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単純な EMC フィルタの欠点

翻訳: T.Sato

要約

序論

問題と解決

容量 C の理想的なコンデンサは、f を測定周波数として、 Z = 1 / (2 π f C) で与えられる線形なインピーダンス特性を持つであろう。

だが、実際の２端子コンデンサは、 その容量とリードのインダクタンス L で決まる周波数で共振する。 この共振周波数は、 F = 1 / (2 π √(L C) ) で与えられる。

Figure 1: 20mm と 100mm のリードの 1μF の２端子コンデンサの周波数応答

共振周波数よりも下ではコンデンサのインピーダンスは理想的な応答に従うが、 共振周波数よりも上ではコンデンサの抑制性能は劇的に低下する。 リードを長くすると共振周波数は低下し、コンデンサの性能の損失を引き起こす。 これは、20mm と 100mm のリードの 1μF のコンデンサのインピーダンスを比較した Figure 1 に見ることができる。 ２端子コンデンサのリードは典型的には 10mm 当たり 7nH のインダクタンスを持ち、 これは 20mm のリードの 1μF のコンデンサに 800kHz 程度の共振周波数を与える。 影を付けた部分は、 リード長を 20mm から 100mm に増やすことで引き起こされた性能の低下を示す。

その共振周波数よりも上では、 ２端子コンデンサはそのリード線のインダクタンス L を持つインダクタとして振る舞う。 そのインピーダンスは Z = 2 π f L となる。 ラインと接地への適用において、その共振周波数よりも上で抑制性能が必要であれば、 貫通コンデンサを使用しなければならない。 コンデンサ・エレメントの寸法に関係したいくつかのマイナーな共振を除いては、 貫通コンデンサは理想的なコンデンサ性能に近い性能を持つ。

Figure 2: 典型的な貫通コンデンサと２端子コンデンサの比較

Figure 3: 1μF の貫通コンデンサと 1μF の２端子コンデンサのインピーダンスと挿入損失性能

Figure 4: 貫通コンデンサを用いて、 また用いずに作られた単純な DC 用 πフィルタの性能

Figure 2 は、２端子コンデンサと貫通コンデンサの物理的な違いを示す。 Figure 3 は、1μF の貫通コンデンサと 1μF の２端子コンデンサの性能との比較である。 影を付けた部分は、同じ値の貫通コンデンサの使用によって得ることができる、 ２端子コンデンサでは達成できない注目すべき性能を示す。

同じ理由から、フィルタにおける良い高周波性能は、 フィルタが貫通コンデンサを含んでいる場合にのみ得ることができる。 例として、貫通コンデンサを用いて組まれた単純な直流用 π フィルタの挿入損失特性と ２端子コンデンサを用いて組まれた同一のフィルタとの比較を Figure 4 に示す。 影を付けた部分はフィルタ設計における貫通コンデンサの使用によって得られた性能の向上を示す。 このグラフは前のグラフのインピーダンスとは違って挿入損失を示しているので、 挿入損失に関してより一般的な方向にプロットされていることに注意されたい。

多くの既存の EMC 規定は機器のエミッション要求を 30MHz まで規定しているだけであり、 通常、２端子コンデンサを含むフィルタはそれらの要求への適合のためには妥当であろう。 より新しい規定は 2GHz 以上までの耐性を要求するようになっている。 これは、より高速なプロセッサ、携帯電話、 より高速な電力制御スイッチなどによって発生させられる、 増大している高周波雑音汚染の影響に対してある程度の保護を与えるためである。

ユーザーは、彼の機器に既存の EMC 規定への適合性を示す CE マークが付いているとしても、 依然として問題に遭遇し得ることに注意すべきである。 彼の機器に貫通コンデンサを含む適切な高周波フィルタを取り付けていない限り、 30MHz 以上の高周波干渉に対して保護されていることは少ないだろう。 彼は、高周波干渉に対する感受性の結果としての彼の機器の誤動作によって引き起こされた 問題の責任を持つこととなり得る。

Figure 5: 貫通コンデンサを持つ主電源フィルタを正しく取り付けた場合と 隔壁や遮蔽を用いずに設置した場合の性能の比較

貫通コンデンサを使った場合でも、もしそのフィルタやコンデンサが 入力と出力の端子を適切に遮蔽するように正しく取り付けられていなかったならば、 性能は損なわれ得る。 相互接続ワイヤにおける放射とピックアップに伴うバイパス結合は 高い周波数においてはよりきわだったものとなる。 入力を出力ケーブルから完全に分離するために、 フィルタは理想的には隔壁に、あるいは隔壁を通して取り付けるべきである。 あるいは、その代わりとして、結合を防ぐために、 フィルタのいずれかの側、あるいは双方に遮蔽ケーブルを使用すべきである。 Figure 5 は、そのようなフィルタを隔壁に取り付けず、 また遮蔽ケーブルを使用しなかった場合の影響を示す。 影を付けた部分は、フィルタが正しく取り付けられ、あるいは遮蔽されていない時の 高周波性能の損失を示す。

電磁干渉

非対称モードのフィルタ性能は コモン・モード・インダクタとラインから接地へのコンデンサを必要とし、 対称モードの性能はラインごとのインダクタとライン間のコンデンサを必要とする。

フィルタでラインごとのインダクタが用いられている場合、 それらは負荷電流によって飽和し、性能を失い得る。 全負荷電流における性能は無負荷性能よりも遥かに悪い物となり得るので、 ユーザーは示された性能が全負荷条件に対するものであるかどうかを常に確認すべきである。

大抵のフィルタの用途においては、 通常は 1GHz までの周波数範囲にわたってある程度の非対称性能が必要となる。 対称性能は、それが必要な場合、通常は 10MHz 程度以下でのみ必要となる。 ある程度の対称性能は、しばしばボード・レベルのコンポーネントによって与えられる。

Figure 6: 貫通コンデンサを用いた単純な DC 用 πフィルタの 50Ω 系と 0.1/100Ω 系における周波数応答の比較

フィルタや抑制用コンポーネントの挿入損失性能は、常に 50Ω 系で示される。 これは、伝統的には無線周波数における電源ラインの特性インピーダンスであると見倣されてきた。 スイッチング電源や電力制御装置の広範な使用により、 今はかなり低い電源インピーダンスが典型的なものとなっている。 そのような場合、通常はカタログやデータ・シートで示された 50Ω 性能とは異なった性能が 抑制用コンポーネントやフィルタによって与えられる。 これらの用途で使用される単純なフィルタの多くについては、 得られる実際の性能は期待したものよりも悪いものとなるであろう。 Figure 6 は、単純な πフィルタの、50Ω 系における性能と、 スイッチング電源ではより典型かも知れない 0.1/100Ω (電源側が 0.1Ω で負荷側が 100Ω) で測定した性能との比較を示す。 影を付けた部分は、50Ω の値と比較しての、実際的な系で生じる性能の注目すべき損失を示す。 このグラフは例として貫通コンデンサを持つフィルタを示しているものの、 ２端子コンデンサを用いたフィルタも 異なったインピーダンス系において同様の性能低下を示すであろう。 実際のシステムで要求される性能を得るためには、 フィルタと系のインピーダンスのあいだで最大のインピーダンス不整合を得るために フィルタ回路を調整することが必要である。 これは、通常は低インピーダンスの雑音源に対して誘導性の入力を用いることを意味する。

標準シリーズ

Figure 7: 貫通コンデンサが組み込まれた機器用フィルタ

Figure 8: 貫通コンデンサ

多くの製造業者から多くの種類の単純な回路のフィルタが入手できるが、 それらの多くは特定の用途での使用に際しては上で述べたような問題のいくつかを生じ得る。 重要性を増しているのは、上の問題のいくつか、あるいは全てに対処するように設計された、 貫通コンデンサ、そして貫通コンデンサを内蔵したフィルタの標準的なシリーズである。 今は、貫通コンデンサを内蔵しただけではなく、 低電源インピーダンスで最良の応答を与えるように設計されたフィルタ回路を持つフィルタの 標準的なシリーズがいくつか供給されている。 一部の製造業者のカタログは 50Ω 系と 0.1/100Ω 系の双方の性能を示しており、 これは低い雑音源インピーダンスを持つ用途においては特に助けとなる。 Figure 7 は、貫通コンデンサが組み込まれた、 最良の高周波性能を与えるための隔壁取り付け部を持つ標準的なフィルタの例を示す。 また、Figure 8 は、 完全なフィルタ回路の性能が必要ない場合に極めて費用効果が良い高周波性能を提供する、 貫通コンデンサの標準的なシリーズの例を示す。

要約

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: 2004-08-17