FCC 試験前の放射エミッションの予測

プリコンプライアンススキャンだけでは不十分

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そのバルクコンデンサ間の2 cm² パワーループ、およびホストインターフェイス用の0.5mのUSBケーブルが搭載されています。プリコンプライアンス・スキャンでは、300 MHz 以上の高調波を FCC パート 15 クラス B の制限値 3 m 以上で検出します。

予定されているFCCテストまであと4週間、新しいボードには3週間かかります。どの変更が問題を解決し、どの変更が無駄な労力であるかを知る必要があります。

コンプライアンス前のスキャンでは、原因ではなく問題があることがわかります。電源ループなのか、それともUSBケーブルがアンテナの役割を果たしているのか。知らないチームがあちこちにフェライトを追加し、すべてのループを締め、すべてのエッジを遅くします。これはうまくいきますが、時間と費用がかかり、その半分は何もしません。

EMI 放射エミッション Estimatorは、差動モード (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、台形時計の高調波を使って DM ループを駆動し、正確にはわからない部分に対してモンテカルロを計算します。これが原因と偶然を区別する分析です。

# 2 つの放射メカニズムの理解

差動モード放射は、ボード上の閉ループ（レギュレータの電源ループ、デカップリングリターンパス、ファストトレースとそのリターン）を循環する電流から発生します。スモールループアンテナのように動作します。遠方界 (3 m、約 16 MHz 以上) では、ポールの自由空間式は次のようになります。

Hzの $f$、Aのループ電流の $I$、Aにループ電流の $A$、 m² のループ面積を $A$、mの $r$ とすると、フィールドは周波数の二乗とともに面積とともに直線的に上昇します。面積が半分になると、6 dB増加します。

コモンモード放射は、ケーブルのすべての導体に同じ方向に流れる電流から発生し、近くにリターンはありません。短いケーブルはモノポールとして放射します。

数マイクロアンペアで十分です。CM放射では、基板がどれだけ慎重に配線されているかは関係ありません。ケーブルはアンテナです。

クロックスペクトル。 ピーク電流 $I$、デューティサイクル $D$、立ち上がり時間 $t_r$ の台形クロックには、片側振幅の高調波があります

デューティが 50% になると、偶数の高調波が消えます。1nsのエッジで $1/(\pi t_r)$ — 318MHzを超えると、エンベロープは矩形波の $1/n$ を上回って20dB/ディケードになります。

ベースライン分析:問題設計

このツールは、各高調波のDM、CM、および制限値に対する合計フィールドを一覧表示します。合計は、次の 2 つの二乗和平方根です。 フィールドはdBµV/m単位で、3mにおけるFCCクラスBの上限は40dBµV/m～88MHz、43.5～216MHz、46～960MHz、54m以上です。

CMはすべての高調波を支配しますが、高周波ではますますその傾向が高まっています。これは、ツールが指定されたCM電流をスペクトル全体で一定に保ち、CMフィールドが周波数とともに直線的に増加するためです。これは控えめな仮定であり、できれば最悪の高調波付近でCM電流を測定または推定しますが、結論はそれに依存しません。ケーブルに問題があるのです。

どの修正が重要か

1つずつ変更して、モンテカルロの最悪のp95マージン、つまりツールの全体的な評価を見てみましょう。

パワーループを締めるとDMフィールドが12 dB減少し、エッジを遅くすると300 MHzで9dB減少します。ケーブルが優勢な間は、どちらも判定を左右しません。これは昔ながらの無駄な一週間です。美しく引き締まったレイアウトが、以前とまったく同じように機能しません。

対処法:最初にチョークし、次に残りをチョークする

3つの変更をすべて適用してください。0.5 cm² ループ、1µAのCM電流、2.5nsのエッジ：

これで、すべての高調波が名目どおりに通過するようになりました。モンテカルロ法はこれに同意しません。p95の最悪のマージンは依然として、954 MHzに近い−5.3 dBです。

モンテカルロ法は、電流の大きさ (対数正規値、±6 dB)、アンテナに対するケーブルの向き、およびグランドプレーンの有効性を変化させます。公称値で 0.5 dB 通過する設計には、その余地はありません。テストハウスは中央値単位を最適な方向で測定しません。

実際にどれくらいのCM拒否が必要ですか?

5µA～0.3µAとすると、重要な周波数でのCM除去が約24dBになります。つまり、良好なUSBコモンモードチョークとコネクタのソリッドシールド終端が必要です。ケーブルを短くすると比例して次のようになります。0.3 m のケーブルの 0.5 µA は 0.5 m で 0.3 µA とまったく同じように放射され、同じ +5.2 dB になります。

実装メモ

CMチョークは、ボード側のコネクタのすぐそばのUSBラインに接続されます。ケーブルにノイズが入ると、ケーブルの下流でチョークが発生しても何も起こりません。コモンモードチョークは、D+ と D− に同じ方向に流れる電流には高いインピーダンスを示し、差動信号にはほとんどインピーダンスを示しません。100 MHzだけでなく、500 MHz～1 GHzでのCMインピーダンスを確認してください。故障する高調波は高調波です。 電源ループ。 バルク入力コンデンサをレギュレータのVINピンとGNDピンの隣に移動して固形流し込むと、ループが2から0.5 cm². 、つまり12dBのDMフィールドになります。これは、領域が直線的にフィールドに入るためです。ここでの判断は変わりませんが、ケーブルが修正されれば、将来の問題となるDMはなくなります。 エッジが遅い。 クロック・ネット上の数十オームの直列抵抗は、負荷の入力容量に逆らって作用し、立ち上がり時間を1nsから2.5nsに伸ばし、スペクトル・コーナーを318MHzから127MHzに移動します。これにより、300 MHz における差動モード (DM) の寄与が 9 dB 減少します。100 MHz では、2.5 ns は 10 ns 周期の4分の1です。採用する前に、そのエッジレートでのレシーバーの入力タイミングを確認して、それ以上進めないでください。エッジがはるかに遅いと、クロックが三角波に変わります。

3つの変更はすべてレイアウト作業に1つまたは2つのコンポーネントを加えたものです。CMチョークと直列抵抗を既存の基板に再加工してプリスキャンすることもできます。

2026-09-19を更新しました。現在、推定器は公開されている CISPR 32 と FCC の制限値と全振幅クロック高調波を使用しています。上記の数値は、以前のバージョンのツールで得られたフィールドレベル、リミット、および「イールド」の数値が使われていた以前の実例に代わるものです。 EMI放射エミッション推定ツール