FCC試験前の放射エミッションの予測：PCBエンジニアのチュートリアル

プリコンプライアンススキャンだけでは不十分

お使いの Raspberry Pi サイズの SBC には、100 MHz のプロセッサクロック、スイッチングレギュレータとバルクコンデンサの間に 2 cm² の電源ループ、ホストインターフェイス用の 0.5 m USB ケーブルが搭載されています。PCB レビュー担当者は、設計レビュー中に両方にフラグを付けました。プリコンプライアンス・スキャンにより懸念事項が確認されました。300 MHz、500 MHz、700 MHzの高調波は、3メートルでFCCパート15のクラスB制限値から6 dB以内に収まるということです。

予定されている FCC テストまであと 4 週間です。新しいボードを回転させるには 3 回かかります。どの変更が問題を解決するのか、どの変更が無駄な労力なのかを正確に把握する必要があります。

EMI放射エミッション推定器は、ディファレンシャルモード (DM) ループ放射とコモンモード (CM) ケーブル放射の両方をモデル化し、台形クロックのスペクトルエンベロープを適用し、測定の不確かさをモンテカルロ法で計算して、FCC制限に対する収率値を求めます。これこそがあなたが必要とする分析です。

2 つの放射線メカニズムを理解する

デジタルPCBからの放射は、物理的に異なる2つのメカニズムから発生し、一方を修正しても他方には何の効果もありません。

差動モード放射は、PCB 上の閉じたループ (通常はスイッチングレギュレータの電源ループ、デカップリングコンデンサのリターンパス、またはリターンとペアになった高速信号トレース) を循環する電流から発生します。小さなループからの電界は、近傍界では「MATHINLINE_1」として減衰しますが、遠方界では「MATHINLINE_2」に遷移します。FCC は 3 m で測定し、約 16 MHz を超える周波数では遠方界にしっかりと収まります。

「MATHINLINE_3」の距離にある小さなDMループから生じる電界は、おおよその値は次のようになります。

「MATHBLOCK_0」

ここで、「MATHINLINE_4」は Hz、「MATHINLINE_5」はアンペア単位のループ電流、「MATHINLINE_6」はm²単位のループ面積です。

コモンモード放射は、ケーブル上の同じ方向に流れる電流 (差動リターンなし) から発生します。ケーブルの長さが 0.5 m のケーブルにマイクロアンペアの CM 電流が流れても、ケーブル長が λ/4 に近づく周波数では効率的なアンテナになります。0.5 m のケーブルは 150 MHz 付近で共振します。これは 100 MHz のクロック高調波の範囲とまったく同じです。

ベースライン分析:問題設計

EMI 放射エミッション推定器に以下を入力します。

このツールは、立ち上がり時間が 1 ns の 100 MHz クロックのスペクトルエンベロープを生成します。台形波形のスペクトルエンベロープは、「MATHINLINE_7」（立ち上がり時間が 1 ns の場合）より約 318 MHz の 20 dB/decade でロールオフします。そのコーナー周波数より低い場合、奇数高調波 (100、300、500、700 MHz...) は比較的平坦なエンベロープに入ります。それを超えると、高調波は急速に低下します。

ベースライン入力により、ツールは次のことを報告します。

-300 MHz (第3高調波): DM 推定値 42 dBµV/m、CM 推定 48 dBµV/m、FCC クラス B 制限 40 dBµV/m。CM は制限を 8 dB 超えています。 -500 MHz (5次高調波): DM推定値は35dBµV/m、CM推定値は44dBµV/m、FCC制限は47dBµV/m。CMは3dB下回っていますが、95パーセンタイルのモンテカルロ法の結果は限界を上回っています。 -700 MHz (第7高調波): どちらのソースも 47 dBµV/m という制限値を下回っています。

300 MHz 以上では、CM ケーブルの電流が主な問題です。これはプリコンプライアンス・スキャンのパターンと完全に一致します。

高周波数では USB ケーブルが優勢な理由

100 MHz では、0.5 m のケーブルは λ/6 になります。効率的ではありません。300 MHz では、λ/2、つまり半波長ダイポールになります。放射効率はピークに達します。500 MHz ではケーブルは全波になり、効率はわずかに低下しますが、5 µA CM の電流でも限界値に近づくには十分です。

2cm²のDMループは無視できないほどではありませんが、場の方程式の「MATHINLINE_8」依存性はそれに反します。低高調波では強く寄与しますが、面積が小さいため制限されます。CMアンテナとして機能するケーブルには、同じ面積の制限はありません。ダイポールとして放射されるため、スケーリングがはるかに良好です。

これが、デカップリング・コンデンサを追加するだけではこの問題を解決できない理由です。デカップリングによって DM ループ電流が減少します。USB ケーブルの CM 電流は、ボードの同相ノイズ電圧とケーブルシールドまたはグランドリファレンスとの寄生結合によって発生します。USB ラインには CM チョークが必要です。

解決策:3 つの対象を絞った変更

提案されている設計変更を反映するようにツール入力を更新します。

100,000回のモンテカルロ試験を行って再実行してください。結果:

-300 MHz: DM 33 dBµV/m、CM 28 dBµV/m、95 パーセンタイル 36 dBµV/m 対 40 dBµV/m 上限。4 dB マージン。 -500 MHz: DM 22 dBµV/m、CM 24 dBµV/m、95 パーセンタイル 30 dBµV/m 対 47 dBµV/m 上限。17 dB マージン。 -700 MHz: どちらのソースも制限値を大きく下回っています。

収率（全高調波にわたってFCCの限界値を下回るMCトライアルの割合）は 34% から 98% に上昇しました。

実装に関する注意事項

**パワーループを2cm²から0.5cm²に狭めるということは、スイッチングレギュレータのバルク入力コンデンサをV_inピンとGNDピンのできるだけ近くに移動し、リターンパスを短く広くすることを意味します。ループ面積を4倍に減らすと、DM電界強度は16倍ではなく4倍（線形、12dB）減少します。面積はフィールド方程式では二乗ではなく直線的に現れます。

CMチョークは、ケーブル側ではなく、PCB側のコネクタに近いUSBラインに取り付ける必要があります。100MHzで90ΩのCMインピーダンスがあれば十分です。TDK ACM2012やWurth 742792090のような部品が一般的な選択肢です。このシナリオでは、1 つの部品を直列に挿入することで CM 電流が 14 dB 減少します。 立ち上がり時間を1 nsから5 nsに遅くすると、スペクトルのロールオフコーナーが 318 MHz から 64 MHz に下がります。300 MHz の高調波は、以前はスペクトルの平坦な部分でしたが、現在は -20 dB/decade のスロープにあり、約 14 dB だけ減衰されます。クロックネットに22Ωの直列抵抗があっても、BOMや基板面積では何のコストもかかりません。

3つの変更はすべて、PCBのレイアウトを変更し、部品を1つ追加するだけで実現できます。プロセッサー・セクションのハードウェア・リスピンは必要ありません。

[EMI 放射エミッション推定ツール] (/tools/電磁放射)