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EMC のための電流の管理

by Ken Webb, Technical Consultancy Manager, TUV Product Service and Tim Williams, Consultant, Elmac Services

製品やシステムの設計における EMC 管理手段は、通常はいくつかの周知のテクニック ――フィルタ、シールド、接地、及び回路レイアウト―― の適用といった、古典的な言葉で考えることである。だが、これらの手法の背景にある原理を理解することは有用であり、これらの原理は２つの言葉にまとめることができる：電流の管理。

Figure 1
電流の管理は、２つの相補的なアプローチを含む (Figure 1)。まずイミュニティの向上のために、それは次のものによって引き起こされる不要電流、あるいは干渉電流を管理することを意味する：

ケーブルやエンクロージャへの外部 RF の結合ケーブルやエンクロージャへの ESD 事象
ケーブルに結合するサージやファスト・トランジェント

これに対処する設計上の解決策は、低インピーダンスのグランド方式とエンクロージャの構造、そして適切に終端された低変換インピーダンスのケーブル遮蔽を含む。

第２に、RF エミッションの改善のための、回路の動作による所望の電流の管理：

平衡回路構成を使用する
回路ループ面積を可能な限り小さく保つ
機能を果たす最小のスイッチング速度、あるいはクロック速度の使用によって di/dt と dv/dt を最小限とする
回路とエンクロージャのあいだの浮遊容量や意図的な容量による結合を管理する
低インピーダンスのグランド方式を維持する

これらのアプローチの双方は、所望の、また不要な信号が取る完全な回路経路をあなたが知っていることを必要とする。そうすれば、EMC 設計は、これらの経路の全てが管理されていることを保証するだけのこととなる。この考えは、往々にして回路、及び機構設計者には馴染みがないものとなる：還流電流が記号の蔭に隠されたどのような構造をも流れるであろうことを忘れ、回路基準を示すために回路図上で「グランド」記号を用いることは容易である。そして、金属のシャーシやケースは、それが干渉周波数のグランド電流も運ぶという事実を考えることなく、純粋にその機械的特性のために設計されるであろう。この考えが受け入れられさえすれば、設計プロセスはより明確になる。

還流経路

Figure 2

還流電流が取る実際の経路は明白であるとは限らない。信号源と負荷から成る、両側でグランドされたケーブルで接続された回路を考えよう (Figure 2)。この場合の還流電流は、ケーブル (I_ret1)、あるいはグランド (I_ret2) のいずれを流れることもできる。

実際には、還流電流はこれらの２つの経路の相対的なインピーダンスに従って分割されるであろう。大抵はより大きな導体断面積を持つことからグランド経路がより低いインピーダンスを持つと考えるかも知れないが、信号経路との相互インダクタンスに伴う結合のために、高い周波数においてはケーブル経路のインピーダンスが支配的となる。 I_sig に伴う磁束が I_ret1 に伴うそれを打ち消す傾向があるために、密な結合は低い実効インピーダンスを意味する。この意義は、たとえその両端が接地されているとしても、適切なケーブル構造によって信号電流がグランド経路から離されるということである；従って、一方の経路から他方 (いずれの方向でも) に対する干渉汚染は最小限となる。

この効果は相互結合がほぼ１である同軸ケーブル構造において最も明確であるが、それはツイスト・ペアのような普通のケーブルでもすぐに観察できる。それは、回路の誘導性インピーダンスが抵抗よりも大きくなる周波数において支配的となる。

ケーブルの相互インダクタンスが 0.2μH/m で抵抗が 0.1Ω/m 程度の典型的な小径のケーブル・ペアについては、この境界の周波数は 80kHz 程度である。

ESD の例

Figure 3

電流の管理という言葉でどのように考えるかの例の１つは、 ESD 保護によって与えられる (Figure 3)。静電気放電は、適度に小さい沿面経路によって非導電性エンクロージャの外側から分離された導電性のコンポーネントを含む、機器のいかなる露出した部分にも発生し得る。共通の問題箇所は、キーボードや制御部、外部ケーブル、そして接触可能な金属構造である。近傍の導電性の物体への放電は、機器内への電流の誘導も引き起こし得る。

放電が起こり得るいずれの箇所からも、放電電流が取り得るグランドへの可能な経路は様々なものとなり得る。その一部は、PCB のグランド配線の一部、浮遊容量、外部機器、あるいはスイッチやコネクタのような露出した回路を含むであろう。放電電流が PCB を流れる際にはそれは過渡的なグランド電位差を誘起させ、特に瞬間的なスパイクに影響され易いデジタル回路においては、それは回路の誤動作を引き起こせるだけのものとなるだろう。回路を含まない経路でさえも、回路の導体と結合するであろう激しい過渡磁界を生じるだろう。

放電電流は最小のインダクタンスの経路を取るだろう。ケースがグランドにしっかりと接続されているならば、これは自然な消散点となるであろう。そうなっていない、あるいはそれが非導電性であるならば、他の経路は接続ケーブルを通したものであるかも知れない。放電のエッジは極めて早い立上り時間 (ナノ秒以下) を持ち、従って浮遊容量による結合はそれに対して実質的に素通しであるが、数 nH の短いグランド接続でさえも相当のインピーダンスを与えるだろう：例えば、10¹⁰ A/s の di/dt (立上り速度) の過渡電流は、 10nH のグランド・インダクタンスに 100V の電位差を生じるだろう。導電性のエンクロージャの開口部も、内部の回路に結合するであろう激しい局所磁界を生じるだろう。

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: 2004-09-08