EMIに関する前回の記事では、EMIソースの意図的/非意図的な性質と、それらが周囲の他の電気/電子デバイス（被害者）のパフォーマンスにどのように影響するかを調べました。この記事の後には、電磁両立性（EMC）に関する別の記事が続き、EMIの危険性についての洞察が得られ、規制の取り締まりや機能障害のいずれかにより、EMIの考慮が不十分であることが製品の市場パフォーマンスにどのように悪影響を与える可能性があるかについてのコンテキストが提供されました。
どちらの記事にも、設計でEMI（発信または着信）を最小限に抑えるための幅広いヒントが含まれていますが、次のいくつかの記事では、電子製品の特定の機能ユニットでEMIを最小限に抑える方法について詳しく説明します。スイッチモード電源に特に焦点を当てて、電源ユニットのEMIを最小限に抑えることから始めます。
スイッチモード電源は、電圧変換/変換（降圧または昇圧）用の高速スイッチング動作を備えた回路を使用するAC-DCまたはDC-DC電源の総称です。これらは、高効率、スモールフォームファクタ、低消費電力を特徴としているため、従来の電子機器に比べて非常に複雑で設計が困難ですが、新しい電子機器/製品に最適な電源となっています。人気のあるリニア電源。ただし、SMPSは、設計の複雑さを超えて、既知の高効率を達成するために採用する高速スイッチング周波数により、EMI生成の重大な脅威をもたらします。
より多くのデバイス（潜在的なEMI犠牲者/ソース）が毎日開発されているため、EMIの克服はエンジニアにとって大きな課題になり、電磁両立性（EMC）の達成は、デバイスを正しく機能させることと同じくらい重要になっています。
今日の記事では、SMPSのEMIの性質と原因を調べ、それらを軽減するために使用できるいくつかの設計手法/アプローチを検討します。
SMPSのEMIの原因
EMIの問題を解決するには、一般に、干渉源、他の回路（被害者）への結合経路、およびパフォーマンスに悪影響を与える被害者の性質を理解する必要があります。製品開発中、潜在的な被害者に対するEMIの影響を判断することは通常ほとんど不可能です。そのため、EMI制御の取り組みは通常、放出源の最小化（または感受性の低減）と結合経路の排除/低減に重点が置かれます。
SMPS電源のEMIの主な原因は、その固有の設計特性とスイッチング特性に起因する可能性があります。 、AC-DCまたはDC-DC、SMPSのコンポーネントをスイッチングMOSFETからの変換プロセス中に高い周波数でオンまたはオフに偽の正弦波（方形波）を作成し、によって記述することができるいずれかのフーリエ級数として高調波に関連する周波数を持つ多くの正弦波の合計。スイッチング動作から生じるこの高調波の完全なフーリエスペクトルは、電源からデバイス内の他の回路、およびこれらの周波数の影響を受けやすい近くの電子デバイスに送信されるEMIになります。
スイッチングからのノイズに加えて、SMPSのEMIのもう1つの原因は、高速電流（dI / dt）および電圧（dV / dt）の遷移です（これは、スイッチングにも関連しています）。マクスウェルの方程式によれば、この交流電流と交流電圧は交流電磁界を生成し、電磁界の大きさは距離とともに減少しますが、アンテナのように機能し、ラインに追加のノイズを引き起こす導電性部品（PCB上の銅トレースなど）と相互作用します、EMIにつながります。
現在、ソースでのEMIは、隣接する回路またはデバイス（被害者）に結合されるまで（時々）それほど危険ではありません。そのため、潜在的な結合パスを排除/最小化することで、EMIを一般に減らすことができます。「EMIの概要」の記事で説明したように、EMI結合は一般的に次の方法で発生します。伝導（不要な/再利用されたパスまたはいわゆる「スニーク回路」を介して）、誘導（変圧器などの誘導性または容量性要素による結合）、および放射（無線）。
これらの結合経路と、それらがスイッチモード電源のEMIにどのように影響するかを理解することにより、設計者は、結合経路の影響を最小限に抑え、干渉の広がりを低減するようにシステムを作成できます。
さまざまなタイプのEMI結合メカニズム
SMPSに関連する各結合メカニズムを調べ、それらの存在を生み出すSMPS設計の要素を確立します。
SMPSの放射EMI：
放射結合は、ソースとレセプタ（犠牲者）が無線アンテナとして機能するときに発生します。線源は電磁波を放射し、電磁波は線源と被害者の間のオープンスペースを横切って伝播します。SMPSでは、放射EMI伝搬は通常、高いdi / dtのスイッチ電流に関連しており、設計レイアウトが不十分なために電流の立ち上がり時間が速いループの存在と、漏れインダクタンスを発生させる配線方法によって後押しされます。
以下の回路を考えてみましょう。
回路の高速電流変化により、通常の電圧出力（Vmeas）に加えて、ノイズの多い電圧（Vnoise）が発生します。結合メカニズムは、Vnoiseが次の式で与えられるように、トランスの動作に似ています。
Vノイズ= R M /（R S + R M）* M * di / dt
ここで、M / Kは、変圧器の場合と同様に、磁気ループの距離、面積、方向、および問題のループ間の磁気吸収に依存する結合係数です。したがって、ループ方向の考慮が不十分で、電流ループ面積が大きい設計/ PCBレイアウトでは、放射EMIのレベルが高くなる傾向があります。
SMPSで伝導されたEMI：
伝導結合は、EMI放射がEMIの発生源と受信機を相互に接続する導体（ワイヤ、ケーブル、エンクロージャ、PCB上の銅トレース）に沿って通過するときに発生します。このように結合されたEMIは、電源ラインでは一般的であり、通常、Hフィールドコンポーネントでは重いです。
SMPSの導通カップリングは、コモンモード導通（干渉が+ veおよびGNDラインで同相で表示される）または差動モード（干渉が2つの導体で逆相で表示される）のいずれかです。
コモンモード伝導エミッションは、通常、ヒートシンクやトランスのような寄生容量とボードレイアウト、およびスイッチ両端のスイッチング電圧波形によって引き起こされます。
一方、差動モードの伝導性エミッションは、入力に電流パルスを発生させ、差動ノイズの存在につながるスイッチングスパイクを生成するスイッチング動作の結果です。
SMPSの誘導EMI：
誘導結合は、ソースと犠牲者の間に電気的（容量結合による）または磁気的（誘導結合による）EMI誘導がある場合に発生します。電気的結合または容量性結合は、2つの隣接する導体間に変化する磁場が存在する場合に発生し、それらの間のギャップに電圧の変化を引き起こします。一方、磁気結合または誘導結合は、変化する磁場が2つの平行な導体間に存在する場合に発生し、変化を引き起こします。受信導体に沿った電圧。
要約すると、SMPSのEMIの主な原因は、結果として生じる高速di / dtまたはdv / dtトランジェントを伴う高周波スイッチング動作ですが、同じボード上の潜在的な被害者への生成されたEMIの伝播/拡散を容易にするイネーブラー（または外部システム）は、不適切なコンポーネントの選択、不適切な設計レイアウト、および電流パス内の浮遊インダクタンス/容量の存在に起因する要因です。
SMPSのEMIを低減するための設計手法
このセクションを通過する前に、EMI / EMCに関する標準と規制を調べて、設計目標が何であるかを思い出させるのはやりがいのあることかもしれません。基準は国/地域によって異なりますが、最も広く受け入れられている2つは、調和のおかげで、ほとんどの地域で認証に受け入れられます。FCCEMI制御規則およびCISPR22（無線干渉に関する国際特別委員会（CISPR）の第3版、発行22）。これら2つの標準の複雑な詳細は、前に説明したEMI標準の記事にまとめられています。
EMC認定プロセスに合格するか、他のデバイスの周囲でデバイスが正常に機能することを確認するには、排出レベルを規格に記載されている値未満に保つ必要があります。
SMPSのEMIを軽減するための設計アプローチは数多く存在し、それらを次々とカバーしていきます。
1.線形にする
正直なところ、アプリケーションに余裕がある場合（かさばりと非効率的な性質）、線形電源を使用することで、電源に関連するEMIストレスを大幅に節約できます。それらは重大なEMIを生成せず、開発にそれほど多くの時間とお金を要しません。それらの効率については、SMPSと同等ではない場合でも、LDOリニアレギュレータを使用することで妥当な効率レベルを得ることができます。
2.パワーモジュールを使用する
優れたEMIパフォーマンスを得るためのベストプラクティスに従うだけでは、十分でない場合があります。調整して最良のEMI結果を得る時間やその他のリソースが見つからないような状況では、通常機能する1つのアプローチは、電源モジュールに切り替えることです。
パワーモジュールは完璧ではありませんが、それらがうまく機能することの1つは、不適切な設計レイアウトや寄生インダクタンス/容量などの通常のEMI原因の罠に陥らないことを保証します。市場で最高の電源モジュールのいくつかは、すでにEMIを克服する必要性を説明しており、優れたEMI性能を備えた高速で簡単な電源の開発を可能にするように設計されています。Murata、Recom、Mornsunなどのメーカーは、EMIおよびEMCの問題をすでに処理している幅広いSMPSモジュールを持っています。
たとえば、通常、インダクタなどのほとんどのコンポーネントがパッケージの内部に接続されているため、モジュールの内部に非常に小さなループ領域が存在し、放射EMIが低減されます。一部のモジュールは、コイルからの放射EMIを防ぐために、インダクタとスイッチノードをシールドするところまで行きます。
3.シールド
EMIを低減するためのブルートフォースメカニズムは、SMPSを金属でシールドしています。これは、接地された導電性（金属）ハウジング内の電源にノイズ発生源を配置することによって実現され、外部回路への唯一のインターフェースはインラインフィルターを介して行われます。
ただし、シールドはプロジェクトに材料とPCBサイズの追加コストを追加するため、低コストの目標を持つプロジェクトにとっては悪い考えかもしれません。
4.レイアウトの最適化
設計レイアウトは、回路全体でのEMIの伝播を促進する主要な問題の1つと見なされています。これが、SMPSでEMIを削減するための広く一般的な手法の1つがレイアウト最適化である理由です。寄生成分の根絶から、ノイズに敏感なノードからのノイズの多いノードの分離、電流ループ領域の削減など、さまざまな意味を持つ可能性があるため、あいまいな用語になることがあります。
SMPS設計のレイアウト最適化のヒントには次のものがあります。
ノイズに敏感なノードをノイズの多いノードから保護する
これは、それらの間の電磁結合を防ぐために、それらを互いに可能な限り離して配置することによって行うことができます。ノイズに敏感でノイズの多いノードの例を以下の表に示します。
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ノイズの多いノード |
ノイズに敏感なノード |
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インダクタ |
センシングパス |
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ノードの切り替え |
補償ネットワーク |
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高dI / dtコンデンサ |
フィードバックピン |
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FET |
制御回路 |
ノイズに敏感なノードのトレースを短くする
PCB上の銅トレースは、放射EMIのアンテナとして機能するため、ノイズに敏感なノードに直接接続されているトレースが放射EMIを取得するのを防ぐ最善の方法のひとつは、それらが存在するコンポーネントを移動して、トレースをできるだけ短くすることです。接続するために、できるだけ近くに。たとえば、フィードバック（FB）ピンに給電する抵抗分割器ネットワークからの長いトレースは、アンテナとして機能し、その周囲の放射EMIを拾うことができます。フィードバックピンに供給されるノイズは、システムの出力に追加のノイズを導入し、デバイスのパフォーマンスを不安定にします。
重要な（アンテナ）ループ領域を減らす
スイッチング波形を伝送するトレース/ワイヤは、互いにできるだけ近くに配置する必要があります。
放射EMIは、電流の大きさ（I）とそれが流れるループ領域（A）に正比例するため、電流/電圧の領域を減らすことで、放射EMIのレベルを下げることができます。電力線に対してこれを行う良い方法は、PCBの隣接する層に電力線とリターンパスを相互に配置することです。
浮遊インダクタンスを最小化する
PCB上のトラック（電力線）のサイズを大きくし、それをリターンパスと平行に配線してトラックのインダクタンスを減らすことにより、ワイヤーループのインピーダンス（面積に比例して放射EMIに寄与する）を減らすことができます。。
接地
PCBの外面にある途切れのないグランドプレーンは、特に放射EMIを大幅に抑制するEMIソースの真下にある場合に、EMIの最短のリターンパスを提供します。ただし、他のトレースによるグランドプレーンの切断を許可すると、グランドプレーンが問題になる可能性があります。電流源に戻るために、リターン電流がカットを迂回するためのより長い経路を見つけなければならないため、カットは有効ループ面積を増加させ、重大なEMIレベルにつながる可能性があります。
フィルター
EMIフィルタは、特に伝導性EMIを軽減するために、電源に必須です。それらは通常、電源の入力および/または出力に配置されます。入力では、主電源からのノイズをフィルタリングするのに役立ち、出力では、電源からのノイズが回路の他の部分に影響を与えるのを防ぎます。
伝導性EMIを軽減するためのEMIフィルタの設計では、通常、コモンモード伝導性放射を差動モード放射とは別に扱うことが重要です。これらに対処するフィルタのパラメータが異なるためです。
ためのEMIフィルタリングを行い、差動モード、入力フィルタは、通常、低い基本スイッチング周波数で、また高調波周波数で効率的に減衰差動モード電流に合わせ、電解セラミックコンデンサで構成されています。さらに抑制が必要な状況では、インダクタを入力と直列に追加して、単段LCローパスフィルタを形成します。
ためのコモンモードフィルタリングEMIを行うフィルタリングは有効電力線（入力と出力の両方）と接地との間にバイパスコンデンサを接続することによって達成することができます。さらに減衰が必要な状況では、結合チョークインダクタを電力線と直列に追加できます。
一般に、フィルターの設計では、コンポーネントを選択するときに最悪のシナリオを考慮する必要があります。たとえば、コモンモードEMIは高入力電圧で最大になり、差動モードEMIは低電圧と高負荷電流で最大になります。
結論
スイッチング電源を設計する際に上記のすべての点を考慮することは通常課題であり、EMI軽減が「ダークアート」と呼ばれる理由の1つですが、慣れてくると、それらは第二の性質になります。 。
IoTとさまざまな技術の進歩のおかげで、電磁両立性と、近接する他のデバイスの動作に悪影響を与えることなく、通常の動作条件下で適切に機能する各デバイスの一般的な能力が、以前よりもさらに重要になっています。デバイスは、近くの意図的または非意図的なソースからのEMIの影響を受けてはならず、同時に、他のデバイスの誤動作につながる可能性のあるレベルで（意図的または非意図的に）干渉を放射してはなりません。
コスト関連の理由から、SMPS設計の初期段階でEMCを検討することが重要です。また、電源をメインデバイスに接続すると、両方のデバイスのEMIダイナミクスにどのように影響するかを考慮することも重要です。ほとんどの場合、特に組み込みSMPSの場合、電源はデバイスと一緒に1つのユニットとして認定され、どちらも失敗につながる可能性があります。