収まりますが、常にノイズ源の最も近くにあります。例を図 17 に示します。各デバイスの周波数の有効範囲と減衰レベルは、フェライトの材質とチョークを通るワイヤの巻き数によって異なります。

図 17: コモンモードチョークの例

これらは通常高価な部品であり、脱落する可能性があるため、最後の段階での有効性にはコストと信頼性が伴うことに注意することが重要です。

前述したように、賢いレイアウトにより多くの問題を回避できますが、ノイズを低減するのに最も効果があるのは電源のフロントエンドフィルターです。チョークと差動モードフィルターを導入したので、これらを組み合わせて電力線フィルターを形成できます。フィルタの概要を図 18 に示します。

図 18: 電力線フィルタの回路図例

これは調べるべきことがたくさんあるかもしれませんが、図 19 に示すように 2 つのコンポーネント、まず差動モードコンポーネントに分けることができます。

図 19: 電力線フィルタの差動モードセクション

フィルタのこのセクションは、電源ラインとリターンラインにわたる 1 つまたは複数の差動モードコンデンサで構成され、電源電流と直列になる可能性のある高周波ノイズを分路してソースに戻します。このコンデンサはと呼ばれ、通常はコモンモードコンデンサと比べて大きくなります。ここで、フィルターの次の段階であるチョークにおける不完全な結合によって生じる漏れインダクタンスが存在することに注意することが重要です。

フィルタのコモンモードセクションはコモンモードチョークで構成され、ラインバイパスコンデンサを利用して、電源またはデバイスからそのソースに戻るコモンモードノイズの低インピーダンス経路を提供します。例を図 20 に示します。

図 20: 電力線フィルタのコモンモードセクション

フィルタは必要ですが、ハードウェアエンジニアは、フィルタの効果を最大化するために、設計段階全体を通じて配線、終端、寄生成分に注意を払う必要があります。

結論この記事が、ノイズがたどる 2 つの経路の概要を説明することで、次の伝導性放出問題に取り組むきっかけとなることを願っています。 1 つ目は差動モードによるもので、回路内の動作電流が関係します。つまり、文書化されたパスに従い、回路図、レイアウト、およびコンポーネントの選択のシステム分析を通じて解決できます。 2 つ目はコモンモードによるもので、通常、ヒートシンクや終端不良のワイヤハーネスなどのコンポーネントの寄生要素によってもたらされる意図しない経路によって発生します。ここでエンジニアは、問題を解決するためにソースとパスに焦点を当てる必要があります。 LISN と方向性結合ネットワークは、製品のパフォーマンスを測定するために使用される一般的なデバイスです。そのため、フィルターを設計する際には、コストの増加がわずかに抑えられるよう、効果を最大化するために十分な早期に設計が行われます。

クリストファー・セマンソンノースカロライナ州ダーラムにある Renesas Electronics America Inc. で電気アプリケーションエンジニアとして勤務し、さまざまな汎用アプリケーションをサポートしています。彼はミシガン大学で EMC 教育に 5 年間従事し、Mark Steffka とともに EMC とエレクトロニクスを教えた経験があります。ミシガン大学ディアボーン校で電気およびコンピュータ工学の学士号と電気工学の修士号を取得しています。 Chris への連絡先は [email protected] です。

クリス・セマンソンChristopher Semanson伝導性放出設計emc

Christopher Semanson は、ノースカロライナ州ダーラムの Renesas Electronics America Inc. でパワーシステムアプリケーションエンジニアとして勤務し、ISO 26262 に準拠した車載アプリケーションにおける PMIC およびその他の発電半導体の設計をサポートしています。彼は、これまでに EMC 教育で 5 年の経験があります。ミシガン大学で、Mark Steffka とともに EMC とエレクトロニクスを教えています。 Semanson は、ミシガン大学ディアボーン校で電気およびコンピュータ工学の学士号と電気工学の修士号を取得しています。彼への連絡先は [email protected] です。

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伝導性エミッションと EMC モデル伝導性エミッションの種類測定技術フィルタリングおよびその他の抑制技術まとめクリストファー・セマンソン

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