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翻訳: T.Sato
どの新しいプロジェクトでも、最初から EMC を設計で組み入れることが常に遙かに良い。 それは最短の時間と最小のコストで EMC 適合を達成するだけでなく、 シグナル・インテグリティ (SI) とパワー・インテグリティ (PI) も向上させ、 保証コストを低減し、 (EMC 適合が行なわれなかった時に普通に要するであろう時間と比較しても) 出荷までに要する時間を低減する。
言い換えると: 良い EMC 設計テクニックは、EMC 適合が必要ない時でさえも、 財務的な成功の達成を助ける。
だが、良い EMC 設計は一般に大学の学士、修士、博士の課程では教えられず、 従って、前任者と同様、同じ非常に高価で時間を要する過ちを犯すであろう 新しい設計技術者が毎年採用されることになる。
(実際には、教えられている電子設計テクニック、及び/もしくは教育方法の一部は、 悪い EMC 設計プラクティスを促進する!)
従って、残念ながら、EMC 試験への不合格を急いで、 そして望ましくは生産コストを必要以上に加えずに対策しなければならないことにしばしば気付く。
実際の EMC 問題をどのようにして素早く、 対費用効果良く解決するかについて書かれたものはそれほど多くなく、 私は通常はそれを書くよりもどのようにやるかを示す方が大分容易であることに気付いている。
だが、(新しい機器設計での「内部 EMC」問題の解決の 20年の後の) ほぼ全ての応用分野からの 500以上の顧客のために EMC 問題を解決する 23年の後、 この重要な主題についていくつかの有用な事項を書くのに充分に学んだと感じた。 この短い記事はそれらの有用な事項の1つである。
PCB、製品、システム、あるいは設備を EMC 試験に合格させるために修正する際に用いられる 良い EMC 設計プラクティスの例は、次のものを含む:
機能のために、だが EMC のためにではなく設計されたどのようなものについても、大抵、 EMC エミッション、及び/もしくはイミュニティ問題の解決のために 10個近くの、 時にはそれ以上の設計テクニックを同時に適用する必要があることに気付く。
これは、EMC 問題の解決は、その欠陥を解決することを期待した修正を適用し、 駄目ならばそれを外して他のことを試す、通常の欠陥発見のようなものではないことを意味する。 その代わりに、EMC 性能が充分に良くなるまで良い EMC 設計テクニックを適用し続けなければならず、 その後で初めて、どれが本当に必要かを見出すために逆戻りしてそのいくつかを取り除く。
次の2つの例は、設計全体を通じて良い EMC 工学プラクティスを考慮しなかった設計、 あるいは典型的な現代的な電子製品にはもはや適切ではない EMC 工学テクニック (例えば片側のみでのケーブル・シールド終端、一点接地方式、少なすぎる PCB レイヤなど) を用いた設計に基づく。
一般に、設計プロセスで良い EMC テクニックを使用するように配慮するほど 適合させるために必要な修正は少なくなり、相当の時間と金を節約する。
特に 2000年以降は BOM コストではなく出荷までの時間が 新製品が財務的に成功するかどうかの主要決定要因となっている [6] ので、 良い EMC テクニックを最初からデザイン・インすることの重要性は強調し過ぎることはない。
簡単な数字の例がこれを明確にする筈である。 問題の周波数で、測定されるエミッションに寄与する、 全てがほぼ同一のレベルの10個の無相関の寄与源があることを想定して欲しい。 これらの寄与源のうちの任意の1つを完全に除去すると 総放射ノイズ電力は最初の 90% に低減され、 すなわち測定されるエミッションは 0.5dB 程度低下する。
EMC 試験所で EMC の改善のために機器を修正したことのある人には、 被試験装置 (EUT) を試験セットアップから外し、 一切変更を行なわずに戻してエミッションを測定することが、 その周波数範囲全体で見掛け上ランダムに ±1dB を超える差を容易く生じ得ることがわかるだろう。
一般に、このような変化は取り付けられたケーブルの位置の僅かな乱れによって引き起こされるが、 接触抵抗の変化やその他の変動によっても引き起こされ得る。 何らかの理由で、この変動は GTEM セルでエミッションを測定する時にはより悪くなるようである。
従って、それぞれの良い EMC 設計プラクティスを順番に適用して EUT に手を入れるとすれば、 通常は最も容易、もしくは最小コストのものから始めて、 エミッションが限度線以下に下がることを期待してその度にエミッションを再測定することになる。 だが、測定結果が有意な改善を示さなかった時にそれぞれの修正を取り除くならば、 ケーブルの乱れによって容易く引き起こされ得る小さい変動のみを見ることになるだろう --- そして、円を回り続け、どこにも到達しない!
これは通常の欠陥発見テクニックを EMC の解決に適用する時に生じる傾向があることであり、 「そうだった」と呟きながら頷くという確信がある。
通常は問題の解決のためにいくつかの (おそらくは多くの) 修正を全て一度に行なう必要があるので、 有効な唯一のアプローチは、 改善が見られなかったとしてもその修正をそのままとして それぞれの良い EMC 設計プラクティスを順番に適用し、 エミッションが充分に低減されるまで次の修正を続けることである。
試験のあいだの自然な変動よりも大きい差を生じさせたとみなすためには 通常はエミッションを 3dB 下げる必要があり、 10個の等しい寄与源の例に戻ると、 これを達成するためにはそれらのうちの5個を完全に抑制する必要がある。
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| Figure 1: 解決すべき10個の無相関エミッションの例 |
勿論、ノイズ抑制は完璧ではなく、従って通常は (例えば) 10個の EMC 設計法のそれぞれを適用する必要があることに気付く。 そのいずれか/全てについて充分な抑制が達成されないならば、後戻りして、 総合的なエミッションの結果が限度線の下にうまく収まるまで、それら全てを順番に改善する。 (ほとんどの専門家は量産でのばらつきに対処するために少なくとも 6dB の余裕を推奨し、 私は 10dB の余裕を目標としているいくつかの企業を知っている。)
エミッションが許容できるレベルに低減された後でのみ、 後戻りしてそれが適用された時に効果がなかったように見えた変更を取り除き、 量産でその変更を行なうコストを低減しようとできる。 往々にしてそれら全てが必要であることがわかるが、 時には (例えば) 10個中1つか2つの変更は他のものほど重要ではなく、 そのコストを節約できることがわかる。
上の例は、EMC 試験で生得的な自然の変動、そして dB 単位での測定が 実際のエミッション源が抑制されたことをどのように覆い隠すかを示すために、 過度に単純化している。
この単純化した例では、良い EMC 設計プラクティスによる修正全てが等しい重要性を持つが、 現実には大抵は不可欠な1つの設計上の修正があり、それなしでは他のものは全く機能しない。 (これは通常は良い RF 基準面の作成やエンクロージャ・シールドである。)
実際には、これは必要となるであろう (例えば) 10個の設計の改善を1つづつ適用した時、 位相相殺が低下すればエミッションは実際には増加し得ることを意味する。
ある変更がエミッションを増加させたかも知れないとしても、 上の単純化された例と同様、適切に限度線を下回るエミッションを得るまで、 良い EMC 設計プラクティスに従った変更を取り除かない。
この興味深い効果は、 2つ以上の異なる結合経路を介して測定用アンテナにエミッションを「漏洩」させる、 マイクロプロセッサの内部クロックのようなエミッション源があるために生じる。 その発生源はこれらの「漏洩」経路で同一であり、従って相関を持つ。
一部のクロック・ノイズは DC 電源バスに沿って、 一部はデジタル信号としていくつかの信号トレースに沿って (そして、一部はグランド・バウンス・コモン・モード・ノイズとして全ての信号トレースに沿って) 伝導し、 一部のクロック・ノイズはマイクロプロセッサとエンクロージャのあいだの浮遊結合によって 金属のエンクロージャに直接結合して金属構造などを流れる浮遊電流を引き起こすかも知れない。
測定用アンテナがそのクロック・ノイズ・エミッションを拾う時、 それぞれの周波数 (基本、及び高調波) で測定されるエミッションは、 その全てがマイクロプロセッサの同一の小さい領域から出発した、 だが全てが異なる経路でアンテナまで伝搬したエミッションの総計である。
一部は、(その絶縁材の誘電率のために) 全てが自由空間よりも遅い伝搬速度を持つ様々な長さの PCB トレースとケーブルをその前に伝搬し、 外部の電源や信号のケーブルから放射されるであろう。 そして、そのケーブルの一部は他のものよりも測定用アンテナから遠いであろう。
一部は、マイクロプロセッサによって誘導された浮遊表面電流がその周囲を流れるのに従って、 金属のエンクロージャのスロットや継目から放射されるであろう。
その結果は、同一の発生源 (マイクロプロセッサ・クロック) からのそれぞれの異なる結合ノイズが 異なる遅れで測定用アンテナに到着するというものであり、 これはそれらの位相角が全て互いに異なり、 結果としてアンテナである程度の位相相殺が生じるであろうことを意味する。
極めてしばしばそうなるように、これが生じる時、 例えば電源ケーブルのフィルタの改善によってノイズ源からの経路の1つを抑制することは、 総合的な、測定されるエミッションを増加させ得る!
位相角が 180°異なる ---逆相である--- 時、状況は実に興味深くなる。 同一の発生源からのエミッションが同様のレベルを持つ時、相当の相殺が生じるであろう。 例えば 300MHz においては、空気中で 500mm の経路長差、 あるいはケーブルでの 300〜400mm の経路長差によって 180°の位相シフトが生じ得るし、 そのような寸法は試験セットアップでは典型的である。
EMC 設計のそれぞれの側面を順番に改善し、だが効果がなさそうな、 あるいはエミッションを増加させたように見えるどの変更も取り除くならば、 我々は円を描いて回り続け、決して適合した EUT を得ないであろう。
良い EMC 設計プラクティスが何であるかを理解し、 エミッションが限度を適切に下回るまで1つづつ変更を行なわなければならない。 いずれかの EMC 設計の良い修正が総エミッションを増加させたならば、それをそのままにする。 ノイズが測定用アンテナに結合する経路の1つをうまく抑制したかどうかを見るために 近接フィールド・プローブ・テクニック ([1] の第1部と第2部を参照) を使用できるが、 この手法が通例そうであるように有用でなくなるほど多くの発生源と結合経路があり得る。
元々の設計によってはそれに従った修正が容易ではないことを言わなければならないものの、 良い EMC 工学プラクティスと原理に従った修正を実現する能力に自信を持たなければならない。 どの良い EMC 修正が必要となるかも知れないかを考慮した設計を EMC 試験に合格させるために修正する方が、通常は遙かに容易である!
いずれ、行なうべき EMC 設計改善が最後の1つか2つとなり、 追加の EMC 設計改善それぞれが測定される総エミッションを低減させる点に達する。 一番最後のものの直前までのそれぞれの修正が RF エミッションを増加させるように見えるものを 幾度も見たことがある! このあいだ顧客が居る場合、 彼らが見ることができるのは適用した (コストを要する) 修正によって 私がエミッションを悪化させていることだけであるので、 彼らは通常は混乱させられる。
だが、一番最後の修正がエミッションを所望のレベル以下まで低減した時、 私が行なった良い EMC 設計の修正 ---それを適用した時にエミッションを悪化させた--- のいずれかを取り除くとエミッションが再び増加するのを顧客に見せることができる。
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| Figure 2: 解決すべき、10個の相関した、位相相殺を生じているエミッションの例 |
前と同様、エミッションが許容できるレベルに低減された時にのみ、 後戻りしてそれが適用された時に効果がないように見えた、 あるいはエミッションを悪化させた変更を取り除くことで、 量産での変更のコストを低減しようとする。
良い EMC 設計テクニックは [2]、[3]、及び [4] で、 またシステムや設備については [5]、[6]、及び [7] で詳細に述べられている。
時間とコストの節約における上のアプローチの大きな利点は、 良い EMC 設計原理とプラクティスの使用を必要とすることを理解することが重要である。 ランダムな、あるいは良い EMC 設計原理とプラクティスに基づかない「手直し」を用いた修正を しようとしている時には、それは全く効果的ではない。
例えば、時には、実際には悪い EMC プラクティスである変更 (例えばケーブル・シールドの片側の切り離しのような) を行ない、 それがある問題のエミッション周波数を解決するのに気付くことがあり得る。 実際に起きていることは、追加のエミッションが生じ、 この特定の試験セットアップでは問題のエミッションを位相相殺したというものである。 だが、例えば異なるケーブルの種類、長さ、あるいは配置を用いた、 異なる (だが同様に正当な) 試験セットアップでは、 この幸運な位相相殺は良く働かず、エミッションを悪化させさえするかも知れない。 現実の設置はどの EMC 試験セットアップとも似ておらず、 従って悪い EMC 設計プラクティスを用いた幸運な位相相殺のテクニックは 通常は現実で顕著な干渉を引き起こす/被る可能性を高め、 顧客を悩ませ (将来の販売の可能性を下げ)、保証コストを増大させる。
時には、EMC 試験に合格させるまでに 10個、あるいはそれ以上の良い EMC 設計テクニックを適用しなければならず、 必要な全ての設計の改善全てが行なわれるまで EMC 試験での不合格は悪化するかも知れない。
上の議論は放射エミッション問題の解決に焦点を当ててきたが、 全く同じアプローチが伝導エミッションに、 そして放射と伝導のイミュニティ問題に当て嵌まる。
[2] “EMC Design Techniques for Electronic Engineers”, Keith Armstrong, Armstrong/Nutwood UK Nov. 2010, ISBN: 978-0-9555118-4-4, from http://www.emcacademy.org/books.asp.
[3] “EMC for Printed Circuit Boards - Basic and advanced design and layout techniques”, Keith Armstrong, Nutwood UK 2010, ISBN: 978-0-9555118-5-1, http://www.emcacademy.org/books.asp. Note: this is the same text as the 2007 edition (ISBN: 978-0-9555118-0-6 or 978-0-9555118-1-3) repackaged in a different format.
[4] “EMC for Product Designers, Fourth Edition”, Tim Williams, Newnes 2007, ISBN 0-7506-8710-5, available from http://www.newnespress.com, various electronic component distributors and http://www.emcacademy.org/books.asp
[5] “Good EMC engineering practices in the design and construction of industrial cabinets”, Keith Armstrong, published by REO (UK) Ltd, free download from: http://www.reo.co.uk/knowledgebase. (Applicable to any metal box that contains two or more electronic units interconnected by wires or cables, not just industrial cabinets, but also, for example: some domestic appliances; some IT and telecomm’s equipment; and most road, rail, aerospace and marine vehicles.)
[6] “Good EMC engineering practices in the design and construction of fixed installation”, Keith Armstrong, published by REO (UK) Ltd, free download from: http://www.reo.co.uk/knowledgebase
[7] “EMC for Systems and Installations”, Tim Williams and Keith Armstrong, Newnes 2000, ISBN: 0-7506-4167-3, http://www.bh.com/newnes, RS Components part number: 377-6463
[8] “The Consumer Electronics Boom - How Semiconductor and Consumer Electronics Companies Can Improve Cost, Time-to-Market, and Product Quality”, by KPMG LLP's Information, Communication and Entertainment (ICE) Practice, 2008, http://www.kpmg.de/docs/20080701_The_Consumer_Electronics_Boom.pdf
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: 2013-06-25