モノリシックEMIフィルターによるコモンモードノイズの除去

マイク・サントラ著 | 2019年8月9日

コモンモードチョークが普及しているにもかかわらず、モノリシックEMIフィルタが代替手段となる可能性があります。 これらの多層セラミック コンポーネントは、適切に配置されている場合、コモンモード ノイズの優れた除去を実現します。

多くの要因によって「ノイズ」干渉の量が増加し、電子機器の機能に損傷を与えたり、妨害したりする可能性があります。 今日の自動車はその代表的な例です。 1 台の車両に Wi-Fi、Bluetooth、衛星ラジオ、GPS システムが搭載されていますが、これはほんの始まりにすぎません。 このノイズ干渉を管理するために、業界では通常、EMI フィルターとともにシールドを使用して不要なノイズを除去します。 しかし現在、EMI/RFI を排除するための従来のソリューションの一部はもはや十分ではありません。

この問題により、多くの OEM は、2 コンデンサ差動、3 コンデンサ (1 つの X キャップと 2 つの Y キャップ)、フィードスルー フィルタ、コモン モード チョーク、またはこれらの組み合わせなどのオプションを避けて、次のようなより適切なソリューションを求めています。より小型のパッケージで優れたノイズ抑制を実現するモノリシック EMI フィルタ。

電子機器が強い電磁波を受けると、回路内に不要な電流が誘導され、意図しない動作を引き起こしたり、意図した動作を妨げたりすることがあります。

EMI/RFI は、伝導または放射の形で発生する可能性があります。 EMI が発生すると、ノイズが導体に沿って伝わることになります。 放射 EMI は、ノイズが磁場または電波として空気中を伝わるときに発生します。

外部から加わるエネルギーはたとえ微量であっても、放送や通信に使われる電波に混入すると、受信不能や音声の異音、映像の乱れなどを引き起こす可能性があります。 エネルギーが強すぎると、電子機器が損傷する可能性があります。

発生源には、静電気放電、照明などの自然ノイズと、接触ノイズ、高周波を使用した機器の漏洩、不要輻射などの人工ノイズがあります。 通常、EMI/RFI ノイズはコモンモード ノイズであるため、解決策は、別個のデバイスとして、または回路基板に埋め込まれた EMI フィルターで不要な高周波を除去することです。

EMI フィルタEMI フィルタは通常、回路を形成するように接続されたコンデンサやインダクタなどの受動部品で構成されます。

「インダクタは、有害で不要な高周波電流をブロックしながら、DC または低周波電流を通過させます。コンデンサは、高周波ノイズをフィルタの入力からそらし、電源に戻すための低インピーダンス経路を提供します」電源またはグランド接続に接続してください」と、多層セラミックコンデンサとEMIフィルタを製造する会社であるJohanson DielectricsのChristophe Cambrelin氏は言います。

従来のコモンモードフィルタリング手法には、選択したカットオフ周波数より低い周波数の信号を通過させ、カットオフ周波数より高い周波数の信号を減衰させるコンデンサを使用したローパスフィルタが含まれます。

一般的な開始点は、差動構成で 1 対のコンデンサを適用し、各トレースと差動入力のグランドの間に 1 つのコンデンサを配置することです。 各レッグの容量性フィルタは、指定されたカットオフ周波数を超えると EMI/RFI をグランドに迂回させます。 この構成では、2 本のワイヤを介して逆位相の信号を送信するため、不要なノイズがグランドに送信されると同時に、信号対ノイズ比が向上します。

「残念ながら、X7R 誘電体を備えた MLCC (通常、この機能に使用される) の静電容量値は、時間、バイアス電圧、温度によって大きく変化します」と Cambrelin 氏は言います。

「したがって、2 つのコンデンサが、室温、低電圧で、ある時点で厳密に整合していても、時間や電圧、温度が変化すると、最終的には非常に異なる値になる可能性が非常に高くなります。この不一致は、 2 本の線により、フィルタのカットオフ付近の応答が不等になります。したがって、コモンモード ノイズが差動ノイズに変換されます。」

別の解決策は、2 つの「Y」コンデンサの間に大きな値の「X」コンデンサをブリッジすることです。 「X」コンデンサシャントはコモンモードバランシングの望ましい効果をもたらしますが、差動信号フィルタリングという望ましくない副作用が伴います。 おそらく、最も一般的な解決策であり、ローパス フィルターの代替手段は、コモン モード チョークです。

コモンモードチョークは、両方の巻線が一次側と二次側の両方として機能する 1:1 トランスです。 このアプローチでは、一方の巻線を流れる電流が、もう一方の巻線に逆方向の電流を誘導します。 残念ながら、コモンモードチョークも重く、高価であり、振動によって故障する可能性があります。

それでも、巻線間の完全な整合と結合を備えた適切なコモンモードチョークは、差動信号に対して透明であり、コモンモードノイズに対して高いインピーダンスを示します。 コモンモードチョークの欠点の 1 つは、寄生容量により周波数範囲が制限されることです。 特定のコア材料の場合、低周波フィルタリングを実現するために使用されるインダクタンスが高くなるほど、必要な巻数が増加し、その結果、高周波フィルタリングを無効にする寄生容量が増加します。

機械的な製造公差による巻線間の不一致により、信号エネルギーの一部がコモンモードノイズに変換される、またはその逆のモード変換が発生する可能性があります。 このシナリオでは、電磁適合性と電磁耐性の問題が引き起こされます。 不整合により、各脚の実効インダクタンスも減少します。

いずれにせよ、コモンモードチョークは、（通過する）差動信号が抑制する必要があるコモンモードノイズと同じ周波数範囲で動作する場合、他のオプションに比べて大きな利点があります。 コモンモードチョークを使用すると、信号通過帯域をコモンモード阻止帯域まで拡張できます。

モノリシック EMI フィルタ コモン モード チョークの人気にもかかわらず、代替手段としてモノリシック EMI フィルタが使用される場合があります。 これらの多層セラミックコンポーネントは、適切に配置されている場合、コモンモードノイズを優れて除去します。 これらは、相互インダクタンスのキャンセルとシールド効果を備えた 2 つの平衡シャント コンデンサを 1 つのパッケージに組み合わせています。 これらのフィルターは、4 つの外部接続に接続された 1 つのデバイス内で 2 つの別々の電気経路を使用します。

混乱を避けるために、モノリシック EMI フィルタは従来のフィードスルー コンデンサではないことに注意してください。 見た目は同じ（パッケージも外観も同じ）ですが、デザインは大きく異なり、接続方法も同じではありません。 他の EMI フィルタと同様に、モノリシック EMI フィルタは、指定されたカットオフ周波数を超えるすべてのエネルギーを減衰し、不要なノイズを「グランド」に逃がしながら、必要な信号エネルギーのみを通過させることを選択します。

ただし、重要なのは、非常に低いインダクタンスと整合されたインピーダンスです。 モノリシック EMI フィルタでは、終端がデバイス内の共通の基準 (シールド) 電極に内部で接続され、プレートは基準電極によって分離されます。 静電気的には、3 つの電気ノードは、単一のセラミック本体に含まれる共通の基準電極を共有する 2 つの容量性の半分によって形成されます。

コンデンサの半分間のバランスは、圧電効果が等しく、逆になり、相殺されることも意味します。 この関係は温度と電圧の変動にも影響するため、コンポーネントは両方のラインで均等に経年劣化します。 これらのモノリシック EMI フィルタに欠点があるとすれば、コモンモード ノイズが差動信号と同じ周波数である場合には使用できないことです。 「このような場合、コモンモードチョークはより良い解決策です」とカンブルラン氏は言います。

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