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DC/DC コンバータの EMC の達成

by Chris Likely, Field Applications Engineer, Cooper Electronic Technologies

翻訳: T.Sato

市販のブロック形のものであっても、 あるいはそれに相当するディスクリートのものであっても、 DC/DC コンバータは EMI (電磁干渉) の源である。 EMI は、放射、あるいはシステムの信号や電力のライン上の伝導によって伝搬する、 望まれていない電磁エネルギーである。 EMC (電磁的両立性) は、相当のレベルの EMI が存在する中で確実に機能し、 それと同時にその周囲の他のシステムとの干渉を避けるために その内部で発生する EMI を制限する、システムの能力である。 システム DC/DC コンバータ要求に適合させるために どのようなアプローチがとられたとしても、 その入力電源ラインに何らかのフィルタが必要となるであろうことは確実である。

EMC 規制

伝導性や放射性のエミッション、ESD、電磁界やサージに対するイミュニティといった EMC の全ての側面に関係する多数の EMC 規制がある。 主にエミッション要求について見れば、 国際規格が CISPR (国際無線障害特別委員会) によって用意され、 各地の機関によって採択されている。 欧州においては、一般 EMC エミッション規格は EN61000-6-3 であり、 DC/DC コンバータにより限定すれば適用すべき規格は EN55022 である。 USA においては、FCC パート 15 が該当する規格となろう。 Figure 1 は、EN55011 と EN55022 のエミッション限度を示す。

Figure 1: 伝導性、及び放射性のエミッションの EN55022 限度
Figure 1

伝導性エミッションは 150kHz〜30MHz の周波数で測定され、 カーブ A の限度は工業環境に適用される EN55011 のものであり、 カーブ B の限度は住居、商業、及び軽工業環境に適用される EN55022 のものである。 放射性エミッションは、30MHz〜1GHz の周波数範囲にわたって測定される。

伝導性エミッション

伝導性エミッションは、通常は同相モードと差動モードの２種類の雑音を含む。 同相モード雑音は接地に対する双方の給電線上の電圧として現れるが、 差動モード雑音は給電線間に現れる。 これらのエミッションの抑制のために取られるアプローチは DC/DC コンバータのソリューションに依存し、 市販のブロック形電源を用いているのであれば外部フィルタのみが必要となる。 ディスクリートのソリューションが用いられているのであれば、 最初のステップはその発生源で雑音を抑制することである。

DC/DC コンバータには雑音発生の主な領域が２つあり、 その１つはその電源のスイッチング周波数に関連している。 明らかに、電源スイッチングはその動作に不可欠な部分であり、 この周波数とその高調波において生じる雑音の抑制のために取ることのできる 手順は限られている。 スイッチング周波数雑音は同相と差動の双方であり、 差動雑音は主スイッチング素子の直流ライン間に 減結合コンデンサを取り付けることによって低減できる。

同相雑音は、トランジスタやダイオードなどのスイッチング素子と それらが取り付けられたシャーシとのあいだの寄生容量を介して 電源の接地に注入される。 その素子とシャーシのあいだに静電遮蔽を入れればこれを低減できるが、 これは熱的性能を阻害する傾向がある。 実際には、この雑音の同相成分に対処するためには、 通常は入力ライン上のフィルタが用いられる。 「ソフト・スイッチング」テクニックを用いた現代的な回路設計の実施は、 スイッチング周波数に関連した同相と差動の双方の雑音を大幅に低減させられる。 さらに、これは単純で安価な入力フィルタ設計の使用を可能とする。

DC/DC コンバータ雑音の第２の側面は高速スイッチング・エッジに関連しており、 このエッジはオーバーシュートやリンギングを生じ、 高周波雑音を発生させる傾向があるだろう。 この種の雑音に対処する通常の方法は、 リンギングの抑制のためにスイッチング素子と並列に スナバ回路 ――典型的には RCD 構成の―― を取り付けることである。

EMI フィルタ

Figure 2: 差動モード・ノイズ・フィルタ
Figure 2
EMI フィルタは２つの機能を持ち、 それは電源内で発生した雑音が電源ラインに乗ることを防止し、 また電源ライン上の雑音がその電源の動作に干渉することも防止する。 Figure 2 に示したフィルタ回路は、 差動モード雑音を減衰させるために必要な基本的な設計である。

電源スイッチング周波数 ――50kHz〜1MHz のどの値ともなり得る―― において、ライン上のインダクタンスは高インピーダンスを呈する。 その結果、雑音電流の大半はライン間に取り付けられたコンデンサ ――このコンデンサは X キャパシタと呼ばれる―― の低インピーダンスを通して流れるだろう。 このインダクタは、２つの別々の部品 ――それぞれのラインに１つ―― とすることも、 あるいはその代わりに結合インダクタを使用することもできる。 結合インダクタの利点は、同一のコア上の直列に接続された２つの巻線は 単一の巻線の４倍のインダクタンスを与えることである。 これは、通常は、結合インダクタは同一の結果を達成しながらも ２つの単体のインダクタよりも安価となり、 より少ない PCB スペースを必要とするであろうことを意味する。

Figure 3: 同相モード・ノイズ・フィルタ
Figure 3
Figure 3 は同相雑音を減衰させるために必要な基本的なフィルタ回路を示し、 この場合もインダクタはそのラインに高 HF インピーダンスを与え、 コンデンサ ――Y キャパシタと呼ばれる―― は 雑音電流の接地への低インピーダンス経路を与える。

コモン・モード・インダクタは、それらの巻線が回路に互いに逆相に接続された、 １つのコア上の２つの巻線によって構成される。 この結果は、それぞれの巻線上の電流が同一で逆方向となって コア上に最大の磁束が現れず、 その定格電流に対して比較的小さい寸法のコアを用いて コモン・モード・チョークを構成できるというものである。

Figure 4: 単純なフィルタ
Figure 4
実際には、同相と差動の双方のフィルタの組合せが必要となる。 ソフト・スイッチングを用いた現代的な DC/DC ブロック形電源設計においては、 そのフィルタは Figure 4 の例にある程度似たものとなるであろう。

インダクタ Lx は、 コモン・モード・インダクタの漏洩インダクタンスである。 多くの用途においては、 ライン間の比較的大きな値のコンデンサと共に用いられた場合には、 これは差動雑音をフィルタするために充分に大きい。 C4 は、電源ライン上の雑音をフィルタし、 それが電源の動作に干渉することを防止するために取り付けられている。 公称 48V 入力、30W 出力、250kHz スイッチング周波数の DC/DC コンバータ のための典型的なコンポーネントは、次のようなものとなるかも知れない；

これらの値によって、同相モードのスイッチング周波数雑音は -20dB、 差動は -28dB 減衰させられるであろう。

Figure 5: ３段フィルタ
Figure 5
より大きな減衰を必要とする用途のためには多段フィルタを使用でき、 これは差動モード・インダクタ、 あるいは追加のコモン・モード・チョークの追加を伴うかも知れない。 Figure 5 は、これらの追加のコンポーネント双方を用いた３段のフィルタを示す。

48V 入力、15W 出力、250kHz スイッチング周波数の DC/DC コンバータ のための典型的なコンポーネントは、次のようなものかも知れない；

これらの値によって、同相モードのスイッチング周波数雑音は -35dB、 差動は -90dB 減衰させられるであろう。

レイアウトと配置

Figure 6: 入力フィルタのレイアウト
Figure 6
フィルタのレイアウトと配置は最良の性能を達成するために重要であり、 Figure 6 は単純なフィルタのためのレイアウトの例を示す。 X キャパシタは入力電源ライン間に直接、 コモン・モード・チョークはラインに直接取り付けられる。 同様に、Y キャパシタはそれぞれの電源ラインから接地へ直接取り付けられる。

フィルタは、可能な限り電源インレットの近くに置く ――理想的には、そのハウジングの壁面に取り付ける―― べきであり、 これはインレットとフィルタのあいだの電源ラインにおける 雑音の「ピックアップ」を防止するだろう。 常に必須であるとは限らないものの、そのフィルタと、 インレットとフィルタのあいだにあるかも知れない全ての配線を遮蔽することも、 普通のプラクティスである。 遮蔽されたフィルタは、30MHz よりも上の高周波雑音が 電源ラインに乗り、放射されることを防止するためにしばしば用いられる。 この種の遮蔽を効果的とするためには、それは接地に接続されねばならない。

結論

DC/DC 電源要求を解決するためのアプローチが何であれ、 DC ラインのフィルタリングが必要であろうことは確実である。 ソフト・スイッチングを用いた現代的なコンバータ・トポロジーであっても、 あるいはより伝統的な設計であっても、基本的な要求は同一である。 必要な減衰を与えるための正しい部品の選択と良いレイアウトとは、 スイッチング周波数とその高調波の雑音レベルを規制限度内に入れるであろう。 市販の DC/DC ブロックによるソリューションと共に用いた場合、 フィルタの追加は規制上の EMC を達成するために充分な筈である。 しかし、ディスクリートのソリューションは、より多くの作業を必要とするだろう ―― フィルタは高周波の雑音に対して比較的非効果的となり、 伝導性と放射性の雑音の双方に対するこれらの問題を解決するためには 多くの作業が必要となるだろう。

Copyright (C) 2002 Nutwood UK Ltd.

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 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: 2003-02-02