[ Home > 電気製品の EMC／安全適合性 > EMC のための設計テクニック ]
翻訳: T. Sato
これらの６個の論文でカバーするテクニックは：
上のトピックのいずれについても１冊の教科書を書くことができる (そして多数書かれている) ので、 このジャーナルの論文の形ではさまざまな論点を示し、 ベスト・プラクティス・テクニックの最も重要な点を示す以上のことはできない。 この論文で述べるテクニックの多くは、 信号のインテグリティを向上させ、開発に際しての繰り返しを減らし、 また製造コストを削減するためにも重要である。
これらのコスト例を、 家庭用、商業用、及び工業用製品のための重要さの程度を示す 非常に大雑把なガイド以上のものと捉えないで欲しい。 例えば、ロンドンの新しい MI6 ビルで用いられているシールドは £100,000よりも遥かに高いコストを要するであろうし、 重要な航空制御コンピュータで用いられているものは £100よりも高いコストを要するであろう。 これらのコストはプロジェクトの後半でシールドを追加するための リエンジニアリングのコストは考慮しておらず、 それは遥かに大きくなるかも知れない。 それらは、プロジェクトの後半でのシールドのリエンジニアリングによって 引き起こされる遅延の結果として起こり得る、 失われた販売や市場での立場も考慮していない。
重要な点は、シールドは最初から慎重に設計に組み込まれていれば 非常に低コストにできる可能性があるが、 製品を顧客に (あるいは EMC 執行機関に) 受け入れられるようにするために 最後の瞬間に追加しなければならないならば 非常に高価なものとなる可能性があることである。
シールドは常にコストと重さを加えるので、 EMC を向上し、シールドの必要性を低減するために、 このシリーズで解説している他のテクニックを使うことが常に最良である。 シールドを完全に避けることが望まれる場合でも、マーフィーの法則のため、 必要であれば後でシールドを追加できるように 最初から設計しておくことが最良である。 あなたの新製品の EMC 試験を初めて行なう際に試せるような 様々なシールド (及びフィルタ) の解決策を用意してあるならば、 大抵はマーフィー氏はあなたの製品の出荷を邪魔することに挫折するであろう。
ある程度のシールドは、全ての導体や素子を ソリッドの金属板に非常に近く保つことによっても達成することができる。 従って、EMC の優位のためには、低背型表面実装部品のみから構成された、 グランド・プレーンを持つ PCB が推奨される。 そのような PCB が 追加のエンクロージャ (空間的) シールドを必要とするとしても、 それは高いシールド効率 (SE) を持つ必要はなく、 従って作りやすく、コストも低いものとなるであろう。
有益なレベルのシールドは、電子アセンブリにおいて、 常にその内部の電子ユニットとケーブルをアースされた金属面に非常に近く保ち、 緑／黄のワイヤを用いたスター状の安全接地システムを用いる代わりに (あるいはそれと共に) そのアースを それに直接接続することによって達成することができる。 このテクニックは、通常は亜鉛メッキされた取り付け板やシャーシを用い、 高いエンクロージャ SE の必要の回避を助けることができる。
0.5mm 以上の厚さでは、通常の金属の大半は 1MHz 以上で良好な、 100MHz では素晴らしい SE を与える。 金属シールドでの問題は、多くは薄い材料、1MHz 以下の周波数、 あるいは開口部によって引き起こされ、この論文は主にこれらに焦点を当てる。
エンクロージャが互いに向かい合う平行な壁面を持つならば、 共振周波数において定在波が発生することがあり、 これが SE 問題を引き起こすことがある。 変形のエンクロージャ、あるいは曲がった、 もしくは平行していない壁面を持つもの (さらなる虚ろな笑い) は、 共振を避ける助けとなるであろう。 対向するシールド壁が平行している場合には、 その幅、高さ、あるいは長さによる共振が 同じ周波数で発生することを避けることを試みよ。 立方体のエンクロージャを避け、正方形の代わりに長方形の断面を用い、 互いに単純な倍数となる寸法を避けることを試みよ。 例えば、もしその長さが幅の1.5倍であれば、 幅の2次の共振は長さの3次の共振と一致する。 昔ながらのフィボナッチ数列 (ギリシャ人には黄金率として知られていた) によって与えられるような、無理数の比率の寸法を用いることが最良である。 いずれにしても、内部の PCB、部品、そして配線が その共振周波数を予測できないように変えるので、 おそらくこれについて考えすぎるだけの価値はないであろう。
しかし、磁界を止めることは遥かに難しい。 これは、侵入する磁界と逆の磁界を作るために シールド材の内部に渦電流を発生させることを必要とする。 薄いアルミニウムはこの目的のために極めて適切なものであるとは言えない。 所定の SE のために必要となる電流の侵入の深さは そのフィールドの周波数やシールドに用いられている金属の特性に依存し、 これは「表皮効果」として知られている。
表皮深さとは、シールド材料内で、侵入した磁界によって引き起こされた電流が その「表皮効果」によって約 9dB 低減させられる深さである。 表皮深さの３倍の厚さの材料ではその裏面での電流は約 27dB 低いものとなり、 磁界に対して約 27dB の SE を与える。
表皮効果は、特に377Ωよりも低い波動インピーダンスにおいて 観察されるフィールドで磁界が支配的となる傾向がある、 低い周波数で重要である。 表皮深さの式は大半の教科書に示されているが、 シールド材の導電率と比透磁率に関する知識を必要とする。 Figure 4A は、対比のために銅を含め、 アルミニウムと鋼についてこれを解いたものである。 純粋な亜鉛はアルミニウムのものに近い表皮深さを持つであろう。
銅やアルミニウムは鋼の 5倍以上の導電率を持つので 電界を止めるためには非常に良いが、その比透磁率は 1 (空気と同一) である。 典型的な軟鉄は低周波では 300程度の比透磁率を持ち、 周波数が 100kHz 以上になると 1 に低下し、 その高い比透磁率は小さい表皮深さを与え、 低周波をシールドするための軟鉄の適当な厚さを アルミニウムのものよりも良いものとする。 異なったグレードの鋼 (特にステンレス) は異なった導電性と透磁率を持ち、 結果としてその表皮深さは有意に異なったものとなるであろう。
シールドのための良い材料は、高い導電率と高い透磁率を持ち、 対象とする低周波における表皮深さの所定の倍数を達成するために 充分な厚さを持つものであろう。 純粋な亜鉛 (例えば 10μm、あるいはそれ以上の) でメッキされた 1mm の厚さの軟鉄は、多くの用途のために充分なものである。
実際には、シールドがエミッションの低減と イミュニティの向上のいずれのために行なわれているとしても、 ２つの単純な図 Figure 4B、及び 4C が示そうとしているように、 大半のシールド性能はその開口部によって制限される。
開口部を、それがなければ完全なシールドに設けられた 半波長共振「スロット・アンテナ」として振舞う穴と想定すれば、 所定の SE のための最大の開口寸法を予測できるようになる。 現実にはこの仮定は常に正しいとは言えないが、 何もしないよりは良い手軽な設計ツールとなるという利点がある。 この予測が不適切であることがわかった場合には、実践的な経験と 特定の製品で用いられている技術や構造に基づいて 改善することも可能であるかも知れない。
スロット・アンテナの共振周波数はその最長の寸法 ――その対角寸法―― に支配される。 これは開口部がどの程度広い、あるいは狭いかによって、 あるいは開口部を通した「視線」があるかどうかによってさえも、 ある程度の違いを生じる。 金属板の重なりによって生じる塗装や酸化皮膜程度の厚さの開口部でさえも、 それが指を通せる程広いものであるかのように、その共振周波数において 依然として放射 (漏洩) を生じる。
Figure 4D と 4E は、現代的な電子機器の内部で用いられている周波数が 我々が通信や放送のために頼っている周波数と同じ範囲を用いているという 事実についての感覚を与えるために、 このシリーズで以前に用いられた。 EMC の最も重要なテーマの１つは、外部の無線スペクトラムを汚染しないように、 製品内部の周波数を内部に留めることである。 Figure 4F はシールドの開口部が どの程度効率的にアンテナとして振舞うことができ、 内部の周波数が無線スペクトラムを妨害し、干渉を生じることを許すかを示す。
v = f l (v は光速 3×108 m/s、 f は Hz で示した周波数、 l はメートルで示した波長) の関係を用いた スロット・アンテナの半波長共振が、 Figure 4F の実線 (そして Figure 4G の親指の法則) の基礎である。 我々は、19インチ・ラック・ユニットの前パネルの前面のエッジに沿った 長さ 430mm の狭いギャップが 350MHz 前後で半波長共振を生じることに気付いた。 この周波数では、我々が例とした 19インチ・ラックの前パネルは もはや充分なシールドとはならず、 それを完全に取り除いても大きな違いは生じないかも知れない。
Figure 4G は所定の SE のための 開口部の最大の大きさを予測するために有用であり、 異なった寸法に合わせるために容易にスケーリングすることができるであろう。 1GHz で 20dB の SE (大半の規格における試験のための上限) のためには、 Figure 4G は 16mm よりも大きくない開口部を示唆する。 これは 40dB のためには僅か 1.6mm となり、 開口部をシールするためのガスケット、 及び／もしくは後述するカットオフ以下の導波路 のテクニックの使用を必要とする。
現実には、実際の SE はエンクロージャ自身の壁面間での内部共振、 開口部と部品や導体の近さ (デジタル・バス信号を流すリボン・ケーブルのようなノイジーなケーブルを シールドの開口部や継目から充分に離すこと)、 エンクロージャの部品を組み立てるために用いている固定具のインピーダンス などに依存する。
可能であれば、必要な、 あるいは不可避な開口部を複数の小さなものに分割すること。 不可避な長い開口部 (カバー、ドアなど) は、 導電性ガスケットやスプリング・フィンガー (あるいはその他のシールドの連続性を維持するためのもの) を必要とするかも知れない。 互いに近接した多数の小さな同一の開口部の SE は (大雑把にではあるが) その個数の平方根に比例し、 2個の開口部は 3dB、4個では 6dB、8個では 9dB といった具合に悪化する。 しかし、関係する周波数の波長が 小さい開口部の配列の全体の大きさと同程度となり、 あるいは開口部が (その波長と比較して) 互いに近接していない場合には、 この大雑把な「2倍ごとに 3dB」規則は位相打ち消し効果によって打ち壊される。 しかしながら、少なくともこの単純な規則は危険な側に間違えるものとなる。
半波長以上離して配置された開口部は、 通常はそれぞれによって独立に達成される SE を悪化させないが、 100MHz での半波長は 1.5m であるので、 これよりも小さい典型的な製品においては、 そのような低い周波数では 開口部の数の増加はエンクロージャの SE を悪化させる傾向を持つであろう。 開口群がスロット・アンテナとして振舞うことは珍しくない。 シールドを流れ、開口部があるためにその理想的な経路から逸れさせられる電流は、 それに磁界の放射を引き起こさせるであろう。 開口部の両側での電位差はその開口部に電界の放射を引き起こさせるであろう。 筆者は、PCB に実装されたマイクロ・コントローラを覆う小さなシールドの 直径 4mm よりも大きくない穴 (クリップ・インのプラスチック製取り付けピラーのための) からの、 130MHz での劇的なレベルの放射を見たことがある。 Figure 4G は 4mm の穴のその周波数における非常に良好な SE を示しているが、 特にノイジーなマイクロコントローラからのエミッションは シールドにかなりの電流を流させることができ、 その穴のアンテナ効果ではなく、これがエミッションを引き起こすものと見られる。 長い狭い開口部がある場合には、 その開口部の長い側を内部の回路に応じて適切な方向に向けることによって そのようなエミッションを低減できる場合もある。
ミューメタルやラジオメタルなどのような特殊な金属は 極めて高い比透磁率を持っており、 それはしばしば 10,000 のオーダーに達する。 その表皮深さは極めて小さいが、 それが効果的なのは数十kHz までに過ぎない。 その透磁率が台無しにされ、 研磨や水素ガス中での再アニールが必要となってしまうため、 これらの材料で作られたものに衝撃を与えないように注意しなければならない。 これらの風変わりな材料は、 むしろ保護すべき領域から磁界を逸すための通路として用いられる ―― 通常のシールドで用いられる概念とは異なったものである。
1よりも大きい比透磁率を持つ 全ての金属のシールド材料は強い磁界に対しては飽和し、 そうなるとシールドとしては有効に働かず、しばしば過熱する。 ハム・フィールドを低減するために主電源トランスを囲む 鋼やミューメタルのシールド・ボックスは、 飽和し、所要の効果を達成できなくなることがある。 しばしば、そのような激しい局所的なフィールドにさらされないように、 そのボックスを大きくすることのみが必要となる。
低周波シールドのためのもう１つのシールド・テクニックは アクティブ・キャンセルであり、 少なくとも２つの企業が、特に高レベルの電源周波数磁界に汚染された環境で CRT 表示装置のイメージを安定させるためにこのテクニックを開発している。
Figure 4H は、開口部を通して漏洩する波が自由空間に達するまでに それを囲む金属壁の間を伝搬しなければならない距離を大きくすれば、 その開口部が拳を通せるほど大きいものであっても かなりの SE を達成できることを示している。 この非常に強力なテクニックは、「カットオフ以下の導波路」と呼ばれる。 ハニカム金属構造は、 実際にはカットオフ以下の多数の導波路を密集させたものであり、 しばしばシールド・ルームや 類似の高 SE エンクロージャの換気グリルとして用いられている。
どのような開口部とも同様、導波路もその内部の対角 (g) が 波長の半分である場合には侵入したフィールド全ての通過を許すので、 導波路のカットオフ周波数は次の式で与えられる：
fcutoff = 150,000 / g (g が mm である場合は結果は MHz となる)
そのカットオフ周波数以下では、 導波路は通常の開口部のようには漏洩せず、 (Figure 4H に示すように) かなりのシールドを与えることができる： f < 0.5 fcutoff である場合、 達成される SE はおおよそ 27 d / g (d は波が自由になるまでに伝搬しなければならない導波路の距離) となる。
Figure 4J は ６種の異なったカットオフ以下の寸法の導波路によって達成される SE を示す。 より小さい直径 (g) ではより高いカットオフ周波数となり、 50mm (2インチ) の直径では 1GHz で完全な減衰が達成される。 深さ (d) を大きくすると SE が向上し、 すぐに非常に高い値が達成される。
カットオフ以下の導波路はチューブから作る必要は無く、 製品の大きさをあまり大きくしないように、 その深さ (d) だけ折り込まれた 単純な板金構造によって実現することもできる。 このテクニックは人の発想によって制限されるだけであるが、 それを使うことを意図していない不合格となった製品に 後から付け加えることは困難であるので、 プロジェクトの初期に考慮に入れなければならない。
その効果を台無しにしてしまうので、 決してカットオフ以下の導波路に導体を通してはならない。 カットオフ以下の導波路は、 それがエンクロージャから出る箇所で SE を台無しにしないように、 プラスチックのシャフト (例えば制御用ノブ) に適用すると有用である。 これに代わるものは、環状導電性ガスケットとともに金属のシャフトを用い、 それによって生ずる摩擦と摩耗に煩わされることである。
それは真のカットオフ以下の導波路には見えないかも知れないものの、 カットオフ以下の導波路はシールド・エンクロージャの継目に 容易に適用することができる。 私は、エンクロージャの平らな蓋のエッジからのエミッションが、 それを本体と 25mm 重ねるようにした場合に 900MHz で 10dB 減少するのを見たことがある。 また、あるキャビネットの製造業者は このテクニックによって 1GHz で 40dB の SE を達成している。 このテクニックの使用は連続した帯やガスケット、 そして／もしくは多数の固定の必要を避けることができ、 従って材料費や組み立て時間を節約するが、稀にしか使われないようである。 機構的なテクニックとして、それは電子設計者の興味の対象ではない； そして、EMC コースを受けている機構設計者を見た人はいるだろうか？
ドアやパネルの安全接地に用いられる緑／黄のワイヤが 数 kHz よりも上では EMC には効果がないということは、 注意しておく価値があるであろう。 これは、長いワイヤの代わりに短い幅広のアース用の帯を用いれば、 数 MHz まで広げられるかも知れない。
多数の製造業者から様々な種類のガスケットを入手することができ、 その多くは特注でのサービスも行なっている。 この観察は、１つのガスケットで 広範囲の用途のために適切なものはないことを示している。 ガスケットの設計や選択に際しての考慮点は、以下のものを含む：
シールド・ガスケットには、主に４種類ある：
ガスケットは、その効果を発揮し、また容易に組み立てられるようにするために、 製品側での適切な機構的な配慮を必要とする。 単に表面に貼り付けられ、組となる部品のあいだで潰されたガスケットは、 期待したようには良く機能しないかも知れない ―― ガスケットを圧縮して良好なシールを達成しようとして 取り付けねじを締め付けると、取り付けねじの間のすき間が反り、 漏洩を起こすギャップが開くかも知れない。 これは組となる部品の不適切な硬さによるものであり、 Figure 4L に示すようにガスケットを収めるための溝を使わずに、 組となる部品を充分に強くすることは困難である。 この溝は、組み立てに際してガスケットを正しく配置し、 その位置に保つことも助ける。
ガスケットが接触する面は (導電塗料によるのでない限り) 塗装されていてはならず、使用する材料、処理、そしてメッキは 電気的腐食の観点から慎重に検討しなければならない。
ガスケットの全ての詳細と寸法は製造業者の図面に示されていなければならず、 それに対するいかなる変更の要求も、 そのシールドと EMC への影響について評価される。 マスキングの情報が図面に含まれていないために、 塗装作業が他の業者に移された際に ガスケットが役に立たなくなることは珍しいことではない。 用いられる塗装工程の変更 (異なった塗装工でさえも) も、 マスクされていないガスケット取り付け面への余計なスプレーの程度の違いにより、 有害な影響を持つことがある。
Figure 4M は、シールド・エンクロージャの壁面の大きな開口部に、 その開口部を介したフィールドの漏洩を制御するための 内部の「ダーティー・ボックス」を用いて取り付けられた表示ユニットを示す。 ダーティー・ボックスとエンクロージャの内壁との接合は、 その他の全てのシールドの接合と同様に扱わなければならない。
シールド・ウィンドウは、 表示部が製品のエンクロージャによるシールドを必要とする箇所で必要となる。 ある種の高性能 CRT は、その表示管の周囲の金属フレームが 開口部の全周でシールド・パネルに電気的に接続されている場合、 良好なシールドを与えることができる。 そのような CRT が用いられていた製品の アクティブ・マトリックス LCD への更新が CRT よりも多くのエミッションを引き起こすことが知られており、 CRT では必要なかった追加のシールド・ウィンドウが必要となる場合がある。
主に２つの技術に基づいた、種々のシールド・ウィンドウが入手可能である：
極めて高いシールド性能のためには、 ハニカム金属表示スクリーンを使用することもできる。 これは密集した多数のカットオフ以下の導波路であり、 その非常に狭い視野角が オペレータの頭がその表示を他人が覗くことを妨げることから、 主にセキュリティや軍事の用途で用いられる。
シールド・ウィンドウにおける肝心な点は、 その導電層 (メッシュ、膜、あるいはハニカム金属) が エンクロージャ・シールド面にその切り抜かれたエッジの周囲全体で 接続されなければならないということである。 Figure 4N は、機構的な固定の必要性を避けるために 導電性シール剤や粘着剤を用いることのできる、 典型的な組み立て方の１つを示している。 紫外線硬化型接着剤の使用は組み立て時間を機構的な固定と同等に、 あるいはそれよりも良くすることができる。
メッシュの大きさはエンクロージャの SE を あまり低下させない程度に小さいものでなければならない。 互いに近接した多数の小さな同一の開口部の SE は (大雑把にではあるが) その個数の平方根に比例し、 2個の開口部は 3dB、4個では 6dB、8個では 9dB といった具合に悪化する。 換気グリルでよく見られる多数の小さい開口部では、 メッシュの大きさは同等の SE を持つ 1つの開口部よりも大幅に小さいであろう。 換気口の大きさが波長の 1/4 を超えるような高周波においては この大雑把な「2倍ごとに 3dB」という式は過剰設計をもたらすことがあるが、 この状況のための単純な親指の法則はない。
カットオフ以下の導波路は高い SE で大きな風量を可能とし、 ハニカム金属換気シールド (密集した細長い六角形のチューブから成る) は 長年この目的で用いられてきた。 高度にシールドされた 19インチ・ラックの少なくとも１つの製造業者が、 上面と下面の換気口に、通常の板金構造テクニックを用いた カットオフ以下の導波路によるシールドを用いることを主張している筈である。
換気口のシールドの設計は、空気中の埃で汚されたシールドの 清掃の必要性によって複雑なものとなるかも知れない。 エア・フィルタの慎重な設計は、換気シールドを溶接し、 あるいは恒久的に取り付けたままとしておくことを可能とする。
しばしば ――シールドが必要であることが判明した際に―― そのプラスチック・エンクロージャの設計が、 要求される SE をその内面をコーティングすることによって 達成することを許さないことに気付くことがある。 弱点は、通常はプラスチック部品の継目である： それは、しばしば洩れのない接合を保証することができず、 そして大抵はガスケットを付けることは容易ではない。 それに伴う出荷開始や新製品からの収益の開始の遅れとともに、 しばしば高価な新しいモールド型が必要となる。
新製品のためのプラスチック・ケースが必要であれば、 その設計プロセスの始めから必要な SE を達成するための検討を行なうことが、 財政的に肝心である。
プラスチックに対する塗装やメッキは非常に厚いものとすることはできず、 達成できる表皮深さの数は非常に小さい。 表皮深さを低減してより良い SE を達成するために、 ニッケルの適度に高い透磁率の利点を用いた、 ニッケルと他の材料による巧妙なコーティングが開発されている。
塗装やメッキにおける別の現実的な問題は、意図した環境において、 その製品の寿命のあいだそれを下地のプラスチックと密着させておくことを含む。 材料とプロセスに関する専門的な知識なしに行なうことは容易ではない。 製品の内部で剥離した導電性塗料やメッキは EMC を悪化させるだけではない ―― それは導体を短絡させ、信頼できない動作、 そして火災や感電死のリスクを引き起こすことがある。 プラスチックの塗装やメッキは、 その特定の分野での長い経験を持った専門家によって行なわれねばならない。
プラスチックの塗装やメッキにおける特殊な問題は、絶縁である。 Class II 製品 (二重絶縁) においては、 そのプラスチック・ケースの内側に導電層を付け加えると 沿面距離や空間距離が減少し、電気的安全性を損なうことがある。 また、どのようなプラスチック・ケースの製品においても、 そのケースの内面に導電層を付け加えることは 継目や結合部を通して人体静電気放電 (ESD) が起きるようにすることがあり、 放射干渉の問題を ESD に対する感受性の問題に置き換える可能性がある。 商業的な理由から、シールドが急に必要となる可能性が少しでもあるならば、 設計プロセスの最初から プラスチック・エンクロージャの慎重な設計を行なうことが重要である。
一部の企業は、薄く魅力的でない安価な金属シールドを プリント配線板の上やアセンブリの周囲に付けることにより、 その洒落たケースにシールドとしての二重の責任を負わせることを不要としている。 これはコストと頭痛を大きく減らすことができるが、 プロジェクトの最初から考慮しなければならず、 さもなくばそのような内部の金属構造を取り付けるための余裕がない (あるいは間違った余裕がある) ことになるだろう。
炭素繊維 (それ自身が導電性である) をベースとした材料や 自己導電性のポリマーが入手できるようになりつつあるが、 それらは金属の高い導電性を持たず、通常の厚さでは良好な SE を与えない。
0.5m 以下の寸法の小さい製品は、 通常は 30MHz 未満では比較的非効率的なアンテナとなり、 その問題の大半は漏れのあるケーブル遮蔽 (ケーブルは通常は 30MHz 未満で良いアンテナとなるために充分に長い) に起因するものである。 しかし、小さい製品でさえも、 それが強力な低周波フィールド源を含んでいるならば、 30MHz 未満でも有効なエンクロージャ・シールドを必要とするかも知れない。
シールド・エンクロージャに侵入する全ての遮蔽付きケーブルの 遮蔽とコネクタ (あるいはケーブル・グランド)、そしてその 360°接続は、 エンクロージャの金属構造自身の 「ファラデー・ケージ」の一部として肝心なものである。 シールドされていない外部ケーブルのためのフィルタの 充分に考慮された組み立てと設置も、良好な SE を達成するために肝心である。 これらの点はこのシリーズの第２部や 第３部で示しており、もう一度示す価値がある。
ケーブル遮蔽のエンクロージャ・シールドへの ピッグテール (360°接続する代わりの) は、非常に低い周波数 (例えば、短いピッグテールでも 10MHz 以上で、長くなればより低くなる) からエンクロージャの SE を台無しにするということは繰り返しておく価値がある。
工業用キャビネットのシールド (そしてフィルタ) については IEC1000-5-6 のドラフト (BSI の 95/210789 DC) を、 そして、なぜ火で加熱しなければならない半田鏝と共に ピッグテールを歴史の本の中に葬るのが最良であるかを含む、 配線 (そして接地) のベスト・プラクティスについては BS IEC 61000-5-2:1998 を参照されたい。 Figure 4P はこれらの２つのベスト・プラクティス標準に従って シールド・キャビネットを設置するための主なポイントを示しており、 これはこのシリーズの第２部の繰り返しである。 この図の、シールド・キャビネットの設置に関連する詳細については 第２部 を、 シールドされていないケーブルへのフィルタの接続に関する詳細については 第３部 を参照されたい。
理想的な PCB レベルのシールドは、 上で述べた製品レベルのシールド・エンクロージャのミニチュア版である、 その壁面に取り付けられたシールドされたコネクタや貫通フィルタを備えた、 完全に取り囲む金属の箱である。 この結果はしばしばモジュールと呼ばれ、極めて高い SE を与えることができ、 しばしば RF やマイクロ波の世界で用いられている。
その SE は通常は良く設計されたモジュールほど良くないものの、 より低コストの PCB シールドも可能である。 いずれも、単純な５面のシールド・ボックスを 他の部品と同様に PCB に実装できるように、 シールドの一面のために PCB のグランド・プレーンに頼っている。 この５面のボックスを その周囲の多数の点でグランド・プレーンに半田付けすることは、 回路の必要な領域の周囲に「ファラデー・ケージ」を作ることとなる。 種々の標準的な５面の PCB 実装型のシールド・ボックスを すぐに入手することができ、 この種の精密金属加工に特化した企業はしばしばカスタム設計を行なっている。 蓋を開けて調整を簡単に行ない、テスト・ポイントにアクセスし、 あるいはチップを交換できるような、 スナップ取り付け式の蓋を持つボックスを入手することができる。 そのような取り外し可能な蓋は、 通常はそれが取り付けられた時に良好な SE を達成できるように 全周のスプリング・フィンガーによって取り付けられる。
このシールド手法の弱点は、明らかに グランド・プレーンに半田付けされた点の間のギャップによって作られる開口部、 グランド・プレーンの全ての開口部 (例えば、貫通リードやビア・ホール)、 そしてその５面のボックスの全ての開口部 (例えば、換気、調整可能部品へのアクセス穴、表示など) である。 ５面のボックスを部品面のグランド・プレーンに全周で半田付けすれば、 手作業の時間のコストと引き替えに、一組の開口部を除去することができる。
最小のコストのためには、ワイヤやケーブルの使用を避け、 全ての信号や電源を PCB 上のシールド領域にトラックとして引き込みたい。 これは、バルクヘッド取り付け型シールド・コネクタや バルクヘッド取り付け型フィルタの PCB での相当品を使う必要があることを意味する。
シールド・ケーブルに相当する PCB トラックは、 しばしば「ストリップライン」と呼ばれる、 ２つのグランド・プレーンの間に引かれたトラックである。 この「シールド・トラック」と同じ銅箔層の両側にガード・トラックが引かれ、 このガード・トラックが上面や下面のグランド・プレーンに 非常に細かくビア・ホール接続されることがある。 インチ当たりのビア・ホールの数がここでの制約条件であり、 それらのギャップがシールドの開口部として振舞う (ガード・トラックは、それ自身が 高周波で良好な SE を与えるためには高すぎるインダクタンスを持つ)。 PCB 材料の誘電率は空気の４倍程度であるので、 ビアの間隔を決めるために Figure 4F や 4G を使う場合には、 その周波数軸は 2 (PCB の誘電率の平方根) で割らなければならない。 一部の設計者はガード・トラックに煩わされず、 問題のトラックを「溝に入れる」ためにビア・ホールを使うだけである。 共振を避けるためにそのようなビア・ホールの列の間隔を 望ましい間隔の近傍でランダムに変えることは良いアイデアかも知れない。
ストリップラインがシールド・ボックスで囲まれた回路領域に入る箇所では、 そのストリップラインの近くで、 その上下のグランド・プレーン (そして全てのガード・トラック) を 遮蔽ケースの半田付けされた接続部に両側で接続すれば充分である。
平行する単一のグランド・プレーン層のみを持つトラックでは、 反対側の面は空気にさらされており、 これは「マイクロストリップ」構造と呼ばれる。 マイクロストリップがシールド・ボックスに入る際には、 そのボックスの壁によるインピーダンスの不連続の影響を受けるであろう。 マイクロストリップ上の信号の最高の周波数成分の波長が ボックスの壁の厚さ (あるいはボックスを取り付けるフランジの幅) の 100倍よりも大きいならば、 この不連続はそれほどの抵抗とはならないかも知れない。 しかし、そうでないならばある程度の性能の低下が発生するかも知れず、 そのような信号はストリップラインを用いて配線することが最良である。
全てのシールドされていないトラックは、 シールドされた PCB 領域に入る際にはフィルタされなければならない。 しばしば、そのようなフィルタのない PCB シールドを用いて 大きな改善を得ることも可能であるが、これは予測することが困難であるので、 フィルタは常に設計に含めておく (少なくとも試作段階ではそうしておいて 成功した EMC 試験の後でのみ PCB レイアウトから取り除く) べきである。
最良のフィルタは貫通型のものであるが、 コストを節約するためにはワイヤ配線型のものは避ける必要がある。 通常の方法で PCB に半田付けでき、後の工程で シールド・ボックスを取り付けた後にその壁に手で半田付けすることのできる、 リード付きの PCB 実装型のものが入手できる。 より短時間での実装は、 フィルタの中央の導体をその下のグランド・プレーンに半田付けし、 シールド・ボックスとそのグランド・プレーン層とが、その近傍で、 両側で半田接続されることを保証することによって達成される。 この後者の構造は表面実装の「貫通」フィルタにも適切であり、 実装コストをさらに低減する。
しかし、表面実装型のものでさえも、貫通フィルタは 依然として単純なフェライト・ビーズやコンデンサよりも高価である。 遅れを最小にし、また PCB レイアウトの繰り返しを避けながら、 開発の EMC 試験の間に最も費用効果の良いフィルタを見付けられるように、 以下のいずれのフィルタ構成にでもできるような 多目的パッド・パターンを容易に作ることができる：
多目的パッドは、専用のフィルタに限定されることなく、最小限のコストで、 回路 (そして製品全体) の要求に最適なものを設計できることも意味する。
ここで、理想的にはこれらの PCB 実装フィルタ全てをその中心を シールド・ボックスの壁に沿って整列すべきであることは言うまでもなく、 従っておそらくそれらの部品を収めるための小さい切り欠きを必要とするであろう。 リード付きのものではなく表面実装部品を使うことは ボックスの切り欠きの大きさを最小限とし、SE を改善できるようにする。 フィルタをきれいに一列に並べることが難しい場合には、 フィルタされていないどのような信号も フィルタされたトラックの近くを走らないように充分に注意すること。 Figure 4Q は 低コスト PCB シールドがどのようなものとなるかをスケッチしたものである。
ケーブルと同様、シールドとフィルタを併用することが必要であるかも知れず、 シールドされた PCB 領域に入る「シールド」されたトラック全てに 多目的フィルタ用パッドを設けるか、 あるいは少なくともフェライト・ビーズを想定することが賢明かも知れない。
これは、Keith Armstrong 氏が UK EMC Journal 上で発表した文書を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。
Last update: March 12, 2000