電磁干渉（emi）–タイプ、規格、およびシールド技術

認定は通常、新しいハードウェア製品の開発中に最も費用がかかり、面倒な段階の1つです。これは、製品が機能に関するすべての定められた法律およびガイドラインに準拠していることを当局が知るのに役立ちます。このようにして、その特定の製品のパフォーマンスを保証して、危険やユーザーへの危害を防ぐことができます。この段階は通常退屈ですが、製品会社が直前の複雑さを無効にするためにこれを事前に計画することが重要です。今日の記事では、EMI設計標準について見ていきます。これは、デザイナーが高品質の製品を開発するために私の心に留めておかなければならない非常に一般的な慣習です。EMIを詳細に調べ、そのタイプ、性質、仕様と規格、結合とシールドのメカニズム、およびEMIテストに合格するためのベストプラクティスを検討します。

EMI規格–すべてはどのように始まったのですか？

EMI（電磁干渉）規格が本来するために作成された電磁干渉から電子回路を保護し、それらが本来あるように設計された方法を実行することを防ぐことができます。これらの干渉により、デバイスが完全に誤動作し、ユーザーにとって危険になる場合があります。それは1950年代に最初に懸念され、ナビゲーションシステムの電磁干渉によるナビゲーションの失敗から生じるいくつかの注目すべき事故、および不注意な兵器の放出につながるレーダー放射のために、主に軍隊に関心がありました。そのため、軍はシステムが互いに互換性があることを確認したいと考えていました。一方の操作が他方に影響を与えないようにする必要がありました。

軍事用途に加えて、ペースメーカーや他の種類のCIEDなどの医療および健康関連ソリューションの最近の進歩も、このようなデバイスへの干渉が生命を脅かす状況につながる可能性があるため、EMI規制の必要性に貢献しています。

これらは、他のシナリオの中でもとりわけ、EMI干渉規格の確立につながり、確立された多数のEMC規制機関との関係です。

電磁干渉（EMI）とは何ですか？

電磁干渉は、電子デバイスの適切な機能を妨げる不要な電磁エネルギーとして定義できます。すべての電子機器は、その回路やワイヤーを流れる電気が完全に封じ込められることはないため、ある程度の電磁放射を生成します。デバイス「A」からのこのエネルギーは、電磁放射として空気中を伝播するか、別のデバイス「B」のI / Oまたはケーブルに結合（または伝導）されるため、デバイスBの動作バランスが崩れ、デバイスが時には危険な方法で誤動作します。デバイスBの動作を妨害するデバイスAからのこのエネルギーは、電磁干渉と呼ばれます。

干渉は、雷雨などの自然発生源から発生する場合もありますが、多くの場合、近接している別のデバイスの動作の結果です。すべての電子デバイスはいくつかのEMIを生成しますが、特に携帯電話、LEDディスプレイ、モーターなどの特定のクラスのデバイスは、他のデバイスと比較して干渉を生成する可能性が高くなります。隔離された環境ではデバイスを動作させることができないため、干渉を最小限に抑えるために、デバイスが特定の基準に準拠していることを確認することが重要です。これらの規格および規制はEMI規格として知られており、これらの規格が法律で定められている地域/国で使用/販売されるすべての製品/デバイスは、使用する前に認証を受ける必要があります。

電磁干渉（EMI）の種類

規格や規制を検討する前に、EMIのタイプを調べて、製品に組み込まれるべきイミュニティの種類をよりよく理解することがおそらく重要です。電磁干渉は、次のようないくつかの要因に基づいてタイプに分類できます。

EMIの原因
EMIの期間
EMIの帯域幅

これらの各カテゴリを次々に見ていきます。

1.EMIの発生源

EMIをタイプに分類する1つの方法は、干渉の原因とその作成方法を調べることです。このカテゴリには、基本的に2種類のEMI、自然発生EMIと人工EMIがあります。天然に存在するEMIは、自然現象のような照明、電気嵐、および他の類似の発生の結果として生じる電磁干渉を指します。しながら人工EMI一方、干渉を経験デバイスの近傍に他の電子機器（受信機）の活動の結果として生じるEMISを指します。これらのタイプのEMIの例には、無線周波数干渉、音響機器のEMIなどがあります。

2.干渉の持続時間

EMIは、干渉の持続時間、つまり干渉が発生した期間に基づいてタイプに分類されます。これに基づいて、EMIは通常、連続EMIとインパルスEMIの2つのタイプに分類されます。連続的なEMIは、連続光源によって放出されるEMISを指します。発生源は人工のものでも自然のものでもかまいませんが、EMI源と受信機の間に結合メカニズム（伝導または放射）が存在する限り、干渉は継続的に発生します。インパルスEMI断続的または非常に短い期間内に発生するEMIです。連続EMIと同様に、インパルスEMIも自然発生または人工である可能性があります。例には、接続された近くのシステムの電圧または電流の平衡に乱れを引き起こす信号を放出する可能性のあるスイッチ、照明、および同様のソースから発生するインパルスノイズが含まれます。

3.EMIの帯域幅

EMIは、帯域幅を使用してタイプに分類することもできます。 EMIの帯域幅とは、EMIが発生する周波数の範囲を指します。これに基づいて、EMIは狭帯域EMIと広帯域EMIに分類できます。狭帯域EMIは 、典型的には、おそらく、発振器の形によって、または送信機における歪みの異なる種類によって生じるスプリアス信号の結果として生成される単一の周波数又は干渉周波数の狭帯域からなります。ほとんどの場合、それらは通常、通信または電子機器にわずかな影響を及ぼし、簡単に調整することができます。ただし、それらは依然として強力な干渉源であり、許容範囲内に維持する必要があります。ブロードバンドEMIS単一/ディスクリート周波数では発生しないEMIです。それらは磁気スペクトルの大部分を占め、さまざまな形で存在し、さまざまな人工または自然の発生源から発生する可能性があります。典型的な原因にはアーク放電とコロナが含まれ、デジタルデータ機器のEMI問題のかなりの割合の原因となっています。自然に発生するEMI状況の良い例は、「太陽の停止」です。これは、太陽からのエネルギーが通信衛星からの信号を妨害した結果として発生します。他の例は次のとおりです。モーター/発電機のブラシの故障、点火システムのアーク放電、電力線の不良、蛍光灯の不良の結果としてのEMI。

EMIの性質

前述のEMIは、E（電気）とH（磁気）の両方の磁場成分で構成される電磁波であり、以下に示すように互いに直角に振動します。これらの各コンポーネントは、周波数、電圧、距離、電流などのパラメータに対して異なる応答をするため、問題に明確に対処する前に、EMIの性質を理解し、どのコンポーネントが支配的であるかを知ることが重要です。

たとえば、電界コンポーネントの場合、EMI減衰は、導電率の高い材料を介して改善できますが、透磁率が高い材料によって低減できます。これとは対照的に、磁界コンポーネントの減衰は改善されます。そのため、電界が支配的なEMIを備えたシステムで透磁率が増加すると、減衰は減少しますが、H電界が支配的なEMIでは減衰が向上します。ただし、電子部品の作成に使用される技術の最近の進歩により、通常、電界が干渉の主要な成分になります。

EMI結合メカニズム

EMI結合メカニズムは、EMIがソースからレシーバー（影響を受けるデバイス）にどのように到達するかを記述します。EMIの性質と、ソースからレシーバーにどのように結合されているかを理解することが、問題に対処するための鍵となります。2つのコンポーネント（HフィールドとEフィールド）を搭載したEMIは、伝導、放射、容量結合、誘導結合の4つの主要なタイプのEMI結合を介してソースからレシーバーに結合されます。カップリングメカニズムを次々と見ていきましょう。

1.伝導

伝導結合は、EMI放射がEMIの発生源と受信機を接続する導体（ワイヤとケーブル）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。電力線の導通結合は、コモンモード導通（干渉が+ veおよび-veラインまたはtxおよびrxラインで同相で表示される）または差動モード導通（干渉が2つのコンダクタで位相がずれて表示される）のいずれかです。伝導結合干渉に対する最も一般的な解決策は、ケーブル上のフィルターとシールドの使用です。

2.放射線

放射カップリングは、最も人気があり、一般的に経験されているEMIカップリングの形式です。伝導の場合とは異なり、干渉は空間を介して受信機に放出（放射）されるため、ソースと受信機の間に物理的な接続は必要ありません。放射されたEMIの良い例は、前述の太陽の停止です。

3.容量結合

これは、接続された2つのデバイス間で発生します。容量結合は、ソースの電圧の変化が犠牲者に電荷を容量的に転送するときに存在します

4.誘導/磁気結合

これは、電磁誘導の原理に基づいて、導体が近くの別の導体に干渉を誘発する結果として発生する種類のEMIを指します。

電磁干渉と互換性

EMI規格は、電磁両立性（EMC）と呼ばれる規制規格の一部であると言えます。これには、デバイスが他のデバイスと共存し、他のデバイスのパフォーマンスに影響を与えることなく設計どおりに実行できることを示すために満たす必要のあるパフォーマンス基準のリストが含まれています。そのようなEMI規格は本質的に一般的なEMC規格の一部です。名前は通常同じ意味で使用されますが、それらの間には明確な違いがありますが、これについてはフォローアップ記事で説明します。

国や大陸/経済圏によって、これらの標準のバリエーションは異なりますが、この記事では、連邦通信委員会（FCC）の標準を検討します。「意図しない」無線周波数を規制するFCC規格のタイトル47：電気通信のパート15によると、デバイスには2つのクラスがあります。クラスAおよびB。

クラスAデバイスは、産業、オフィス、家庭以外のあらゆる場所での使用を目的としたデバイスであり、CLass Bデバイスは、他の環境での使用にもかかわらず、家庭での使用を目的としたデバイスです。

伝導結合エミッションに関しては、家庭で使用することを目的としたクラスBデバイスの場合、エミッションは下の表に示す値に制限されると予想されます。以下の情報は、連邦規則集の電子コードのWebサイトから取得されます。

以下のためにクラスA機器の制限があります。

放射エミッションの場合、クラスAデバイスは指定された周波数で以下の制限内にとどまると予想されます。

周波数（MHz）	µV / m
30〜88	100
88から216	150
216から960	200
960以上	500

用しながら、クラスBのデバイス、限界があります。

周波数（MHz）	µV / m
30〜88	90
88から216	150
216から960	210
960以上	300

これらの規格の詳細については、さまざまな規制機関のページをご覧ください。

デバイスに関するこれらのEMC規格に準拠するには、個々のコンポーネントレベル、ボード/ PCBレベル、システムレベル、およびシステム全体レベルの4つのレベルでEMI保護が必要です。これを達成するために、2つの主要な対策。電磁シールドと接地が通常使用されますが、フィルタリングなどの他の重要な手段も使用されます。ほとんどの電子機器は密閉されているため、EMIシールドは通常、システムレベルで適用され、放射EMIと伝導EMIの両方を封じ込めて、EMC規格への準拠を保証します。そのため、EMI保護の対策としてシールドに関する実際的な考慮事項を検討します。

電磁シールド–EMIから設計を保護します

シールドは、電子製品のEMIを低減するために採用された主要な対策の1つです。これには、電子機器またはケーブル用の金属製の筐体/シールドの使用が含まれます。製品全体をシールドするのにコストがかかりすぎる、または実用的でない可能性がある特定の機器/状況では、EMIソース/シンクである可能性のある最も重要なコンポーネントがシールドされます。これは、ほとんどの事前認証済み通信モジュールおよびチップで特に一般的です。

物理的シールドは、波の反射と吸収によってEMI信号を減衰（弱める）することでEMIを低減します。金属シールドは、EMIのHフィールド成分を吸収するための高い透磁率を備えながら、Eフィールド成分を反射できるように設計されています。ケーブルでは、信号線は一方または両方の端で接地された外側の導電層に囲まれていますが、エンクロージャの場合、導電性の金属ハウジングが干渉シールドとして機能します。

理想的には、完璧なEMCエンクロージャは、鋼のような高密度の材料でできており、ケーブルなしですべての側面が完全に密閉されているため、波が出入りすることはありませんが、必要性、エンクロージャの低コスト、熱管理、とりわけ、メンテナンス、電源、およびデータケーブルは、そのような理想を非現実的にします。それぞれの穴が作成されると、これらのニーズがEMIの潜在的な入口/出口ポイントになるため、設計者は、デバイスの全体的なパフォーマンスが1日の終わりにEMC標準の許容範囲内にあることを確認するためにいくつかの対策を講じることを余儀なくされます。

シールドの実用的な考慮事項

上記のように、エンクロージャまたはシールドケーブルでシールドする場合は、いくつかの実用的な考慮事項が必要です。重要なEMIの可能性（健康、航空、電力、通信、軍事など）を持つ製品の場合、製品設計チームは、シールドおよび一般的なEMI状況に関連する経験を持つ個人で構成されることが重要です。このセクションでは、考えられるヒントまたはEMIシールドのいくつかの概要を説明します。

1.キャビネットとエンクロージャーの設計

上記のように、換気グリル、ケーブル穴、ドア、およびとりわけスイッチなどとして機能する特定の開口部のないエンクロージャを設計することは不可能です。サイズや形状に関係なく、EM波がエンクロージャーに出入りできるエンクロージャーのこれらの開口部は、EMI用語ではスロットと呼ばれます。スロットは、RFI周波数に対する長さと方向が導波管にならないように設計する必要がありますが、換気グリルの場合のサイズと配置は、熱要件を維持するために必要な気流の適切なバランスを維持する必要があります。必要な信号減衰と関連するRFI周波数に基づいてEMIを制御する回路と機能の

軍事機器などの重要なアプリケーションでは、ドアなどのスロットには通常、EMIガスケットと呼ばれる特殊なガスケットが取り付けられています。ニットワイヤーメッシュや金属製スパイラルガスケットなど、さまざまなタイプがありますが、ガスケットを選択する前に、いくつかの設計要素（通常はコスト/メリット）が考慮されます。全体として、スロットの数はできるだけ少なくし、サイズはできるだけ小さくする必要があります。

2.ケーブル

特定のエンクロージャーにはケーブル開口部が必要な場合があります。これは、エンクロージャーの設計でも考慮する必要があります。に

これに加えて、ケーブルは重要な機器でEMIを伝導する手段としても機能し、ケーブルは編組シールドを使用してから接地されます。このアプローチは費用がかかりますが、より効果的です。ただし、低コストの状況では、フェライトビーズなどの既製のソリューションがケーブルの端の特定の場所に配置されます。PCBボードレベルでは、フィルターも入力電力線に沿って実装されます。

EMIテストに合格するためのベストプラクティス

EMIを抑えるための、特にボードレベルでのEMI設計手法には次のものがあります。

事前に認定されたモジュールを使用します。特に通信の場合、すでに認定されたモジュールを使用すると、チームがシールドで行う必要のある作業量が減り、製品の認定コストが削減されます。上級者向けのヒント：プロジェクト用に新しい電源を設計する代わりに、既存の既製の電源と互換性があるようにプロジェクトを設計します。これらにより、電源の認証にかかるコストを節約できます。
電流ループを小さくしてください。誘導と放射によってエネルギーを結合する導体の能力は、アンテナとして機能する小さなループで低下します
銅プリント回路（PC）ボードトレースのペアには、上下に配置された幅の広い（低インピーダンス）トレースを使用します。
干渉源に、基本的にはパワーモジュールのできるだけ近くにフィルターを配置します。フィルタコンポーネントの値は、減衰の望ましい周波数範囲を念頭に置いて選択する必要があります。一例として、コンデンサは特定の周波数で自己共振し、それを超えると誘導性になります。バイパスコンデンサのリード線はできるだけ短くしてください。
ノイズ源が潜在的に影響を受けやすい回路に近接していることを考慮して、コンポーネントをPCBに配置します。
位置デカップリングキャパシタコンバータにできるだけ近く、特にX及びYコンデンサとして。
可能な場合はグランドプレーンを使用して、放射結合を最小限に抑え、敏感なノードの断面積を最小限に抑え、コモンモードコンデンサなどから放射する可能性のある高電流ノードの断面積を最小限に抑えます。
表面実装デバイス（SMD）は、インダクタンスが減少し、コンポーネントの配置が近くなるため、RFエネルギーの処理においてリードデバイスよりも優れています。

全体として、開発プロセス中にこれらの設計経験を持つ個人をチームに含めることが重要です。これにより、認証のコストを節約し、システムとそのパフォーマンスの安定性と信頼性を確保できます。