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データ・スクランブルとスペクトラム拡散ハードウェア設計テクニックの使用によるエミッションの抑制

by Keith Armstrong, Cherry Clough Consultants

翻訳: T.Sato


本題に入る前に、少し背景を述べる必要がある。

EMC を EMC 技術者任せとすべきではない

EMC 工学は、しばしば、フィルタ、シールド、絶縁、 「接地」 (大地とも主電源コードの緑/黄のストライプのワイヤとも無関係だが、そう呼ばれる)、 サージ/トランジェント・サプレッサなどのテクニックを用いた EMI 対策に関することであるとみなされることがある。 だが、費用効果の良い EMC 工学はこれよりもかなり幅広い!

これらの対策テクニックは、典型的には、EMC 試験技術者によって、 顧客の製品がエミッションやイミュニティの試験に不合格となり、 その不適合への対処を頼まれた時に用いられる。 その総体的な結果は、通常は、機能に (直接) 関係しない部品の追加によって引き起こされる、 EMC 規制への適合の必然的な費用であると (誤って) 見られる、 BOM コスト、重量、そして寸法の増加である。

「まず規定された機能を達成し、その後に EMC 適合試験に合格するまで EMC 対策を行なう」 伝統的なアプローチを用いるプロジェクト計画では、 予測できない出荷の遅れ、コストや重量の増加などが必至であり、 必要なフィルタやシールドなどを付けるために 大きな機構設計の変更を行なわなければならなくなるリスクをもたらす。

プロジェクトにこのアプローチを用いる製造業者は、その企業の完全な破産までを含む、 予測不能な財務的リスクを被ることが不可避的である。 これは、(製品が10年から20年の販売寿命を持っていた数十年前にはそうであったので) 通常そう信じられるように、増加した BOM コストの収益への影響によるものではなく、 出荷の遅れのためである ―― [1] と [2] を参照。

Figure 1
Figure 1: 伝統的なプロジェクトとリスク低減プロジェクトの比較

私が会ったことのある経験を積んだ EMC コンサルタント全員と同様、私は、 良い EMC 工学設計プラクティスを、 どのプロジェクトの「白紙状態」での開始の時からも用いるように強く推奨する。 今日では、それを「CAD の画面が空の」プロジェクト・ステージと呼ぶべきではないかと思う。 これらの良い EMC 工学設計テクニックは、 EMC には関係ないとプロジェクト・マネージャが考えているらしい、 機構、ハードウェア、FPGA、ソフトウェア、及び/もしくは PCB 技術者が実施する必要があり、 その結果を Figure 1 に要約する。

プロジェクトの開始からの良い EMC 工学プラクティスの使用は、 EMC 規制に適合する最も費用効果の良い設計の達成に取り組みながら、 ほとんどのシグナル・インテグリティ (SI) とパワー・インテグリティ (PI) の問題に自ずと対処する。 必要な EMC 対策 (フィルタ、シールドなど) のコスト、重量、そして寸法は最小となるであろうし、 EMC 試験所での不愉快な驚きもないであろう。

機能上の性能と信頼性を達成するために必要となる ハードウェアとソフトウェアの双方の設計のやり直しが少なくなるであろうから、 設計/開発プロジェクトのコストとスケジュールは低減されるであろう。 (実際、追加コストや遅れなしでの機能上の仕様の向上さえ可能であることを、 23年にわたる経験が示してきた。)

設計の生得的な EMI 強度のために保証内返品は減少し、 これは標準的な EMC イミュニティ試験に合格させることでは確かとされないことである。 その総体的な結果は、より低コストな設計/開発プロジェクトが、 総生産コスト (これは BOM コストよりも重要である ―― [1] を参照) を低減しながら、 新製品をより早く市場に出す (今日では非常に重要なゴールである ―― [2] を参照) というものである。

プロジェクトの最初から良い EMC 工学設計を使用するという私の推奨を全面的に採用した企業は、 しばしば、財務的なリスクの低減と収益性の向上を CEO が高く評価しているという、 彼らが受け取った大きな結果について語る。 私の EMC 設計の推奨を最近全面的に採用したある企業は彼らの結果を詳細に文書化しており、 近い将来、彼らとの共同の記事を公表できればと思う

EMC Journal [3] や他の EMC 関係出版物の私の記事を良く読んでいる方、 私の本 [4] を読まれた方、そして私のトレーニング・コース [5] に参加された方は、 過去23年にわたって大きな成功を収めてきた私のアプローチに既に馴染んでいる筈である。

この記事の主題は、どの電子工学プロジェクトでも最初から適用することを推奨する、 良い EMC 工学設計テクニックの1つである。 そのようなテクニックのほとんどと同様、 それは設計の複雑さをいくらか増し、時には BOM コストをいくらか増すが、 出荷までの時間の大きな節約と収益性の達成を助ける。

それは、多数のそのような EMC 設計テクニックと同様、 ハードウェア/ソフトウェア/PCB 設計者がプロジェクトの初期に適用することは容易であるが、 設計が終わったと考えられた製品が EMC 適合試験に不合格となった時に適用するのは 非常に困難でコストを要する。

さて、前置きは充分だろう。

データ・スクランブル・テクニック

製品のエミッションを試験している時、通常、限度線を超えて適合問題を引き起こすのは、 放射ノイズ/スペクトラムの細いピーク、しばしば「スパイク」と呼ばれるものであることに気付く。

連続 RF イミュニティ試験は通常は正確に同じスパイクの周波数で不合格となるので、 エミッション・スペクトラムからスパイクを低減もしくは除去するテクニックは RF イミュニティ試験への合格も助ける。

EMC の世界では、これに対処する1つの方法を良く知っている ―― かなり低い (典型的には音声帯域の) 周波数で周波数変調したもので固定周波数のクロックを置き換える、 スペクトラム拡散クロック。

だが、スペクトラム拡散クロックは、信号の電力を周波数スペクトラムの広い範囲に分散させ、 元の信号の特定の周波数成分 (すなわちピーク、もしくはスパイク) の電力を低減させるために使用できる、 多数のテクニックの1つに過ぎない [6]。

この章で「データ・スクランブル」について、 そしてその後で「スペクトラム拡散」クロックについて述べよう。

データ・スクランブルはハードウェア、及び/もしくはソフトウェアで行なえるが、 高速シリアル・データに最も頻繁に、ハードウェアで行なわれる。 完全に「スクランブル」されたデータは、どの周波数にもピークやスパイクが見えない、 「ホワイト・ノイズ」に近いスペクトラムを持つであろう。

データ通信設計者は、時に、スクランブルを 「スペクトラム拡散」テクニックの一般的な表題の下のいくつかのテクニックの1つと考える。 これは厳密には正しいが、 「スペクトラム拡散」がクロックを周波数変調する特定のテクニックのみを指すために 広く用いられているらしい EMC コミュニティでは、この用法を聞いたことがない。

競争の激しい産業のほとんどの製造業者にとってそうであるように、 費用効果の良い設計と生産が重要な問題である場合、 しばしばケーブルとコネクタが多くの電磁エミッション問題の原因であることがわかる。

このため、ケーブル上のデータのスクランブルは非常に魅力的な費用/便益比を持つ。 それは、例えばここで非常に効果的な設計アプローチの例として簡単に述べる 100/1000BASE-T Ethernet で大きな効果を上げている。

100/1000BASE-T Ethernet 通信は、 クロックのための独立した導体の必要性を避けるために非同期信号を用いている。 これはコストを節約するために行なわれたかも知れないが、追加のクロック線は、 その高調波が CISPR 22 や CISPR 11 (= EN 55022 や EN 55011) の限度を超える 放射エミッションを引き起こすのを防ぐために、 良質のシールドと良くシールドされたコネクタ、 及び/もしくはスペクトラム拡散クロック (後述) を必要としたであろうから、 EMC のためにも良い。

100/1000BASE-T は、 例えば 101010101010 のような繰り返しのデータ列によって引き起こされる いかなる支配的な周波数も信号スペクトラムに現れないように、 (レシーバの多数の論理ゲートがスクランブル解除できる) 決定論的アルゴリズムを適用して非同期シリアル・データをスクランブルするために、 多数の論理ゲートも用いる。

これはシールドなしケーブルのような安価な「物理層」ハードウェアを用いながらの EMC エミッション規制への適合を助けるために特に行なわれた。

データのスクランブルは、どの有意な期間にも単一の周波数が送られず、 その信号の電力をある範囲の周波数に拡散することを意味する。 これは実質的に信号の周波数成分を「白色化」し、 広帯域のスペクトラムを持ち、特定の周波数成分が他よりも高い電力を持たない、 ランダム・ノイズのように見えるようにする [6]。 それは、利用可能な帯域幅のより多くを使用し、 回路動作やエミッションの上限周波数を増加させることなしに より高いデータ・レートを達成できるようにするという利点も持つ。

[7] は 1000BASE-T について次のように言う:

100BASE-T は、その5レベルの信号 (「PAM-5」変調) を 3レベル信号を用いる 100BASE-TX と同程度に強くするために、 「トレリス符号変調」も用いる。 これは2段階のアプローチで実現される:

8b/10b 符号化がデータ・レートを上げさせ、エミッションを増加させると予期するかも知れないが、 [8] は、使用されている 8b/10b アルゴリズムは 0 と 1 の遷移の数を最小とする特別な 10ビット列を作り、 実際にはエミッションを低減させるので、実際にはその逆であると言う。 符号化されていない8ビットは7回の遷移を必要とするが、 10ビットのトレリス変調アルゴリズムの使用はこれを3回に低減する。

Figure 2
Figure 2: 1000BASE-T Ethernet 信号のスペクトラム ([9] より)

Figure 2 は、[9] からの、1000BASE-T Ethernet 信号の結果的なスペクトラムを示す。 そのスペクトラムに、クロック高調波によって引き起こされる狭い「スパイク」はなく、 データによって引き起こされる「山」 (例えばデータ・クロック周波数とその高調波の強い側波帯を生じる NRZ ([10] を参照) データ・パターンによって引き起こされるような) もないことに注意されたい。 Figure 2 は、同時に 5ビットを送信する PAM-5 変調の「アイ・パターン」も示す。

この記事では、特定の信号のスペクトラムを示すいくつかの図を、 そして特定の EMC 試験からのエミッション・スペクトラムを示す他の図を用いる。

「スパイクを持たない」信号スペクトラムは スパイクのあるエミッション・スペクトラムを生じないであろうから、 これらの2種類のスペクトラム・グラフはこの点で比較可能であるということを除き、 これらの2種類のスペクトラムを直接比較することはできない。

完全にスクランブルされたデータでさえも、依然として、 PCB 上のコモン・モード・ノイズによって引き起こされるスパイク、 そして PCB、エンクロージャ、そしてケーブルでの様々な系統的共振によって引き起こされる、 エミッション・スペクトラムのピークとディップを生じるかも知れないことに注意されたい。 これらはプロジェクトの最初から他の良い EMC 設計テクニックを用いて防止すべきである ―― [3]、[4]、及び [5] を参照。

エミッション試験で準尖頭値検波が用いられる場合、クロック高調波の「スパイク」は、 尖頭値検波で測定された時よりも通常は高々 1dB 低く測定される。 逆の極端では、真のランダム・ノイズは準尖頭値では尖頭値よりも 15dB 低く測定される。

従って、データ・スクランブルの設計の有効性の1つの尺度は、 準尖頭値測定を行なった時に尖頭値スペクトラムがどれだけ低下するかによるものである。 準尖頭値で測定した時に 15dB 一杯の低下を達成することは 極端なスクランブル設計なしでは困難であるとわかるかも知れないが、 5〜10dB の低下は容易に達成できるだろう。

IC 間でやりとりされるデータ全てのスクランブルが理想的であろうが、 プリント基板 (PCB) 上の集積回路 (IC) 間の並列データ通信でのスクランブル・データの使用は、 おそらくはエミッションの低減のために BLS (ボード・レベル・シールド) を用いるよりも 総コストが高いものとなるだろう。

だが、同じ PCB 上の IC が高速シリアル・データ・ストリーム (通常は差動伝送線路トレース・ペアを用いた) を用いて通信する場合、 現代的な FPGA 内の多数の余ったゲートのいくつかを用い、 上と似たテクニックを用いてデータをスクランブルすることは、 そのような伝送線路が生じる差動スキューの多くの発生源によって引き起こされるエミッションを低減し、 おそらくは FR4 誘電体をより高価なものに置き換える必要性を避ける、 費用効果の良い方法となり得る。

高い dV/dt で動作する特に強力なコンポーネントが エミッション・スペクトラムの最悪のスパイクの原因であり、 それが扱っていた信号か電力スイッチングにスクランブルやスペクトラム拡散を適用することで 大きな利益を得られたであろう製品を見たことがある。

ある特定の極度にノイジーなギガビット・レーザー・ダイオードの例では、 解決策としてデータ・スクランブルを示唆した時、 それはプロジェクトの開始時点で設計チームで議論されたが、それがどれほど重要となり得るかに気付かず、 スクランブルされていないデータの使用を決定したと言われた。 そして、プロジェクトの終わりになると予期されていたところで、 合法な製品を販売したいのであれば非常にコストと時間を要する少数の選択肢に直面した。

スクランブルされたデータの使用は元の設計にそれほど時間とコストを加えなかったであろうし、 私の見解では、「念のために」そうしておく価値が充分にあったことだろう。 しばしば、最終的な製品設計の見込まれる EMC 試験性能についての誤った楽観主義のために、 強力で安上がりな良い EMC テクニックが無視される例を見る。

データ・スクランブル・テクニックによっては EMC イミュニティでの利点も与え、 さらにもうひとつの理由は、デジタル通信一般でますます良く見るようになっているように、 それが、全帯域を通信のために利用できるポイントまで、 利用可能な帯域幅をより効果的に利用することである。

データ・スクランブル・テクニックの使用を考慮すべきなのは、製品設計者だけではない。 標準化されたインターフェースのための共通の技術仕様に取り組んでいる産業グループの一部は、 しばしば良くないデータ・スクランブル・テクニック (あるいはスクランブルなし) を選択し、 そのインターフェースの使用を望む全ての者を、 常に適合が困難、かつ/もしくはコストを要するものとなる EMC 設計に拘束する。

Figure 3
Figure 3: HDMI 放射エミッションの例

Figure 4
Figure 4: モールドされた HDMI ケーブルの良くないシールドの例

だが、良くない EMC 設計を決める産業グループは新しいものではない。

フラット・リボン・ケーブルの使用を必要とする、50本のデジタル信号を運ぶ、 1本だけの (中間でさえなく、縁に沿った!) 共通のリターン導体を持つ、 並列データ通信の業界規格を見たことがある。

単にその産業の建物にそのケーブルの大きなインストール・ベースがあったということから、 そもそもは 6MHz までのアナログ信号のために用いられていた 75Ω ビデオ同軸を用いるように規定した、 125Mb/s シリアル・データ通信の専門家向けオーディオ産業規格を見たこともある。 これらの例の双方は、その製品でこれらの標準インターフェースを用いる必要がある全ての者に 大きな EMC 問題を生じた。

例えば、Figure 3 ([11] から取られた) は、 クロック高調波によって引き起こされたスペクトラム上の狭い「スパイク」を示す、 HDMI システムの放射エミッション試験の例を示す。 上側のグラフは良質の良くシールドされた HDMI ケーブルの使用で得られ、 下側のグラフはそのケーブルへのコモン・モード・クランプの追加の効果を示す。

上で述べたように、規制上の EMC 適合で問題となるのは、大抵は、 部分的にはそれらが準尖頭値で測定した時に (低下するとしても) あまり低下しないため、 そのような細いスパイクである。

良くシールドされた HDMI ケーブルなしでは、 「クラスA」 CISPR 22 エミッション限度に適合するチャンスさえない。 データのスクランブルのためにトランスミッタとレシーバに若干のゲートを追加することは、 Ethernet を低コストなケーブルを使用できるようにし、 UTP (シールドなしツイスト・ペア) ケーブルと低コストなコネクタを用いた時でさえも クラス A に適合させられるようにする。 これが、それが同じデータ・レートで動くかも知れないものの、 HDMI インターフェースがそれに相当する Ethernet インターフェースよりも かなり高コストなコネクタとケーブルを必要とするであろう理由である。

EMC Journal のバナナの皮のコラムの読者が知るであろうように、 HDMI テクノロジを用いる製品の製造業者の一部は、 高レベルの HDMI エミッション・スパイクのため、 エミッション限度への適合で大きな問題を抱えてきた。 結局、これは組み込みの LCD ディスプレイを接続するために購入した HDMI ケーブルの シールドのコネクタへの低品質の終端によって引き起こされたことがわかり、 その例を Figure 4 に示す。

サプライヤが、サンプルを要求された時には正しく作られた完全に仕様を満足する部品を供給し、 だが生産用の注文を受けた時には低品質な部品を供給することは珍しくないようである。 これは有名な UK、欧州、あるいは米国のブランドの製品を購入する時でさえも起こり得る ―― それは、それらのサプライヤが、 今度はそれほど有名でない企業 (全てが中国にあるとは限らない) からの供給を受け、 彼ら自身の検収で充分な検査を行なわないためである。

最近、廃盤となった IC を購入する必要があり、 スペック通りのサンプルを供給したアジアのサプライヤをインターネットを介して見付けた 軍用機器企業の話を聞いた。 だが、生産用の数量が納入された時、そのいずれも正しく機能せず、 結局、パッケージとマーキングは正しいものの その中にはいずれも正しいタイプのものではない様々な異なる IC が入っていることを X線検査が示した。

Figure 5
Figure 5: 100BASE-T 信号スペクトラムと新しい「パルス整形」設計の比較

だが、良い EMC 設計を考慮している産業界インターフェース標準化グループもある。 例えば、[12] から取られた Figure 5 は シールドなしツイスト・ペア・ケーブルを用いた開発中の車両内自動車用 Ethernet テクノロジの提案を示し、 Fast Ethernet (すなわち 100BASE-T) のスペクトラム (青のトレース) を その新しい提案のもの (紫のトレース) と比較している。

[12] で述べられている提案は、 特に FM ラジオ放送帯の非常に厳しい車両エミッション/イミュニティ要求への適合のために、 典型的な車両用ケーブル長 (10m) に最適化されたパルス整形とそれに対応する受信側イコライザを用いる。

Figure 5 で示したデータ通信設計のそれぞれのエミッション・スペクトラムを準尖頭値で測定した時、 そのレベルが 5〜10dB 低下することを予期できる。

良い EMC 設計を考慮している産業界インターフェース標準化グループのもうひとつの例は、 実現の総コストの低減のために そのエミッション・スペクトラムを「白色化」するためにデータ・スクランブルを用いる、 PCI Express (PCIe) である。

[13] は、その多数の 2.5Gb/s か 5GB/s の「レーン」のそれぞれを通して送られる シリアル NRZ データに対する 16ビット線形帰還シフト・レジスタによって実現される、 PCIe がデータ・スクランブルに用いる多項式アルゴリズムを述べる。

スクランブルは、その信号スペクトラムからの周波数スパイクを除去するとともに、 PCIe レーン間のクロストークの影響の低減も助ける。

スペクトラム拡散クロック・テクニック

Figure 6
Figure 6: スペクトラム拡散クロックの使用による測定されるエミッションの低減

Table 1
Table 1: CISPR 16 で規定された 異なる検波器 (尖頭値、準尖頭値、平均値、及び実効値) での dB(μV) での測定結果の例

スペクトラム拡散クロックは実際のエミッション・レベルを全く低減せず、 CISPR 16-1 に適合した測定用受信器 [14] を用いて測定した時のレベルをそうするだけである。

測定された低減は CISPR 16 試験法が保護することを意図した無線チャネルへの干渉の類似の低減と相関するが、 他の状況で生じるであろう干渉の低減を意味するとは限らない。

例えば、もし 0.5μs (500ns、例えば 100MHz クロックの 50サイクル) 以下の期間の 過剰なクロック・ジッタの発生が「被害者」の機器に受容できない EMI 問題を引き起こし得るとすると、 CISPR 16 で規定された検波器のいずれも、潜在的な EMI の有意な尺度を与えないであろう。

スペクトラム拡散クロックはデジタル・クロック発振器の周波数を (典型的には) 10kHz から 100kHz のあいだのレートで変調し、 従って、クロックの基本周波数と高調波はスペクトラム上を素早く動き回り、 ほとんどの時間を測定用受信器の分解能帯域幅 (RBW) の外側で過ごす。

どの特定の瞬間にも通常の「スパイク状」のクロック高調波エミッション・スペクトラムがあるが、 それを CISPR 16 の検波器で測定すると、 受信器の測定周波数を中心とした狭い帯域幅フィルタ (RBW) の中に 周波数スパイクがある時にのみその積分器が充電されることから、より低い測定値が得られる。 Figure 6 は、[19] からの、その例を示す。

ETSI や ETSI/EN (すなわち通信/無線) の一部、そして軍需 EMC 規格の一部は、 (IEC EMC 規格で普通であるように準尖頭値ではなく) 尖頭値検波器で測定されたエミッションに対する限度を定める。

CISPR 16 で規定された尖頭値検波器でさえもある程度の信号積分を用いるので、 大きい積分時間を用いる準尖頭値、平均値、そして実効値検波器で達成できるほど大きくはないものの、 スペクトラム拡散クロックは測定されたエミッションに依然としていくらかの有意な低減を与え得る。 これは [15] の Table 1a から抜き出した Table 1 から明らかである。

スペクトラム拡散クロックがフィルタとシールドに費やす時間を減らしながら FCC の EMC 規格に適合させる手段として最初に提案された時、 ほとんど全ての無線通信、そしてラジオやテレビの放送は、固定周波数のチャネルを用いていた。

例えばラジオ受信器の近くのコンピュータ・デバイスからのクロック高調波の非意図的なエミッションが 受信しようとしているラジオのチャネルの意図的なエミッションと一致した時、 それは受信器の敏感な RF 増幅器を容易く圧倒し、受容できる品質の聴取を妨げ得る。

また、連続 RF イミュニティ試験については、 スペクトラム拡散クロックは特定のモードの干渉に対するイミュニティを向上させ得る。

FCC [16] がスペクトラム拡散クロック発振器を用いた最初のコンピュータ・デバイスを試験した時、 それがより良い品質のラジオ放送聴取を可能とすることがわかり、 このためその技術は公式に受け入れられた。 スペクトラム拡散クロックを用いる製造業者は、 EMI 対策への支出を減らしながら、同じエミッション・レベルに適合できるだろう。

だが、現代的なスペクトラム拡散/デジタル/広帯域無線通信においては、 非意図放射器のスペクトラム拡散クロックが 固定周波数のクロックよりも多くの干渉を引き起こすという証拠がある ―― [15] を参照。

干渉源のスペクトラムが拡散していて「被害者」が固定周波数の信号を用いるか、あるいは 被害者の信号スペクトラムが拡散していて干渉源の周波数が固定しているのが最良のようであるが、 双方共が固定もしくは拡散を用いるべきではない。

おそらく、ほとんどの無線通信と放送が固定チャネルの代わりにスペクトラム拡散変調を用いる時、 そして CISPR 16 エミッション試験法がそれらへの干渉の影響を正しく反映するように変更された時、 より低いコストでそのエミッション限度に適合させるために 固定周波数デジタル回路クロックの使用に戻ることが必要となるだろう!

スペクトラム拡散クロックは、全ての種類の信号、 あるいは全ての種類の同期式デジタル IC と共に使用できるわけではないことに注意されたい。

Figure 7
Figure 7: 固定周波数 100MHz コモン Refclk の信号スペクトラム

Figure 8
Figure 8: スペクトラム拡散 100MHz コモン Refclk の信号スペクトラム

PCI Express (PCIe) は、その基準クロック、Refclk として、スペクトラム拡散クロックを使用できる。 100MHz が一般的な Refclk 周波数であるが、他の周波数も用いられる。

PCIe 規格は送信側と受信側の双方のデバイスに ±300ppm よりも良い周波数安定性の Refclk を必要とし、 3つの異なるクロック・アーキテクチャをサポートする: コモン Refclk、セパレート Refclk、及びデータ・クロック Refclk。

コモン Refclk アーキテクチャはスペクトラム拡散クロックを可能とするという利点を持ち、 PCIe デバイスは 30〜33kHz のあいだのスペクトラム拡散変調レートと+0% から -0.5% のダウンスプレッド率を用いた時に 確実な伝送を行なえるように規定されている。

PCIe でのスペクトラム拡散の使用の欠点は、その Refclk を 全ての PCIe デバイスに 12ns 未満のクロック間スキューで分配しなければならないことである。 これは、大きな PCB や、異なる PCB へのコネクタを通る時には困難となり得る [17]。 [18] から取られた Figure 7 と 8 を、 100MHz 固定周波クロックが 32kHz、+0% -0.5% でダウンスプレッドされた時の 基本波と高調波の周波数「スパイク」のレベルの低減を示すために比較できる。 これは 100MHz で動作する PCIe のコモン Refclk のスペクトラムを拡散した時の典型的な結果となろう。

スペクトラム拡散クロックはマイクロプロセッサやその他のデジタル処理からの エミッションの測定値の低減に制限されていない ―― 通常はデジタル回路で可能であるよりもかなり大きい拡散率を使用できる電力変換での その使用が増加している。

デジタル・クロックは、 Figure 6 に示すように ±2% 程度まで拡散 (「ディザ」とも呼ばれる) できるかも知れないが、 同期式デジタル回路に関係するタイミング上の制約のために高い拡散率では機能が信頼できなくなるため、 最も実際的な状況は、ダウンスプレッドと呼ばれる、+0% から -1% 程度までの拡散率を用いる。

だが、パワー・コンバータのスイッチ・レート・クロックは、 機能上の問題を引き起こすことなしに、 しばしば ±10% まで、あるいはそれ以上拡散することができる。 一部のコンバータは、 「伝統的」なスペクトラム拡散クロック・テクニックで可能であるものよりも 完璧なランダムなエミッションを生じさせようとして、 「カオス的」スイッチング制御さえも用いる。

Figure 9
Figure 9: 固定周波数クロックを用いたパワー・コンバータのスペクトラム

Figure 10
Figure 10: スペクトラム拡散クロックを用いた同じパワー・コンバータのスペクトラム

Figure 11
Figure 11: パワー・インバータのノイズ・エミッションの低減の例

[19] は外部同期ピンを持つ DC パワー・コンバータ (例えば MAX1703) の周波数を スペクトラム拡散クロックで制御できるようにする方法を示す。 Figure 9 は、スイッチング周波数と 10MHz 以上まで拡がるその高調波を示す、 約 300kHz でスイッチングする自励式パワー・コンバータの伝導性エミッション・スペクトラムを示す。 ピーク・エミッションはその基本周波数における -39dBm である。

Figure 10 は、全く同じコンバータを、 その外部同期ピンを 300kHz を中心としたスペクトラム拡散発振器に接続したこと以外は 全く同じ条件で動作させた効果を示す。 今度は分離した (スパイク状の) 周波数は見えず、 そのピークは 420kHz 前後の -53dBm となった。

Figure 10 のスペクトラム拡散クロックの使用が、 そのスイッチング・エネルギーがもはや少数の周波数「スパイク」に集中するのではなく 測定された周波数範囲にわたってより均一に拡がっているために、 「ノイズ・フロア」を上昇させていることに気付くことが重要である。

だが、Figure 9 と 10 の測定結果は CISPR 16 尖頭値検波器で行なわれており、 測定が準尖頭値、及び/もしくは平均値検波器で行なわれたならば 少なくともさらに 5dB 低いエミッションを、 例えば Figure 7 の 420kHz のピークが -60dBm 近くの値となることを予期できる。

Figure 11 は、[20] から取られた、 PWM ベースのパワー・インバータでのスペクトラム拡散クロックの使用の例を示す。 2つのグラフの周波数範囲はいずれも 530〜800kHz であり、 これは 17kHz PWM クロックの高調波がより見やすくするように選択された。

まとめ

EMC は EMC 技術者だけのものではない。 賢明なプロジェクト・マネージャは、 それが EMC 適合をより容易に、より低い総コストで、より短い出荷までの時間で、 そしてより低いプロジェクトの財務的リスクで達成することを助けるために適当である場合、 電子設計者がスクランブルとスペクトラム拡散クロック (そして他の多くの良い EMC 工学テクニック) を用いることを確かとする必要がある。

参考

[1] “BOM cost and profitability”, Keith Armstrong, The EMC Journal, Issue 82, May 09, from the archives at http://www.theemcjournal.com.

[2] “The Consumer Electronics Boom”, KPMG, 2008, http://www.kpmg.com/AU/en/IssuesAndInsights/ArticlesPublications/Documents/The-consumer-electronics-boom.pdf

[3] Keith Armstrong の、プロジェクトの全てのレベルでの良い EMC 工学についての EMC Journal の記事。 http://www.compliance-club.com/KeithArmstrong.aspx
和訳: http://t-sato.in.coocan.jp/compliance.html

[4] Textbooks on good EMC engineering by Keith Armstrong and Tim Williams are available from http://www.emcacademy.org/books.asp. Please note that Keith's books are only available from this site, and not from Amazon or other sites or shops. Ignore anything on Amazon or anywhere else that says they are out of print - they are colour-printed on demand and so are always available new.

[5] Keith Armstrong's training courses on proven cost/time-effective good EMC engineering practices for all stages in any type of project, and other EMC or Safety topics, are listed at www.cherryclough.com. They have always received appraisal scores of at least 80% satisfaction from their attendees, all over the world.

[6] “Gigabit Ethernet 1000BASE-T - Focus - Physical Coding Sublayer (PCS), Functional Basics and Overview, Based on: IEEE 802.3ab”, Bob Noseworthy, 1000BASE-T Tutorial Series, IOL Gigabit Ethernet Consortium, 19 November 1998, updated 29 March 2000, https://www.iol.unh.edu/services/testing/ge/knowledgebase/pcs.pdf

[7] “802.3ab - A Tutorial Presentation”, http://grouper.ieee.org/groups/802/3/tutorial/march98/mick_170398.pdf

[8] “An Introduction To TMDS - Understanding DVI-D, HDMI and DisplayPort Signals”, https://www.bicsi.org/pdf/Regions/charlotte_se_4_11/Understanding%20DVI-D,%20HDMI%20and%20Display%20Port%20Signals.pdf

[9] “Gigabit Ethernet over Category 5”, Fanny Mlinarsky, Scope Communications, Inc., 6 Jun 1998, http://www.octoscope.com/English/Collaterals/Articles/octoScope_GbitEthernet_GEC98_19980606.pdf

[10] http://en.wikipedia.org/wiki/Non-return-to-zero

[11] “Effects of Ferrite Core on EMI and Signal Transmission for HDMI”, Yuang-Shung Lee and Hai-Hwa Hu, http://www.egerate.com/articles/Ferrite_Core_HDMI.pdf

[12] “Automotive Ethernet, a holistic approach for a next-generation in-vehicle networking standard”, Peter Hank, Thomas Suermann and Steffen Müller of NXP Semiconductors Germany, August 9, 2012, http://itersnews.com/?p=10541

[13] “PCI Express System Architecture”, by Ravi Budruk, Don Anderson and Tom Shanley, Addison-Wesley Professional, 2004, ISBN-10: 0321156307, ISBN-13: 9780321156303

[14] CISPR 16-1, “Specification for radio disturbance and immunity measurement apparatus and methods - Part 1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus”, from http://webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/artnum/031863. A useful article is “The EMI Receiver according to CISPR 16-1-1” by Dipl -Ing. Dieter Schwarzbeck, from http://www.schwarzbeck.de/appnotes/EMIRcvrCISPR16.pdf

[15] “Possible Effects of Spread-Spectrum-Clock Interference on Wideband Radiocommunication Services”, Manfred Stecher, IEEE, http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=01513472

[16] The Federal Communications Commission in the USA, which first introduced regulations on emissions in 1983, http://www.fcc.gov

[17] Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 1, “Selecting the Optimum PCI Express Clock Source”, www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/PCIe-Clock-Source-Selection.pdf

[18] “PCI Express - Signal Integrity and EMI”, ANTC203, Micrel Inc., http://www.micrel.com/_PDF/HBW/App-Notes/ANTC203.pdf

[19] Maxim-Dallas App Note 3512: “Spread-Spectrum Clock Oscillators Lower EMI”, 29 April 2005, http://www.eetasia.com/ARTICLES/2005JUN/A/2005JUN08_ACC_POW_AN.PDF?SOURCES=DOWNLOAD

[20] “Reduction in Radio Interference Through PWM Frequency Dithering”, L Comstock, H Rakouth, J Ruiz, IEEE International EMC Symposium, Portland, Aug 14-18 2006, ISBN: 1-4244-0294-8


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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: 2014-02-15