設計における電磁干渉 (EMI) は、特に自動車分野において長い間大きな悩みの種でした。 EMIを可能な限り最小限に抑えるために、設計者は通常、回路図を設計し、高いdi/dtとスイッチング遷移レートでループ面積を減らしてノイズ源を減らすレイアウトを描きます。
ただし、レイアウトや回路図の設計にどれほど注意を払っても、伝導 EMI を望ましいレベルまで低減できない場合があります。 これは、ノイズが回路の寄生パラメータだけでなく電流の強さにも依存するためです。 さらに、スイッチの開閉動作により不連続電流が生成され、これらの不連続電流によって入力コンデンサに電圧リップルが発生し、EMI が増加します。
したがって、伝導 EMI のパフォーマンスを改善するには、他の方法を使用する必要があります。 この文書では、ノイズを除去するための入力フィルタの導入、またはノイズをロックアウトするためのシールドの追加に焦点を当てています。
図1 EMIフィルタの概略図
図 1 は、コモン モード (CM) フィルタと差動モード (DM) フィルタを含む、簡略化された EMI フィルタを示しています。 通常、DM フィルターは主に 30MHz 未満のノイズ (DM ノイズ) を除去するために使用され、CM フィルターは主に 30MHz から 100MHz のノイズ (CM ノイズ) を除去するために使用されます。 ただし、実際にはどちらのフィルタも周波数帯域全体にわたって EMI ノイズをある程度抑制します。
図 2 は、フィルタなしの入力リード ノイズ (正と負の両方のノイズを含む) を示し、これらのノイズのピーク レベルと平均レベルをラベル付けしています。 この場合、テスト対象システムは主にチップ LMR14050SSQDDARQ1 を使用して 5V/5A を出力し、同時に 1.5V/3A、3.3V/2A、および 1.8V/2A を出力する後続のチップ TPS65263QRHBRQ1 に電力を供給します。 これら 2 つのチップは両方とも 2.2MHz のスイッチング周波数で動作します。 なお、図に示す伝導EMI規格はCISPR25クラス5(C5)です。
図2 C5標準時のノイズ特性（フィルタなし）
図 3 は、DM フィルタを追加した場合の EMI の結果を示しています。 図からわかるように、DM フィルターは中帯域 DM ノイズ (2MHz ～ 30MHz) をほぼ 35dBμV/m 減衰します。 さらに、高帯域ノイズ (30MHz ～ 100MHz) も低減されていますが、それでも制限レベルを超えています。 これは主に、高周波帯域の CM ノイズに対する DM フィルターのフィルター能力が限られているためです。
図3 C5標準時のノイズ特性（DMフィルタ使用時）
図4にCMフィルタとDMフィルタを追加した場合のノイズ特性を示します。 図 3 と比較すると、CM フィルタを追加すると、CM ノイズが 20 dB μV/m 近く減少します。 EMI性能もC5規格に合格しています。 また、EMI 性能も CISPR25 C5 規格に合格しています。
図4 C5規格のノイズ特性（CMフィルタ、DMフィルタ使用時）
図5は、異なるレイアウトにおけるバンドCMおよびDMフィルタのノイズ特性を示しています。フィルタは図4と同じです。ただし、図4と比較すると、ノイズは全周波数で約10 dB μV/m増加します。高周波ノイズはCISPR25 C5規格の平均値をも上回ります。
図5 C5規格のノイズ特性（CMフィルタ、DMフィルタ、レイアウト違い）
図 4 と図 5 のノイズ結果の違いは、図 6 に示すように、主に PCB 配線の違いによるものです。図 5 の配線 (図 6 の右側) では、大きな銅オーバーレイ (GND) が DM フィルターを囲んでいます。また、Vin の配置によりいくつかの寄生容量が形成されます。 これらの寄生容量は、高周波信号バイパス フィルターに効果的な低インピーダンス パスを提供します。 したがって、フィルタの性能を最大化するには、図 6 の配線の左側に示すように、フィルタの周囲の銅被覆をすべて除去する必要があります。
図 6 異なる PCB 配線
フィルタの追加に加えて、EMI 性能を最適化するもう 1 つの効果的な方法は、シールドを追加することです。 これはGNDに接続された金属シールドがノイズの外部への放射を防ぐためです。 図 7 は、シールドの配置方法を推奨しています。 シールドはボード上のすべてのコンポーネントを覆っています。
図 8 は、フィルタとシールドを追加した後の EMI の結果を示しています。 示されているように、周波数帯域全体のノイズはシールドによってほぼ除去され、EMI 性能は非常に優れています。 これは主に、アンテナに相当する長い入力リード線が多くの放射ノイズを結合し、シールドがたまたまそれを分離するという事実によるものです。 この設計では、IF ノイズもこの方法で入力リードに結合されます。
図 7 3D シールド付き PCB モデル
図8 C5規格のノイズ特性（CM、DMフィルタ、シールドあり）
図 9 には、フィルタとシールドを使用した場合のノイズ特性も示しています。 図 8 とは異なり、図 9 のシールドは基板全体を包み込む金属製のボックスであり、入力リード線のみが露出しています。 シールドにもかかわらず、一部の放射ノイズは依然として EMI フィルタをバイパスし、PCB 上の電源ラインに結合する可能性があり、その結果、図 8 よりもノイズ特性が悪化します。興味深いことに、図 4、8 の高周波帯域のノイズ特性は、と９（同一レイアウト配線）はほぼ同一です。 これは、EMI フィルタの追加により、入力ラインに結合する可能性のある高周波帯域の放射ノイズがほとんど存在しないためです。
図9 C5規格におけるノイズ特性（CM、DMフィルタ、シールドメタルボックス使用時）
要約すると、EMI フィルタまたはシールドを追加すると、EMI 性能を効果的に向上させることができます。 ただし、同時にフィルターの配置や配線、シールドの配置なども慎重に検討する必要があります。
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