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放熱器のための EMC テクニック

by Eur Ing Keith Armstrong, CEng FIET SMIEEE ACGI, Cherry Clough Consultants

翻訳: T.Sato


1 浮遊放熱器電流の制御

放熱器は、「内部 EMI」問題 ([1] の第4部の 8章を参照)、 及び/もしくは規制上や顧客のエミッション制限への不適合を含む 「外部 EMI」問題を引き起こし得る、 エミッションの顕著な原因となり得る。

動作周波数が高くなり、IC や電力用トランジスタがより早く動作するようになると、 それらの放熱器はエミッションの原因としてより重要になる。 これは、ごく小さい放熱器アセンブリの電気的共振させも励起させる可能性が高くなるほど 上端の周波数が高くなっているため、特にそうである。

共振は放熱器のエミッションを 40dB まで増加させ得る。

Figure 1
Figure 1: 放熱器に取り付けられたトランジスタの例

熱伝導シートは薄く、高い誘電率 (ε) を持つので、 Figure 1 で図示するように、 放熱器に取り付けられた IC やトランジスタは放熱器への相当の浮遊容量を持つ。

時には、デバイスの放熱用タブは放熱器に直接接続される。 そのようなデバイスは内部絶縁を持つかも知れず、 これは依然として浮遊容量結合を引き起こす熱伝導シートを内部に持つことを意味する。 時には、デバイスの放熱用タブはドレインやコレクタに直接接続され、 従ってその放熱器は全電圧振幅を受け、「ライブ」となる (そしてしばしば危険にもなる)。

IC や電力用トランジスタの電圧が変動する時、 この浮遊容量 (あるいは直接接続) が導電性の放熱器に浮遊電流を注入するので、 この浮遊電流を発生源 ――IC やトランジスタに給電する電源―― に戻すことが EMC エミッションの管理のために非常に重要である。

[1] の第1部は、浮遊容量/誘導結合によって引き起こされるリターン電流も含めて、 リターン電流の流れを管理することが、良い EMC 設計 (時間と費用を節約し、フィールドでの障害や保証返品を低減する) のためにどれほど重要であるかを述べる。

セラミックやプラスチックの放熱器 (例えば「CeramCool」、「CoolPoly」) は導電性ではなく、従って浮遊電流を運ばない。 それらは熱伝導シートを必要とせず、従って、EMC エミッションを持たないのとともに、 時には金属よりも良い放熱性を持つ。 元々は新しい LED 照明製品のためのパワー LED アレーのために設計されたが、 他の多様な電子製品のコスト節約手段として有用な、 デバイスの直接接続を可能とする 単相プリント板のようなメタライズ/エッチングされた表面を設けられるものもある。

放熱器からのエミッションが内部/外部 EMI 問題を、 あるいは規定されたエミッション限度への不合格を引き起こすことを防ぐ最良の方法は、 セラミックやプラスチックの放熱器を使用することであるかも知れない。

だが、大抵は無視できるものの、デバイスの放熱用「タブ」は依然として放射し、 時にはある種の設計において深刻なエミッション問題を引き起こし得るので、 セラミックやプラスチックの放熱器を用いる場合でも 以下のテクニックの一部が依然として必要かも知れない。

私が見たことのあるこの最良の (最悪の?) 例は、 12V 電源から冷陰極蛍光ランプを駆動する小さい安価なインバータであった。 その PCB は 30mm 四方程度しかなく、そのほとんどはランプのベースで占められていた。 単一の TO-220 パワー・トランジスタが フライバック昇圧電圧コンバータを 70kHz 程度でスイッチングする全ての力仕事をし、 放熱器が必要ないほど素早くスイッチングし、コストの節約を助けていた。

数 MHz までの全周波数で、 その伝導性エミッションは Class B 限度線を 50dB 以上超えていた! 我々は、それが全て、その TO-220 スイッチング・デバイスの 小さい放熱用タブからのエミッションに伴うものであることにすぐに気付いた。 その TO-220 は小さい PCB から垂直に立ち上がっており、 従ってその放熱用タブは PCB の 0V プレーン ――製品の寸法からして、いずれにしても非常に大きい 0V プレーンではない―― から最大限離れていた。

TO-220 デバイスがもたらすであろう小さい浮遊容量からして、 特にそのような周波数では構造共振を生じることはあり得なかったので、 そのような低い周波数でそのような高レベルのエミッションを見ることは大きな驚きであった。

以下で述べるテクニックを用いて単に浮遊電流経路を制御することで、 無視できる追加コストで、 その問題は完全に解決された (エミッションが 60dB 以上低減された) ので、 この逸話にはハッピーエンドがある。

2 浮遊放熱器電流を電源レールに戻す

放熱器の電流は IC やパワー・スイッチング・デバイスに給電する双方の電源レールから発するので、 それらは、関係する最大の周波数 (fMAX) までの全ての周波数について、 自由空間 (377Ω) よりもかなり低い、理想的には << 1Ω のインピーダンスで、 同じ電源レールに戻さなければならない。

これは「RF 接続」と呼ばれ、作られるリターン電流ループの インダクタンス (L) は << 1 / (2π fMAX) (fMAX が MHz であれば L は μH) でなければならず、 共振を防ぐために、ループの最大寸法 (対角か直径 D) は << 15 / fMAX (fMAX が MHz であれば D は m) でなければならない。 通常は、最小の局所的なループを主に流れることを確かとすることが困難となるほど多くの、 放熱器の浮遊リターン電流に対する潜在的な低インピーダンス経路を持つことになるため、 通常は我々はアース/グランドされた放熱器を避ける。

設計者はしばしば、アース、グランド、あるいはシャーシと呼ばれるどのようなものも、 数十 GHz までのどのような大きさの電流に対しても無視できるインピーダンスを持つ、 電流に対するある種の神秘的な無限の排水管であるかのように想像する。 電子工学におけるある種の伝承の中のこの非常に広まっている確信は、 ほぼ確実に電子製品の製造業者に、そしてそれらを使用する全ての応用に、 プロジェクトの遅れと保証コストのために (そして、少なくともダウンタイムについてその顧客に) 世界で毎年何十億ドルものコストを要させている。

EMC とシグナル・インテグリティのために本当に重要なことは、 浮遊電流全てを含む、電流が流れるループであり [1]、 これらのループがアース、グランド、あるいはシャーシを含まないならば、 アース、グランド、あるいはシャーシへの接続は、 単に強力な「偶発的アンテナ」効果を持つコモン・モード電流の余計な経路を与えるだけである。 安全アース/グランド・システムへの接続は、 エミッションとイミュニティの双方について、通常はほとんどの電磁現象を悪化させ、 これがある非常に著名な EMC 技術者が安全アース/グランド・システムを 「干渉分配網」と述べたことがある理由である。

放熱器が金属のシャーシやエンクロージャから離れていなければならない場合 (一般に良い考えではない)、 浮遊電流の大半を放熱器から逸すためにシールド付きの熱伝導シートを使う (後述)、 及び/もしくは製品をシールドする (後述)。

我々は通常は浮遊放熱器電流を電源レールの1つだけに戻し、 fMAX までで << 1Ω で そのリターン電流を他の電源電流に運ぶために PCB の良い電源減結合に頼る。 デジタルや混合技術の IC については、[2] の第5部や [3] の第4章で述べられているように、 これは通常は電源レール双方が 少なくとも関係する最大の周波数まで非常に低いインピーダンスを維持する PCB プレーンであることを必要とする。

Figure 2
Figure 2: 直接 RF 接続を持つオフライン・スイッチ・モード・コンバータの例

放熱器を、例えばオフライン・スイッチ・モード電力変換器の整流された主電源のような 危険な電圧にある電源に直接接続することは、 安全上のリスクを許容できない水準にまで高めるかも知れない。 勿論、「安全特別低電圧 (SELV)」から給電される IC やトランジスタは、 安全上のハザードを生じることなく、放熱器の直接 RF 接続を用いることができる。

電力デバイスのドレインやコレクタが放熱器に直接接続されている場合、 回路を動作しないようにすることなしに 放熱器を電源レールに直接接続することはできないかも知れない。

上のいずれの状況においても、 電源レールへの直接の接続の代わりに、直列コンデンサを使用できるかも知れない。 コンデンサでの問題は、広い周波数範囲にわたって充分に低いインピーダンスの リターン経路を達成することである。 エミッションが狭い周波数範囲内でのみ問題となる場合、直列コンデンサを用い、 放熱器の最大のエミッションの周波数において 電流リターン経路に固有のインダクタンスと直列共振するように その種類と値を選択することが実際的かも知れない。

そのような設計は、放熱器の電界と磁界のエミッションを 近傍界プローブ ([4] の第1部と第2部を参照) を用いてピックアップすることで、 通常のエレクトロニクス・テストベンチで容易に最適化 (「チューニング」) できる ―― EMC 試験所を訪れる必要はない。

放熱器リターン電流の RF 接続経路として、 しばしば放熱器固定部品のような既存の金属部品が使われる。 電流経路を構成する部品の表面、特にアルミニウムや軟鋼は、 経時的な酸化の防止のために導電性めっき、もしくはパッシベートされているべきである。 対となる部分で用いられる金属とめっきは、 その接合部での電気的腐食が低くなるように選択すべきである ―― その重要度はその環境における結露やその他の水分への曝露に依存する。

金属部品上の製造工程残留物やコーティング (特に陽極酸化処理やポリマー・パッシベーション) に注意。 通常の酸化アルミニウムよりもかなり高い熱輻射率 (0.2 ではなく 0.8) を持ち、 従って放熱器をより小さくすることから、しばしば陽極酸化処理が用いられるが、 それは RF 接続を非常に困難にする。 錫めっきはかなり良く (輻射率 0.5)、RF 接続を非常に容易にする。

金属めっき業者はそのように指定や要求されていない時に 絶縁性のポリマー・パッシベーション・コーティングを適用することがあるので、 部品のいかなるロットの受け入れの前にも、 低接触圧のプローブ (例えば「ファブリック・オーバー・フォーム」導電性 EMC ガスケット) を用いた単純な「ブザー」テスターを用いて、 受け入れ検査で RF 接続面の導電性を確認することを推奨する。

3 PCB プレーンの放熱器としての使用

費用効果の良い EMC のためには、ほとんどの回路は、 大半の/全ての範囲にわたって 0V と電源のプレーンに割り当てられた PCB レイヤを用いる必要がある。

プレーンを放熱器として用いれば浮遊電流はデバイスからプレーンに直接注入され、 従って (それがデバイスに給電するレールの1つである限り) どのような RF 接続の必要もない。

これは、熱伝導グリース、及び/もしくは熱伝導絶縁シートを介して、 デバイスがプレーンと熱的に接触するように実装することを必要とする。 ある種のデバイスは、放熱器として働く PCB の銅の面に 放熱用タブを半田付けするように設計されている。

この銅の面が 0V や電源のレールから絶縁されていなければならないならば、 上の第2章で述べたように RF 接続することが必要となる。

Figure 3
Figure 3: 放熱器としての PCB プレーンの例

放熱器として用いられる PCB プレーンが内側のレイヤの場合、 Figure 3 は2つの主なテクニックを示す: プレーンへの直接のアクセスを可能とするために基板を加工する、 あるいはコンポーネント側に小さいプレーンを用い、 その面全体にばらまかれた多数のビア・ホール (しばしば「サーマル・ビア」と呼ばれる) を用いて より大きい内部の PCB 放熱器プレーンに熱的に接続する。

PCB プレーンの放熱は、より厚い銅を用いることで改善できる。 PCB 製造業者によっては通常の「1/4オンス」のエッチングされた銅箔を 「8オンス」までめっきすることができ、 最近、私は中国の PCB 製造業者から 12オンスまでの提示を受けた。

多数の短い金属の取り付け用ピラーによるプレーン - シャーシ間接続は、 多くの他の重要な EMC 上の利点を与えるとともに ([2] の第5部、[3] の第3章、そして [5] を参照)、放熱を助けることができる。

一部の PCB 製造業者は、PCB 内に金属のシートや板を埋め込み、 0V や電源のプレーンに RF 接続することができる。 これらのシートや板は、PCB 上のデバイスからの放熱を助けるために、 シャーシや放熱器にクランプできるブラケットを作るように PCB を超えて拡げられる。 もし PCB が埋め込まれた板を放熱器として用いるが、 それが 0V や電源のプレーンから絶縁されるならば、 上の第2章で述べたように RF 接続する必要がある。

埋め込まれた金属板はベア・ボードのコストを増加させるが、 問題なのは材料費ではなく総生産コストであることを忘れないこと [6]。 高周波蛍光灯安定器の製造業者の一部は、製品の総コストを低減し、 アセンブリの時間やコストを低減することによって収益性を向上させ、 利益を高めるために、この高価な PCB 手法を用いている。

4 放熱器の共振

Figure 4
Figure 4: 放熱器の形状 (上面から見る)

Figure 5
Figure 5: 放熱器のスケッチ

Figure 6
Figure 6: 放熱器の別のスケッチ

Figure 7
Figure 7: 放熱器のもうひとつのスケッチ

Figure 8
Figure 8: 放熱器のさらにもうひとつのスケッチ

放熱器自身が放熱されるデバイスに給電される PCB プレーンではない場合、 それはそのようなプレーンに、 あるいは少なくともデバイスに給電する電源レールに RF 接続されるべきである。

RF 接続のインピーダンスが不充分な場合、 それを流れる放熱器の浮遊リターン電流は放熱器に顕著な dV/dt を受けさせ、 「偶発的アンテナ」としてより多く放射させるようにする。

もし放熱器が信号周波数 (あるいはその高調波の1つ) に近い共振周波数を持つならば、 それは「同調」偶発的アンテナ ([1] の第4部を参照) となるので、 そのエミッションは 20dB 以上増加し得る。

共振効果は、放熱器の最長の寸法 (D) が 30/fMAX を超える時にのみ顕著となる (fMAX が MHz であれば D は m、 fMAX が GHz であれば D は mm となる)。

D を最長の「三次元」対角とすると、 最低の共振周波数は fRES = 150/D である (fRES は、D が m であれば MHz、 D が mm であれば GHz となる)。 例えば、54mm 立方の放熱器は最初の (最低の) 共振を 1.6GHz 前後に持ち得るので、 近傍の GPS アンテナに大きな問題を引き起こし得る。

正確な分析のためには、以下の点を考慮したコンピュータ支援シミュレーションを必要である:

  1. 放熱器の寸法と形状
  2. 半導体の種類とその位置
  3. 0V プレーンやシャーシの近さ
  4. RF 接続全て

正方形や正立方体の形状の放熱器は最も高い共振周波数を持つ傾向があるので、 最も低い共振周波数が関係する最大の周波数よりも充分に高い時にのみ良い。 だが、そのような対称的な形状の放熱器は その共振周波数においてより高いゲイン (「Q」) を持ち、 共振が関係する最大の周波数よりも充分に高くないならばエミッションを増加させ得る ―― そのような場合、直方形にして、 単純な比率の長さ:幅:高さ (例えば 1.5 や 2 のような) を避ける。 特に制約がない場合、「黄金比」 (おおよそ 1.618) は良い選択のひとつである。

放熱器共振が関係する周波数範囲内 (あるいはその近く) に位置し得る場合、 IC やパワー・トランジスタのための最良の場所は通常は放熱器のベースの中央であり、 これは通常は良い熱的性能のための最良の場所でもある。

エッジへの配置はより大きな共振ゲインを生じ、 従ってより高いレベルのエミッションを引き起こす。

垂直のフィンはそれに沿った方向の共振ゲインを低下させ、 従って通常はフィンを放熱器の最長の寸法に沿って走らせるのが最良である。 共振寸法と直角に走るフィンは共振ゲインを増加させ、これは望ましくない。

垂直のピンは全ての共振寸法の共振ゲインを上げるが、 「ピン」放熱器がしばしばフィン型のものよりも効率的であるので、 これは残念なことである。

5 いくつかの有用なトリック

Figure 9
Figure 9: シールド付き熱伝導シートの使用の例

Figure 10
Figure 10: シールド付き熱伝導シートを用いる時、浮遊電流はどこを流れるか

熱抵抗を上げ過ぎることなく浮遊電流を低減するために、 デバイス - 放熱器間静電容量を低減するため、 厚いアルミニウム酸化物やゲル・シートを用いる。

最初の共振周波数を fMAX よりも高くするために、 次のいくつかと組み合わせて、より小さい放熱器を用いる:

  1. 風速を早くする (例えば、対流に依存する代わりに、空気を送るためのファンを用いて)
  2. 冷却のために空気の代わりに液体を用いる
  3. デバイスの熱を放熱器のベース全面に均一に分散させるため、 ベースにヒートレーン (ある種のヒートパイプ) が埋め込まれた放熱器を用いる
  4. シールド付き熱伝導シート (中間に金属シールドを持つ2つの絶縁層) を用い、 シールド層を電源レールに RF 接続する (Figure 9、及び 10 を参照)。

シールド付き熱伝導シートは完璧ではなく、 従ってそれを安全アース/グランドされた放熱器とともに用いる時には、 そもそもそれを発生させたデバイスの電源レールに戻す必要があるであろう 若干の浮遊電流が、依然として放熱器に残るであろう。 他に経路がなければ、それは電源入力接続部の Y コンデンサによって戻されるべきである。

6 ヒートパイプ

Figure 11
Figure 11: ヒートパイプの例

Figure 12
Figure 12: Pentium IIITM モバイル・モジュール熱交換器

ヒートパイプはデバイスからの熱を集めるために小さい部品を用い、それは小さいので、 より高い、理想的には fMAX よりもかなり高い共振周波数を持つ。 だが、長いヒートパイプ、そしてその遠端の大きな面積の熱放散部は、 その共振周波数を全体として非常に低くする。

パイプ自身と熱放散部からのエミッションの低減を助けるため、 Figures 11 と 12 に示すように、パイプの吸熱部の近くに クリップ式フェライト・スリーブ/クランプを取り付けることができるかも知れない。

7 エミッションの低減のための放熱器の RF 接続

RF やデジタルの IC を放熱する時、既に述べたように、 そして放熱器と RF 接続の構造の fMAX 以下での共振を防ぐためにも、 低い接続インダクタンスが重要である。

放熱器からの放射エミッションは 接続網のインダクタンスの (おおよそ) 3.5乗で増加するので、 1MHz 以下で動作しているトランジスタについては、 電源レールの最も近い箇所への単一の短い接続で大抵は充分である。 だが、より高い周波数に対しては均一に分布した接続が重要であり、 これは分布が良くないが同一の総インダクタンスを達成する場合よりも 遥かに低いエミッションを持ち得る。

Intel は、f をプロセッサのコア周波数の3次高調波として、 75/f 以下の RF 接続間隔を推奨する。 私はその代わりに 30/fMAX 以下を推奨する (MHz での ffMAX は接続間隔を m で、GHz は mm で与える)。

Figure 13
Figure 13: 共振周波数における、「浮いた」放熱器の周囲の近傍電界

Figure 14
Figure 14: Figure 13 の放熱器をそれぞれの角で基準面に直接接続したもの

3D フィールド・ソルバは放熱器接続での問題を素早く明らかにすることができ、 解決策を素早く見つけることも助ける。 Figure 13 は、Paul Duxbury の大変な好意による、FLO/EMC ――今は Microstripes と呼ばれて CST (www.cst.com) から供給されている―― を用いた、「浮いた」放熱器の例からのエミッションのシミュレーションを示す。

Microstripes のような 3D フィールド・ソルバからの一般的な出力フォーマットのひとつは、 強度を示すために色付けされ、 シミュレートされる周波数が選択された範囲内で変化させられるのに応じて変化する、 物体の周囲のフィールドの三次元表示である。

結果的な色付きのアニメーションは非常に魅力的であり、 いずれかの周波数で問題がありそうかの概観を設計者が素早く得ることを助ける。

より綿密な観察と測定のため、3D アニメーションを 2D で見るために、 任意の角度での「切断面」を選択でき、 これが Figure 13 を作るために用いられたものであり、 現れた最初の共振周波数に対応するビデオ・フレームも選択されている。

Figure 13 では、放熱器は RF 基準面の上に浮いていると仮定され、 その下の中央に RF 電流の発生源として細いワイヤが置かれている。 近くには他に何もないので、放熱器の周囲の近傍電界は対称である。 遠方界 ([1] の 2.4章を参照) においては、 これらの複雑な近傍界は単純な膨張する球殻となるであろう。

Figure 14 は、Figure 13 と同じ周波数における、同じ放熱器で、 だが今度はその四隅に RF 基準面への 0Ω 接続を設けたものを示す。 今度は近傍界は RF 基準面に顕著に近づいており、より低い遠方界エミッションを示すが、 勿論、この1つのビデオ・フレームからでは エミッションが他の周波数で悪化しているかどうかはわからない。

Figure 15
Figure 15: 放熱器の RF 接続を変えた時の電界エミッションの変化

Microstripes は指定された測定点でのフィールド強度をプロットすることもでき、 Figure 15 は、異なる組み合わせの放熱器接続に対する、 同じ軸の上にプロットされたいくつかのそのようなグラフを示す。

Figure 15 の垂直軸は指定された点での遠方界エミッションを示すが、 ほとんどのエミッション測定で dB (対数) スケールが用いられるのに対して、 リニア・スケールが用いられていることに注意されたい。 (dB スケーリングも選択できると確信している。)

それは、浮いている放熱器は低い周波数で高いエミッションを持つが、 5.32GHz の最初の共振のピークへと上昇するまで、 周波数の上昇にしたがって低下することを示す。

四隅全てでの直接接続は 600MHz 以下のエミッションの低減に非常に劇的な効果を持つが、 共振周波数を 5.32GHz から 2.0GHz に低下させている。 放熱器の四隅全てとそれぞれの辺の中間での直接接続 ――全てで8個の等間隔の RF 接続―― は 2.5GHz までのエミッションを顕著に低減し、 共振周波数を 3.75GHz まで上げている。

等間隔の接続を 16箇所に増やすことは 4GHz までの全範囲でエミッションを顕著に低減し、 最初の共振をさらに上、4.7GHz までシフトさせる。 2GHz 以下の周波数でのエミッションのレベルは今や非常に低いものとなっている。

Figure 16
Figure 16: RF 接続抵抗を変えた時の電界エミッションの変化

Figure 16 は、Figure 14 の角での直接接続から始めて接続抵抗を上げ、 接続抵抗を変えて試したものである。

Figure 16 は、用いられた全ての抵抗値が最初の共振を制動するが、 抵抗値が高くなると低い周波数でのエミッションが悪化することを示す。 最初の (最も低い) 共振を、関係する最大の周波数よりも上にすることが実際的でない場合、 抵抗性接続は有用なテクニックかも知れない ―― 製品設計によっては、 共振周波数でのエミッション・レベルと低い周波数でのレベルのあいだでの トレードオフを行わなければならないかも知れない。

Paul は、この記事の元となっているトレーニング・コースを私が作っている時、 ある夜の数時間のあいだに上の4つのグラフを作って9個の測定を行い、私にメールしてくれた。 試作品を作ってそれを試験することでこの種の見通しを得ようとした時、 どれほど要するであろうかを想像して欲しい! 現代的なエレクトロニクス設計は、 時間とコストを節約し、より低い出荷の遅れのリスクで製品を顧客に納品し、 従って企業の財務的リスクを下げるために 設計開発中にフィールド・ソルバを使用する必要があるほど、 複雑でペースの早いものとなっている。

最初の共振を制動するために 1GHz 以上で高い (抵抗性の) インピーダンスを持つが 低い周波数でのエミッションを最小限するために 1GHz 以下で低いインピーダンスを持つ フェライトを選択することによって、 「ソフト・フェライト RF サプレッサ・ビーズ」を我々を利するために 使用できるかどうかという疑問を持たせる。 (だが、既に好意に甘えられる範囲を超えていると感じたので、 Paul にこれを試してくれるかどうかは尋ねなかった)。

8 シールドの放熱器との組み合わせ

顕著な電力消費を持つデバイスのシールドは、往々にして気流を制限して過熱を引き起こす。 だが、以下の例が示すように、PCB 上やエンクロージャ内で、 シールドを放熱器と組み合わせることができる...

Figure 17
Figure 17: PCB の寸法のシールドを放熱器として用いた Playstation 2 の例

Figure 18
Figure 18: エンクロージャへのシールドと放熱器の組み合わせの例

Figure 19
Figure 19: Figure 18 で浮遊放熱器電流がどこを流れるか

Figure 18 の例のリア・パネルの内面を流れる浮遊 RF 電流は、 PCB のエッジを介して戻るので、非常に強いものとなり得る。

その電流は非常に強いので、リア・パネル、 特に IC の周囲やそれらと PCB のエッジでの 0V プレーンとの RF 接続とのあいだに、 分割、継目、あるいはその他の開口がないことを確かとすることが最良である。

浮遊放熱器電流に対する、低いインピーダンスを持ち得る多くの他の可能な経路があるので、 Figure 18 の外側のエンクロージャには良いシールド効果が必要である ―― 直列共振周波数において、あるいは望ましいリターン経路が何らかの並列共振を持つ場合には、 特にそうである。

この理由のため、fMAX まで共振しない経路となる、 非常に短く非常に低いインピーダンスを確かとするような方法で、 0V プレーンをリアパネルに接続することが重要である。 これを行なう方法のひとつは、0V プレーンを PCB の後端まで延ばし、 PCB の後端全体で連続的な 0V 接続を与えるために 「エッジめっき」テクニックを用いることである。 リアパネルは高導電率のめっき面を持ち、 PCB のめっきされた 0V エッジの全長にわたる導電性 EMC ガスケットを用いて エッジめっきされた 0V の帯に接続されなければならない。

PCB のエッジのめっき、リアパネルの内面、そしてガスケット材は全て、 製品が使用される予期される使用環境のもとで、電気的に適合するものでなければならない。

PCB の固定具がボードの後端を全長にわたって ガスケットにしっかりと押し込むことで充分な筈であるが、 PCB (そしてその 0V プレーン) とリアパネルのあいだの 2つか3つの金属製固定用ブラケットは誤りとはならないだろう (前と同様、電気的腐食に対する適当な予防を講じて)。

全ての PCB 製造業者がエッジめっきを正しく行なえるわけではないが、 そのような製造業者を使えない良い理由がある場合、 PCB の後端の全長で 信頼できる低インピーダンス RF 接続を達成する 代替手段を見つけるべきである。 本当に重要なのは生産の総コストであり、 ベア・ボードのコストではないことを思い出すこと [6]。

Figure 19 は、0V プレーンを基準とする電源レールから給電されている放熱されている IC が 浮遊電流をそのプレーンに直接戻すことを示す。

AC 主電源からブリッジ整流器を介して給電される IC (典型的にはオフ・ライン電源スイッチャ) は、 浮遊電流を 0V プレーンを介して危険な電圧レールを接続するコンデンサ (安全定格を持つ、そして (理想的には) 第三者安全認証を受けた) に通過させる。

勿論、このコンデンサが漏洩電流を過剰に増大させて安全上のハザード (例えば安全アース/グランド・ワイヤが断線した時の) を、 あるいは該当する安全規格への不適合を引き起こさないことを確かとすることが重要である。

Figure 20
Figure 20: PCB 上の IC のためのシールドと放熱器の組み合わせの例

Figure 21
Figure 21: 423ピン Pentium IVTM のために Intel が設計した 放熱器接続用部品

Figure 21 は Figure 20 が示唆したように設計された部品の良い例を示す。 その部品は適切なスプリング性を持つ金属から打ち抜かれ、 必要であれば高導電性の金属でめっきされる (例えば光沢錫めっき)。 それは IC の上にピック・アンド・プレースされ、 他のコンポーネント全てと同時にリフローはんだ付けされ、 放熱器が上面に押し付けられて部品に組み込まれたスプリング・フィンガーと接触する。

既に述べたように、放熱器の金属のベースは、 それが使用される製品の予期される使用環境のもとでその部品と電気的に適合する金属で、 高導電率のめっき/パッシベートされているべきである。 放熱器をその部品にしっかりと押し付けておくために、 機構的なクリップやその他の保持手段が必要となるだろう。

そのような部品を自分で設計し、低いコストで作ってめっきすることは容易である。

9 参考資料

[1] "The Physical Basis of EMC", Keith Armstrong, The EMC Journal, in four Parts: Issues 85, 86, 87 and 88; November 2009, January, March and May 2010, www.theemcjournal.com

[2] "Design Techniques for EMC", Keith Armstrong, from the archives at www.theemcjournal.com:
Part 1) Circuit design (digital, analogue, switch-mode, comm's), and choosing components, Jan & March 2006
Part 2) Cables and connectors, May and July 2006
Part 3) Filtering and suppressing transients, Sept and Nov 2006, and Jan 2007
Part 4) Shielding (screening), March, May and July 2007
Part 5) PCB layout (including transmission lines), Sept and Nov 2007
Part 6) ESD, electromechanical devices, power factor correction, voltage fluctuations, immunity to power quality issues, Jan, March, May and July 2008

[3] "EMC for Printed Circuit Boards - basic and advanced design and layout techniques", Keith Armstrong, Nutwood UK February 2007, ISBN: 978-0-9555118-1-3 (perfect bound) or 978-0-9555118-0-6 (spiral bound), www.emcacademy.org/books.asp

[4] "EMC Testing", Tim Williams and Keith Armstrong, from the archives at www.theemcjournal.com:
Part 1) Radiated emissions, Feb 2001
Part 2) Conducted emissions, Apr 2001
Part 3) Fast transient burst, surge, electrostatic discharge, June 2001
Part 4) Radiated immunity, Aug and Oct 2001
Part 5) Conducted immunity, Oct 2001 and Jan 2002
Part 6) Low frequency magnetic fields emissions and immunity; plus mains dips, dropouts, interruptions, sags, brownouts and swells, Jan and March 2002
Part 7) Harmonics and flicker emissions, March 2002

[5] "Designing I/Os so they will not suffer from `ground loop' currents in cable screens (shields)", Keith Armstrong, The EMC Journal, Issue 83, July 2009, pp 38-42

[6] "BOM cost and profitability", Keith Armstrong, The EMC Journal, May 2009, from the archives at www.theemcjournal.com


Copyright (C) 2010 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: 2010-08-29