EMI フィルタの設計:CISPR 準拠のための LC フィルタの計算

伝導エミッション問題

これで、ベンチで問題なく動作するスイッチモード電源が完成しました。完全に制御され、効率は素晴らしく、熱性能も安定しています。それをEMCの研究室に持ち込むと、300 kHzで伝導エミッションが 15 dB 低下します。クラブへようこそ。

伝導性エミッションとは、製品がAC主電源またはDC電源ラインに押し戻すノイズ電流です。すべてのスイッチングコンバータ、モータードライバー、LED ドライバー、およびデジタル回路は高周波ノイズを生成し、それが電源コードを通って戻り、同じグリッド上の他の機器に干渉する可能性があります。これが、地球上のすべての国が伝導性エミッションを規制している理由であり、EMIフィルタの設計がパワーエレクトロニクスのエンジニアにとって重要なスキルである理由です。

幸いなことに、物理を理解すれば、LC フィルタは伝導性エミッションの抑制に非常に効果的です。悪いニュースは、部品の値とトポロジーを正しく設定するには、ほとんどのエンジニアが考えるよりも多くのことを考える必要があるということです。EMI フィルタ LC カリキュレータ を使用すると、概念を理解しながらフィルタ設計をすばやく反復できます。

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CISPR の制限について

CISPR 32（CISPR 22 に代わるもの）では、150 kHz から 30 MHz までの伝導エミッション制限が定義されています。制限クラスには次の 2 つがあります。

周波数が高くなるにつれて限界値は下がり、150 kHz と 500 kHz の間では約 13 dB 下がり、500 kHz から 5 MHz までは比較的横ばいになり、5 MHz から 30 MHz へとさらに 10 dB 減少します。

痛いのはクラス B です。消費者向け製品、IT機器など、住宅環境で使用されるものはすべて、クラスBを満たす必要があります。クラスBは、全体的にクラスAより13dB厳しいクラスです。多くのエンジニアは、工業製品であってもクラスBに合わせて設計します。クラスBマークを取得すると、より多くの市場が開かれるからです。

FCC パート 15 サブパート B にも同様の制限がありますが、CISPR 22 の方法論が採用されています。CISPR 32 クラス B に合格すれば、ほぼ確実に FCC に合格することになります。

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差動モードノイズとコモンモードノイズ

これは EMI フィルタ設計において最も重要な概念であり、フィルタが期待どおりに機能しない最大の理由は、この概念を間違えることです。

ディファレンシャルモード (DM) ノイズは、ライン導体と中性線上では反対方向に流れます。これは、スイッチングコンバータ自体に流れる脈動電流が原因です。バックコンバータのチョッピング電流が 500 kHz になると、500 kHz、1 MHz、1.5 MHz などで強い DM 高調波が発生します。 コモンモード (CM) ノイズは、ラインとニュートラルの両方で同じ方向に流れ、接地を通って戻ります。これは、スイッチングノードからシャーシのグランドまでの寄生容量（ヒートシンクとMOSFETの容量、トランスの巻線間容量、PCBの寄生結合）が原因で発生します。

重要な知見：1MHz以下ではDMノイズが優勢で、2MHz以上ではCMノイズが優勢です。 この一般化は、ほとんどのスイッチモードコンバータに当てはまり、各周波数でフィルタリングのどの部分に力を入れるべきかがわかります。

スプリットの測定:各ラインにLISN (ライン・インピーダンス安定化ネットワーク) を使用し、$V_{DM} = (V_L - V_N)/2$と$V_{CM} = (V_L + V_N)/2$を計算します。一部のEMCレシーバには、これを自動的に行うCM/DM識別ネットワークが搭載されています。

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LC フィルターの基礎

基本的な LC ローパスフィルターでは、カットオフ周波数より 40 dB/10 ディケードの減衰が得られます。これはオクターブあたり12 dB、つまりカットオフ値を 10 年超えるごとに約 40 dB の減衰量になります。カットオフ周波数は次のとおりです。

シングルステージLCフィルタの場合、カットオフをはるかに超える周波数$f$での挿入損失はおよそ次のようになります。設計手順:

1.フィルタリングされていない伝導エミッションの測定 (または推定) 2.該当する制限値と比較してください。 3.ワーストケースの周波数で必要な減衰量を求める 4.6～10 dB のマージンを追加 (コンポーネントは劣化し、寄生成分がパフォーマンスを下回る) 5.$f_c$を選択して、必要な減衰量を行ってください。 6.L値とC値を選択すると、$f_c$に該当します。

実際に動作した例

お使いの 100 kHz バックコンバータは、LISN 上で 300 kHz で 85 dB$\mu$V と表示されています。CISPR 32 クラス B の 300 kHz における準ピークリミットは約 60 dB$\mu$V で、必要なものは次のとおりです。

ノイズは 300 kHz で、スイッチング周波数は 100 kHz なので、フィルタのカットオフは 300 kHz をはるかに下回る値にする必要があります。300 kHz で 31 dB の場合:そのため、カットオフが約50 kHzのLCフィルターが必要です。$C = 1\,\mu$F (標準の X2 安全コンデンサ値) を選択してみましょう。10 mHのコモンモードチョークまたは差動モードインダクタを 1$\mu$F コンデンサと組み合わせると、必要なフィルタリングが可能になります。これを EMI フィルタ LC カリキュレータ で確認してください。

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EMI フィルタの部品選択

インダクタ

コモンモードチョークは、同じコアにラインとニュートラルの両方で巻かれ、巻線が反対になっています。通常の負荷電流 (差動モード) はコアで相殺されるので、インダクタは負荷がかかっても飽和しません。インダクタンスが完全に伝わるのはコモンモード電流だけです。標準値は、メイン・フィルタでは1～47mHです。コア材料:ナノ結晶 (最高のブロードバンド性能)、MnZn フェライト (1 MHz まで)、NiZn フェライト (1 MHz 以上で良好)。 差動モードインダクタ は、飽和することなく全負荷電流を流す必要があります。これにより、特定のコアサイズのインダクタンス値が制限されます。標準値:10-1000$\mu$H 粉末鉄心は飽和特性が柔らかいため一般的です。

実際上の落とし穴は、インダクタのインピーダンスには自己共振周波数 (SRF) があり、それを超えると部品が容量性になり、フィルタリングが停止するという点です。SRF が気になる最大周波数を超えていることを常に確認してください。

コンデンサ

X個のコンデンサはラインとニュートラルの間 (主電源の両方) にあります。これらは差動モードノイズを抑制します。電圧とサージの要件に応じて、安全定格X1、X2、またはX3。標準値:100 nF～2.2$\mu$F。消費者向け製品の最も一般的な定格は X2 です。 Yコンデンサはラインまたはニュートラルからアースグランドに接続されます。コモンモードノイズを抑制します。安全定格Y1、Y2、Y3、Y4 — 数字はインパルス電圧耐性を示します。Y2は家庭用電化製品によく使われています。漏れ電流制限により、Y コンデンサの値は医療機器では約 4.7 nF、商用製品では約 10 ～ 47 nF に制限されます。これらの値を超えると、タッチ電流 (漏れ) の安全性テストに失敗するリスクがあります。

完全なEMC戦略においてシールドがフィルタリングをどのように補完するかについての詳細な分析については、ケーブル・シールド効果計算ツール を参照してください。

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マルチステージ・フィルタ・トポロジ

シングルステージLCフィルタは40dB/ディケードが得られます。もっと必要ですか？80 dB/ディケードのステージをもう1つ追加してください。

AC電源 EMI フィルタの一般的なトポロジー (最もシンプルなものから最も効果的なものまで):

1.C のみ — X コンデンサと Y コンデンサのみ。クイックフィックス、減衰量制限。10-15デシベルに適しています。 2.LC (pi セクション) — 1 個のインダクタ+コンデンサ主力トポロジー。30 ～ 50 デシベルに適しています。 3.CLC (Pi-LC) — コンデンサ-インダクタ-コンデンサ。サイズをあまり大きくすることなく、さらに 20 dB を追加します。 4.LCLC (2ステージ) — インダクタコンデンサ2段。80 dB/ディケードロールオフ。大幅な減衰が必要な場合に使用します。

段を追加するたびに部品コストと基板スペースが増えますが、高周波減衰量は大幅に増加します。ほとんどの製品では、コモンモードチョーク、X コンデンサ、Y コンデンサを備えた、適切に設計されたシングルステージフィルタで十分です。

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フィルターの成否を分ける実用的なレイアウトのヒント

入力と出力を分離しておいてください。 最も一般的なフィルターレイアウトの間違いは、フィルター処理されていない入力トレースを、フィルター処理された出力トレースの近くに配置することです。これらの間の容量結合と誘導結合は、フィルターを完全にバイパスし、20 dB 以上の性能を損なう可能性があります。 接地Yコンデンサを低インピーダンスの接地点に Yコンデンサからシャーシの接地までの配線が長くなると、インダクタンスが増加し、高周波数でのコモンモードフィルタリングが減少します。短く幅の広いトレースは、シャーシの接地ネジまたはスプリングクリップに直接接続してください。 フィルターを電源の入力ポイントに置きます。 フィルターは、放射される可能性のある PCB トレースより前に、主電源接続から最初に見えるはずです。多くの製品では、パワーエントリモジュール自体にフィルタが取り付けられています。 フィルタの下にはグランドプレーンを使用してください。 EMI フィルタがメイン PCB 上にある場合、その下にしっかりしたグランドプレーンがあると、寄生結合が減少し、コモンモード電流のリターンパスになります。 伝導エミッションフィルターデザイナー は、多段フィルターをモデル化し、コンポーネントの値がCISPR周波数範囲全体にわたって必要な減衰をもたらすことを確認するのに役立ちます。

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まとめ

伝導エミッション規制に適合する効果的な EMI フィルタを設計するには、論理的なプロセスが必要です。

1。DM ノイズと CM ノイズが分かれています — 必要なフィルタコンポーネントとトポロジーは異なります 2.測定した排出量から制限値を引いた値に 6～10 dB のマージンを加えた値から、必要な減衰量を計算します 3.**$f_c = 1/(2\pi\sqrt{LC})$を使用してカットオフ周波数**を設定して、ワーストケースの周波数で必要な減衰量が得られるようにします 4.安全定格部品を選択 — DM用Xコンデンサ、CM用Yコンデンサ、CMインダクタンス用コモンモードチョーク 5.寄生成分には注意してください — コンデンサのESR、インダクタ SRF、PCB レイアウトのカップリングはすべて、実際のフィルタ性能を低下させます

紙の上で機能するフィルタと実験室で機能するフィルタの違いは、ほとんどの場合、レイアウトと部品の寄生成分にあります。まず計算から始めて、EMI フィルタ LC 計算機 で検証してから、適切な高周波測定技術を使用してハードウェア上で検証してください。