EMC設計：CE/FCCテストを初めて受験して合格する方法
EMCのプリコンプライアンス・テスト、低エミッションを実現するためのPCBレイアウト、テストハウスで最初に試みた故障の原因となる一般的な故障モードに関する実践的なガイドです。
ほとんどの製品が最初の試みで EMC に不合格になる理由
製品の約 50 ～ 70% は、初回提出時に EMC テストに不合格です。そのコストは非常に大きく、ラボでは1日あたり「MATHINLINE_1」5,000回かかり、テストが失敗するとPCBの再設計、プロトタイプの再構築、再予約が必要になります。しかし、ほとんどの不具合は、適切なプリコンプライアンス習慣があれば防ぐことができます。
このガイドでは、テストハウスに足を踏み入れる前に、最も一般的な障害モードとその修正方法について説明します。
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標準を理解する
CE マーキング (ヨーロッパ)
CEマーキングの場合、電子製品は電磁適合性指令 (2014/30/EU) に準拠している必要があります。ほとんどの製品について、次の項目についてテストします。
-CISPR 32 (EN 55022 に代わるマルチメディア機器) -CISPR 25 (車両コンポーネント) -EN 61000-4-x (イミュニティテスト)
FCC パート 15 (米国)
パート15Bは、意図しないラジエーター、つまりクロック周波数が9 kHzを超えるすべてのラジエーターを対象としています。クラス A は商用/産業用、クラス B は住宅用です。主な制限事項
| 標準 | テスト | リミット (クラス B) | 距離 |
|---|---|---|---|
| CISPR 32 | 放射型 | 30 dBμV/m (30—230 MHz) | 3 m |
| CISPR 32 | 伝導型 | 66—56 dBμV (0.15—30 MHz) | — |
| FCC 15B | 放射型 | 100 μV/m (30—88 MHz) | 3 m |
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EMIの物理学：PCBが放射する理由
PCB上のすべての電流ループは小さなアンテナです。小さなループから放射される電界は次のようになります。
「MATHBLOCK_0」
ここで、「MATHINLINE_2」は周波数、「MATHINLINE_3」はループ面積、「MATHINLINE_4」は電流、「MATHINLINE_5」は受信機までの距離です。
この式から、次の 3 つの設計レバーが浮かび上がります。
1.ループ面積の削減 — リターンパスをシグナルパスの近くに保つ 2.周波数成分を減らす — 低速エッジを使用し、RC スナバを追加してください 3.電流を減らす — 直列終端を使用し、駆動強度を下げます
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初回試行失敗の上位 5 つの原因
1.電源スイッチングノイズ
バックコンバータとブーストコンバータは、スイッチング周波数と高調波で大量の伝導および放射放射放射を生成します。200kHzのスイッチャーは、600kHz、800kHz、1MHzでかなりのエネルギーを生成できます。
修正: 電源入力点にコモンモードチョーク+ X/Yコンデンサを追加してください。[コモン・モード・チョーク・カリキュレータ] (/calculators/emc/コモン・モード・チョーク) を使用してサイズを調整してください。問題の周波数で 40 dB の減衰を目標とします。2.水晶/クロック・オシレータの高調波
48 MHzの水晶では、96、144、192 MHzの高調波が発生しますが、これらはすべてCISPRテスト帯域内にあります。放射性エミッション障害の最も一般的な原因は高速デジタルクロックです。
修正: -MCU がサポートしている場合はスペクトラム拡散クロッキング (SSC) を使用してください。通常、ピークエミッションは 10 ～ 15 dB 削減されます。 -クロックラインにフェライトビーズを追加 -発振器をシールドするか、上下にグランドを流し込んで内層にかける3。SMPSからのディファレンシャルモード伝導エミッション
コンバータの入出力のスイッチングリップルは、差動モード伝導エミッションを生成します。
修正: LC フィルターを追加してください。[伝導エミッションフィルター計算ツール] (/calculators/emc/伝導エミッションフィルター) を使用して設計してください。バルク容量をコンバータの近くに置き、接地接続が短くなっていることを確認します。4.グランドプレーンの設計が不十分
グラウンド・プレーンが遮断されると、リターン電流は長い高インダクタンスの経路を流れることになります。高周波数では、グランド・インピーダンスが高くなり、ノイズが外部ケーブルに結合してしまいます。
修正: レイヤー2 (コンポーネントレイヤーのすぐ下) には連続したグランドプレーンを使用してください。信号トレースをグランドレイヤーに配線しないでください。AC グランド・インピーダンスを理解するには、[グランド・プレーン・インピーダンス・カリキュレータ] (/calculators/emc/グラウンド・プレーン・インピーダンス) を使用してください。5.アンテナとして機能するケーブル
USB、HDMI、電源などの外部ケーブルはボードに接続され、ボードから発生するノイズのアンテナになります。30 cm のケーブルは 500 MHz 付近で共振します。
修正: すべての外部コネクタにコモンモードチョークを追加してください。信号線をフィルタリングしてください。ケーブルシールド終端が低インピーダンスであることを確認します (ピグテールではなくコネクタで360°シールド終端を行う)。---
プリコンプライアンステスト
最終的なプロトタイプが完成するまで待たないでください。各段階でプリコンプライアンス・テストを行います。
ステージ 1 — 回路図レビュー -チェック:電源入力に EMI フィルタが付いていますか? -チェック:高速クロックは I/O コネクタから離れていますか? -チェック:グランドプレーンはありますか? ステージ 2 — PCB レイアウトレビュー -チェック:SMPSスイッチングノード (インダクタ、MOSFET、キャッチダイオード) のループ領域 -チェック:デカップリングコンデンサの配置 (IC 電源ピンから 1 mm 以内) -チェック:すべての高速トレースにおけるリターンパスの連続性 ステージ 3 — 最初のプロトタイプ 低コストの近接場プローブセット (約50ドル) を購入し、ボードをスキャンしてください。 -スイッチングノード付近のHフィールドプローブは磁場のホットスポットを示す -ICとコネクタの近くにある電界プローブは電界結合を示す[EMIマージン・バジェット・カリキュレータ] (/calculators/emc/emc/EMC-EMI-マージン・バジェット) を使用して、12 dBのマージンを予測してください。測定の不確かさには6 dB、生産変動には6 dB。
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最後の手段としてのシールド
シールドは最後の手段であって、防御の最前線であってはなりません。金属製の筐体では40～80 dBのシールド効果が得られますが、それは以下の場合に限られます。
1.最高周波数では、すべての継ぎ目のギャップが λ/20 より小さくなります。 2.ケーブルは入力ポイントでフィルタリングされます。 3.シールドには低インピーダンスの接地が施されています。
スロットサイズがシールドにどのように影響するかを理解するには、[シールド効果計算ツール] (/calculators/emc/シールド効果) を使用してください。10 cm のスロットでは、1 GHz でのシールドが約 30 dB に制限されます。
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ESDとイミュニティ
CE テストにはイミュニティテストが含まれます。IEC 61000-4-2 (ESD) は、多くの場合、最も合格が難しいテストです。
-レベル 4: ±8 kV 接触、±15 kV の空気放電 -ヒューマンボディモデル:1.5 kΩ で放電した 100 pF
修正: すべての外部ポートに TVS または ESD クランプダイオードを追加してください。クランプ電圧が電源レールの2倍以下のESDダイオードを選択してください。---
概要チェックリスト
-[] 電源入力の EMI フィルタ (コモンモードチョーク+ X/Y キャップ) -[] レイヤ2の連続グランドプレーン -[] 各 IC 電源ピンから 1 mm 以内のデカップリングキャップ -[] スペクトラム拡散クロックが有効 -[] 各外部インターフェースのフェライトビーズ -[] すべての I/O ピンの ESD 保護 -[] 最終送信前にプローブをセットした状態での近接場スキャン -[] プリコンプライアンス測定のマージンは12 dB