ノイズ対策・EMC対策 基礎技術輻射ノイズ対策・高調波のノイズ対策

デジタル機器は、使用している信号の形態上、ノイズ発生が避けられないシステムであり、近年ノイズ発生のレベルに規制が加えられているのは周知のとおりである。
デジタル機器の輻射ノイズ対策用EMIフィルタには多数の種類があって部品選定を行う際に迷うことが多い。これは、ノイズ対策を行う回路に応じて、多数のフィルタが作られているからである。

デジタル回路基板から発生するノイズの主原因はデジタル信号の高調波である。一般に正弦波以外の繰り返し波は歪波と呼ばれる。この歪波は基本波とその整数倍の周波数成分からなる高調波とから構成されている。デジタル機器に使用されているデジタル信号も高次の高調波成分を含む歪波である。

デジタル機器ではこれらデジタル信号の基本波、および高調波成分が、パターンの導体やI/Oケーブルに流れ、輻射したり、導体を伝わって電磁障害を引き起こすのである。
電子機器内で発生したノイズは、パターンの導体や電源線あるいはI/Oケーブルを伝わって流れ、その一部がパターン、電源線、I/Oケーブルなどをアンテナとして空間に輻射する。

特にパターン、電源線、I/Oケーブル等の導体のアンテナ効率が良くなる周波数帯(通常導体長がλ/4となる周波数の場合が多い)では強力な輻射が発生しやすい。
ノイズ対策の基本は、輻射、伝導各々のノイズルートに対し、シールドとEMIフィルタによって対策することである。

それでは、輻射ノイズの対策はシールドだけで十分かというとそうではない。セットを動作させるには電源コード、I/Oケーブル、センサ、アクチュエータ等様々なケーブルを取り付ける必要があり、これらのケーブルに流れ出したノイズが、ケーブルをアンテナとして輻射するためである。また、ケーブルをシールドしても、ケーブルの先に繋がるセットより輻射することもある。従って、輻射ノイズの対策においては、EMIフィルタによりケーブルに流出するノイズをカットする必要がある。

デジタル機器より発生する輻射ノイズの大部分は、デジタル信号の高調波が空間に輻射したものと考えることができる。PCBのパターンやI/Oケーブルがアンテナとなって、こうしたノイズを輻射している場合が多い。
輻射ノイズ対策の基本は、ノイズを輻射するアンテナとなる導体にノイズを流出させないことであるということができる。つまり、アンテナとなる導体にノイズが伝導する以前にEMIフィルタでノイズをカットすればよい。

デジタル機器では多くの場合、主にI/Oケーブルがこうしたアンテナの役割を果たしている。
また、PCBの信号パターンがアンテナとなる場合も多い。従って、デジタル機器の輻射ノイズ対策では、まずI/OケーブルにつながるI/OラインにEMIフィルタを挿入し、ノイズを除去する。また必要によってはPCB上のアンテナとなるパターンにつながる信号ラインにもEMIフィルタが使用される。

デジタル機器の発生する輻射ノイズは、数百MHzの高周波まで発生する。またその帯域ではノイズ規制値が非常に厳しいレベルとなっている。従って、高周波でも有効に機能し、大きな減衰効果を持ったフィルタであることが必要である。従って狭いピッチに実装可能で、しかも比較的安価に入手できるフィルタが望ましい。
また、I/Oラインは比較的高インピーダンスのラインが多い。このようなラインではコンデンサ型のフィルタが有効に使用できる。高速のデジタル信号ラインに使用されるフィルタには、ノイズを除去するだけでなく、信号波形のなまりや歪みを最小限に抑えるウェーブシェイプ機能が必要となる。

デジタル機器の輻射ノイズ対策では、まずノイズの発生状況をくわしく調査し、ノイズを輻射するアンテナと、ノイズの伝導経路を把握する必要がある。PCBのSGや、シールドのグランドがノイズで揺れている場合には、まずグランドの強化(高周波でのグランドインピーダンスの低減)から取り掛かるのが効果的である。EMIフィルタの使用に当たっては、先に調べたノイズの伝導経路にフィルタを使用し、アンテナとなる導体にノイズを流出させないようにする。
信号ラインでのフィルタの選択に当たっては、信号に必要な周波数の範囲、回路のインピーダンス、ノイズの周波数と強度等の条件を考えあわせ、適切なフィルタを選択する。一般に低インピーダンスの回路にはインダクタ型フィルタが、高インピーダンスの回路にはコンデンサ型フィルタが効果的である。デジタル機器の信号ラインは高インピーダンスと考えて良い場合が多く、三端子コンデンサ等のコンデンサ型フィルタが有効である。安定したグランドが取れない場合にはグランドの必要がないインダクタ型フィルタも使用される。

放射ノイズ、伝導ノイズに関しては、別途記載します。

Chapter.14