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AC アダプタでの問題

翻訳: T.Sato

概要

外部電源の使用

だが、AC アダプタのサプライヤは、典型的には、実際上、少なくとも IT 規格 EN 55022 の伝導性エミッション要求に適合する製品を提供するであろうし、 これはそれを彼ら自身のユニット ――この記事ではこれを LAN ハブとするが、それは製品が何であっても原理的に同一である―― とともにパッケージングするであろう製品製造業者にとっても充分であるように見えるかも知れない。 その LAN ハブは主電源に直接接続されないので、その電源自身が既に適合しているのであれば、 主電源の伝導性のエミッションやイミュニティについて試験する必要がないと仮定されることがある。 システム等価回路の調査から見ることができるように、これは妄説である。 システム ――この場合は、LAN ハブとその電源―― のサプライヤは そのシステム全体が典型的な構成で使用された時に適合することを確かとしなければならず、 AC アダプタの出力への直流負荷の接続は、 直流電源線を通して逆流していくそれ自身のエミッションを加えるのと同時に、 そのエミッション・プロファイルを変えるかも知れない。

だが、問題はこれだけではない。 EN 55022 は、通信ポートに対する伝導性エミッション試験の要求を含んでいる。 これらはまだ EMC 指令のもとで必須ではないものの、 そうするように適合体制が変わった時に引っ掛からないことを確かとするために、 多くの製造業者はその試験を今適用している。 そして、そうする際に、 彼らはその AC アダプタ電源が発生する伝導性エミッションの問題に再び突き当たる このメカニズムを理解するために、我々はその等価回路をより深く掘り下げなければならない。

伝導性エミッション等価回路

Figure 1

干渉はそのスイッチング電源によって AC アダプタ PSU 内部で発生し、 ライブとニュートラルの主電源接続を通る V_N と V_L、 そしてその出力接続を通る V_O で表現されている。 それぞれは信号源インピーダンス Z_L、Z_N、あるいは Z_O を持ち、 それぞれはそのエンクロージャに、 従って試験の接地基準面に LISN を通して接続されるその電源の接地ピンに関係する。 これらのインピーダンスは主として容量性になり勝ちであり、 その電源のレイアウトとトランスの構造に影響される。 (もしそのエンクロージャが完全にプラスチックであれば、 その容量性相互結合はより複雑になるが、消滅はしない。)

AC アダプタの出力のコンポーネントが同相回路を形成するのを理解するのが重要である； 我々は直流リンク電圧にも LAN 出力信号にも関心はないのでそれらは示されておらず、 ケーブル全体 ――一括して扱われる―― のみが示されている。 この回路とその影響が有効であるためには、 その LAN ハブ自身に電源が入って動作しているかどうかは実際には問題ではない。

上の回路において、その出力雑音電圧 V_O は接地ピンと関係している。 示されているように、 V_N、及び V_L のみを見るであろう主電源 L、及び N 接続への、 その出力雑音の貫通はないであろう。 だが、もしその電源が安全クラス 2 であるならば、 すなわち Figure 1 の緑／黄のワイヤがないならば、何が起きるだろうか？ この場合、V_O は、V_N と V_L も参照する、 そのユニットのケースのみを参照することができる。 これは、V_O は V_L と V_N の双方の測定に加算されるが、 そのレベルはその出力が接続されているもののインピーダンスとともに 電源回路内の様々なインピーダンス (Z_O、Z_L、Z_N、そして LISN のインピーダンス) に依存するであろうことを意味する。 その回路内で、これは LAN ハブの信号ポートの接続によって決定される。 従って、明らかに、この状況における主電源エミッションは、 AC アダプタの出力の試験セットアップに影響されるであろう。

インピーダンスの影響

Figure 2

出力接続がないならば V_O は無関係であり、 ライブとニュートラルで測定されるレベルは、 V_L、V_N、それらの信号源インピーダンス、 そして LISN のインピーダンスによって完全に決定されるであろう。 だが、LAN ハブが接続されると、 低周波においては Z_O、LAN ポート出力インピーダンス、 そしてケーブル終端インピーダンスの直列結合によって決定される信号源インピーダンスから、 V_N と V_L のそれぞれに V_O が加算される。 これから、LAN ケーブルの終端が高インピーダンス (例えば、ラップトップへの短いシールドなしケーブル) であるならば、 V_O の加算の影響は些細なものであることがわかるであろう； だが、遮蔽ケーブルを通して接続されたデスクトップ PC のように、 もしそれが低いならば、V_O は顕著なものとなるであろう。 従って、２つの異なった、 だが同等に有効な試験セットアップが著しく異なった結果を生じるのは、 全く当然のことであろう。

浮遊容量 C_S1、及び C_S2 の存在によって、 また DC 電源ケーブルと信号ケーブルの誘導性インピーダンスによって、 この状況は高周波において複雑化する。 これらは、往々にして他の浮遊成分と結合し、 10〜25MHz 近傍でのスイッチモード・エミッションのハンプを与える直列共振回路を生じ得るが、 通常はそれらは例えば 1MHz よりも下ではそれほど顕著ではない。

通信ポート・エミッション

緩和のための予防策

この場合、その干渉は DC 入力から LAN 出力に直接通過しているので、 LAN ハブの遮蔽、あるいは金属シャーシの追加、 あるいはその PCB レイアウトの改善は、全て無駄であろう。

Figure 3

効果を持つであろう最初の解決は、 LAN ハブの DC 入力へのコモン・モード・チョークの追加である。 この効果は、Figure 3 に見ることができる。

このチョークは、Z_O と直列のインピーダンスを増加させる。 これはLAN ケーブルを通して流れる妨害電流を チョークがない場合とある場合のインピーダンスの差に比例して低減するであろう。 従って、もしチョークがない場合の支配的なインピーダンスが Z_O + 150Ω であり、 エミッションを 6dB 改善する必要があるならば、そのコモン・モード・チョークも 所定の周波数において Z_O + 150Ω のインピーダンスを持たねばならない。 もし Z_O が比較的低く、周波数が高いならば、これはうまくいく； 1kΩ よりもかなり高いインピーダンスを与えられる DC 入力用の小型の表面実装型コモン・モード・チョークが数多くある。 それは、LAN ハブ内の任意の同相エミッション源の影響を低減する利点も持つ。 もしその周波数が 150kHz よりも低く、Z_O が既に高い (AC アダプタがむしろ同相電流源のように振る舞っていることを意味する) ならば、 充分な効果を得るためには非常に大きいものとなるかも知れない コモン・モード・チョークを必要とするであろう。

効果を持つであろう次の「解決」は、 LAN ハブ自身のグランド・プレーンに対するインピーダンスを下げることである。 もしそれに接地ポイントが付けられていれば、 これをグランド・プレーンに直接接続することができ、 電源エミッションの大半は LAN ポートを通してではなくプレーンに直接流れるであろう。 だが、そのようなデバイスのうちどの程度のものが、意図的な接地接続を持つだろうか？

Figure 4

他のポートへの追加の接続を行なうという選択肢もあるかも知れない。 もしそれらが LAN ハブの 0V プレーンに対する低インピーダンスの接続を持ち、 グランド・プレーンへの低インピーダンスの終端も持つ (あるいは、LAN ポートと同様、少なくとも 150Ω に安定化されている) ならば、 それらも電源エミッション電流の一部をグランド・プレーンに通過させるであろう (Figure 4)。 その比率は、様々なポートのインピーダンスの比率に直接関係するであろう； もし１つの追加接続されたポートのインピーダンスが 測定されている LAN ポートのそれと等しいならば、 その LAN ポートのエミッションの 6dB の低減が予期される。

CISPR 22 (EN 55022) の要求は、 そのセットアップはエミッションを最大とすべきであるというものであるが、 これは「典型的な設置プラクティスを代表する試験構成内」 のケーブル配置を持つという条件付きである。 この規格は、「EUT のそれぞれの種類のインターフェース・ポートの少なくとも１つに インターフェース・ケーブル／負荷／デバイスが接続されていなければならず、 実際的であるならば、 それぞれのケーブルは実際の使用で典型的なデバイスで終端されねばならない」 とも要求している。 従って、１つよりも多いケーブルを使用し、 実際上、通信ポートのエミッションを低減したセットアップでこの規格に従うことは、 全く可能である。 勿論、主電源伝導性エミッション試験についても同一の実際的なセットアップを使うべきであり、 LAN ハブからグランド・プレーンへの同相インピーダンスを Figure 2 と比較して下げているので、 これがそのレベルを上げることはあり得る。

最後に、この問題全てに対処するための最良の方法は、 AC アダプタ電源からのエミッションを適切に規定することである。 それを、AC アダプタに CE マークを付けるという、 全く不満足で管理されない要求のままにしておく代わりに、 入力と出力の双方のエミッション・レベルに明示的な規定を設ける。 通常、最大定格電力と等価で、それと同時に グランド・プレーンへの 150Ω 同相インピーダンスを持つ直流負荷でその出力を終端した状態で、 主電源伝導性エミッションについて EN 55022 Class B のレベルを参照すれば充分であろう。 重要な追加の要求は、その直流出力同相電圧、及び／もしくは電流も、同一の条件の元で、 EN 55022 Class B 通信ポート・エミッション・レベルに規定するというものである。 もしその供給者がこれらの限度に適合するように契約できるならば、 エミッションのいかなる不適合も、その AC アダプタでなく、 あなた自身の製品によるものであるという確信を持つことになる。

まとめ

伝導性エミッションのための同相等価回路を調べることは、 これがどのようにして生じるかを示し、 その影響をいかにして緩和できるかの指針を与えもする。 一般に、最も効果的な緩和テクニックは、 外部電源からのエミッションがそもそも適切に管理されていることを確かとすることである。

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: 2005-06-25