EMI対策－EMI・EMC・EMSとは？ノイズ対策フィルタと回路の低ノイズ化

前回までは、主要部品の選定、定数計算の説明をしてきました。今回は、EMIを低減するための対策を示します。

電磁干渉（EMI）は、電子機器の性能や信頼性に影響を及ぼす可能性があります。
この記事では、EMIの基本的な概念、伝導ノイズと放射ノイズの理解、そしてそれらに対する対策方法について詳しく解説します。

また、電磁感受性（EMS）と電磁両立性（EMC）についても触れ、EMI対策の全体像を把握するための情報を提供します。

EMI対策の基本

EMI対策の主旨は、他の回路に影響を及ぼすノイズを出さないようにすることです。ノイズを発するポイントは、大きな電流がスイッチするノードやラインです。基本的な対策は、インピーダンスの整合やバイパス/フィルタの役目をするコンデンサや抵抗/コンデンサ回路を追加することです。具体的な対策としては、入力部にフィルタを追加する、内蔵MOSFETのドレイン－ソース間にコンデンサを追加する、出力整流ダイオードにRCスナバを追加する、出力にLCフィルタを追加するなどがあります。

EMIは、電波や高周波の電磁波がノイズとして電子機器に影響を与える現象です。伝導ノイズと放射ノイズの2つの主要な種類があります。伝導ノイズはケーブルや基板配線を経由して伝わるノイズで、ディファレンシャルモードノイズとコモンモードノイズに分類されます。一方、放射ノイズは空中に放出されるノイズです。

EMIとEMCの違い

EMIは電磁波が電子機器に影響を与える現象を指しますが、EMC（Electro Magnetic Compatibility）はこれに対する耐性を含む概念です。具体的には、EMCはEMI（電磁妨害）とEMS（電磁感受性）の両方を含みます。これは、機器が他の機器に影響を与えない（EMI）だけでなく、他の機器からの影響を受けない（EMS）ことを意味します。

・EMI（Electro Magnetic Interference）：電磁妨害（電磁干渉、電磁障害）

　－伝導ノイズ：ケーブルや基板配線を経由して伝わるノイズ
　> ディファレンシャル（ノーマルモード）モードノイズ：
　　電源ライン間で発生し電流と同じ方向に流れるノイズ
　> コモンモードノイズ：金属ケースなどを経由し浮遊容量などを通り信号源に戻ってくるノイズ
　－放射ノイズ：空中に放出されるノイズ

・EMS（Electro Magnetic Susceptibility）：電磁感受性

電磁波による妨害、干渉（EMI：伝導ノイズおよび放射ノイズ）を受けても障害を起こさない能力、耐性。

・EMC（Electro Magnetic Compatibility）：電磁両立性（電磁適合性）

EMI＋EMS。エミッション（Emission：放出）対策とイミュニティ（Immunity：耐性）の両立、その対策。
EMIとして、経路の観点から伝導ノイズと放射ノイズがあり、伝導ノイズには伝わり方からディファレンシャルノイズとコモンモードノイズの分類があります。

電磁波の基本

電磁波の基本的な性質

電磁波は、電場と磁場が直交する形で伝播する波です。これらの波は、電子機器の動作に影響を与える可能性があります。
特に、高周波の電磁波は電子機器の動作にノイズとして影響を与える可能性があります。

電磁波の放射と伝導の説明

電磁波は、放射と伝導の2つの形で伝播します。放射ノイズは空中に放出され、伝導ノイズはケーブルや基板配線を経由して伝わります。伝導ノイズには、ディファレンシャルノイズとコモンモードノイズの2つのタイプがあります。ディファレンシャルノイズは電源ライン間で発生し、電流と同じ方向に流れます。一方、コモンモードノイズは金属ケースなどを経由し、浮遊容量などを通り信号源に戻ってくるノイズです

EMI対策

ノイズ問題の解決策

ノイズそのものを測定するか、少なくても機器に対するノイズの影響を確認する必要があります。正確なノイズの測定は測定環境や装置が必要になります。定量的な測定ができない場合は、機器としてのS/Nなど、性能面から影響の有無程度は把握できる場合があります。

EMI対策の一般的な方法

EMI対策の主旨は、他の回路に影響を及ぼすノイズを出さないようにすることです。ノイズを発するポイントは、大きな電流がスイッチするノードやラインです。対策は、基本的にインピーダンスの整合やバイパス/フィルタの役目をするコンデンサや抵抗/コンデンサ回路を追加することです。

EMI対策に関連する部品（フィルタなど）

EMI対策には、フィルタやコンデンサなどの部品が使用されます。例えば、入力部にフィルタを追加することで、ノイズを低減することが可能です。また、内蔵MOSFETのドレイン－ソース間にコンデンサを追加することで、高速スイッチングに起因するオフ時のサージを低減します。

EMI対策の設計方法

ノイズの発生は基板レイアウト、部品配置、部品性能などにも関係します。場合によっては、LCフィルタは簡単なL型からπ型やT型に拡張したり、回路基板にシールドを設けたりすることが必要になるかもしれません。また、機器の仕様によっては、例えば国際無線障害特別委員会（CISPR）規格などのノイズ規格に適合しなければなりません。規格準拠が必要な場合には、設計当初からそれを念頭に置くことが非常に重要になります。具体的な設計方法としては、以下のような手法があります。

• 1.入力部にフィルタ追加：入力電圧はリップルをもった高電圧で、それを内蔵MOSFETが高速にオンオフするので、入力部フィルタを追加することで、ノイズを低減することが可能です。
• 2.内蔵MOSFETのドレイン－ソース間にコンデンサを追加：高速スイッチングに起因するオフ時のサージを低減します。ただし、損失が増加するので温度上昇に注意する必要があります。
• 3.出力整流ダイオードD4にRCスナバを追加：これは、オン/オフ時に発生するスパイクを低減します。定数は参考値なので、実際のノイズを確認して調整する必要があります。
• 4.出力にLCフィルタを追加：出力電圧にはスイッチング周波数に依存したリップルがあり、その他にも高調波やインダクタンスや容量に起因したノイズが存在します。これらのノイズが問題になる場合には、出力にLCフィルタを追加するのが効果的です。

EMI対策の具体例

用語の説明にあったように、EMIは他の回路に影響を及ぼすものなので、ノイズを出さないようにするのかこの対策の主旨になります。ノイズを発するポイントは、大きな電流がスイッチするノードやラインです。対策は、基本的にインピーダンスの整合やバイパス/フィルタの役目をするコンデンサや抵抗/コンデンサ回路を追加します。あらためて、回路全体を示しますので、対策ポイントを確認してください。

・入力部にフィルタ追加

入力電圧はリップルをもった高電圧で、それを内蔵MOSFETが高速にオンオフするので、入力部フィルタを追加することで、ノイズを低減することが可能です。

・内蔵MOSFETのドレイン－ソース間にコンデンサを追加

回路図のC8になります。静電容量47～100pF程度、耐圧は500V以上が必要です。これは、高速スイッチングに起因するオフ時のサージを低減します。また、スナバの一種です。ただし、損失が増加するので温度上昇に注意する必要があります。

・出力整流ダイオードD4にRCスナバを追加

C9：500V/1000pF、 R10：10Ω/1W程度をD4に並列に追加します。これは、オン/オフ時に発生するスパイクを低減します。入力スナバと同じ考え方になります。定数は参考値なので、実際のノイズを確認して調整する必要があります。

・出力にLCフィルタを追加

下の回路図は、出力にLCフィルタを追加した例です。（L2は10μH、C10は10μF～100μF程度）
出力電圧にはスイッチング周波数に依存したリップルがあり、その他にも高調波やインダクタンスや容量に起因したノイズが存在します。これらのノイズが問題になる場合には、出力にLCフィルタを追加するのが効果的です。

これらが主要なノイズ対策となります。いずれにしても、ノイズそのものを測定するか、少なくても機器に対するノイズの影響を確認する必要があります。正確なノイズの測定は測定環境や装置が必要になります。こういった定量的な測定ができない場合は、機器としてのS/Nなど、性能面から影響の有無程度は把握できる場合があります。

ここで提示した対策は、電源回路構成上のノイズ対策です。ノイズの発生は基板レイアウト、部品配置、部品性能などにも関係します。場合によっては、LCフィルタは簡単なL型からπ型やT型に拡張したり、回路基板にシールドを設けたりすることが必要になるかもしれません。

また、機器の仕様によっては、例えば国際無線障害特別委員会（CISPR）規格などのノイズ規格に適合しなければなりません。規格準拠が必要な場合には、設計当初からそれを念頭に置くことが非常に重要になります。