試験に不合格になる前に放射エミッションを予測する

電波暗室に入る前に見積もりをする理由

EMC 試験は高価です。完全に準拠した電波暗室での1日は、場所によって異なりますが、2,000～4,000 USDかかります。これは、エンジニアリングの時間、出張のほか、何か障害が発生した場合に避けられない「来週また戻ってくる」ことを考慮に入れる前のことです。ほとんどのエンジニアは、失敗したプロットを見つめるまでは、放射性エミッションをブラックボックスとして扱いますが、そうである必要はありません。

PCBの電流ループからの放射エミッションの物理特性はよくわかっています。ループ電流、ループ面積、周波数がわかれば、ある距離の電界をある程度の精度で推定できます。ここでいう「合理的」とは、単純な形状の場合の現実値の 6 ～ 10 dB 以内のことです。完璧ではありませんが、快適に通過するのか、見事に失敗するのか、それともレイアウトの微調整によって救われるかもしれない不快なグレーゾーンに着地するのかを判断するには十分です。

基礎となるモデル

小さな電流ループは磁気双極子の役割を果たします。波長をはるかに超える距離では、このようなループから放射される電界は次のようになります。

ここで、$E$ はµV/m単位の電界、$I$ はアンペア単位のピークループ電流、$A$ はループ面積、 m², $f$ はMHz単位の周波数、$r$ はメートル単位の測定距離です。この式は、遠方界の条件と、波長に比べて電気的に小さいループを想定しています。

$f^2$ という用語がキラーです。周波数を2倍、排出量を4倍にしましょう。これが、エッジが速い（高調波成分が多い）高速デジタル設計が、基本クロックレートをはるかに超える周波数では故障する傾向がある理由です。

CISPR 22 クラス B（現在は CISPR 32 ですが、今でも皆がクラス B と呼んでいます）では、10 メートルに制限が定められています。30 MHz での制限は 30 dBµV/m ですが、230 MHz を超えると 37 dBµV/m まで上昇し、1 GHz の間はそのままになります。これらは任意の数値ではなく、規制機関が住宅環境では許容できると判断したものです。3 dB ずれていても、ある程度のフィルタリングを行えば問題ないでしょう。15 dB ずれていると、ボードを再設計することになります。

実際に使用された例:100 MHz のクロック分配

例えば、100 MHz のクロックが 4 層基板の内層に配線されているとしましょう。信号はバッファ IC に到達する前に 25 mm (0.025 m) 流れ、リターンパスは隣接するグランドプレーン上にあります。誘電体の厚さが0.2 mmの場合、ループ面積はおおよそ次のようになります。

それは5 mm² です。かなり小さく、良いですね。ここで、クロック信号が3.3Vを振って50 Ω の負荷になり、ピーク電流が66mA (0.066A) になったとします。3 次高調波 (CISPR の制限が厳しくなる 300 MHz) では、10 m での推定電界は次のようになります。

dBµV/m への変換: $20 \log_{10}(39.1) = 31.8$ dBµV/m

300 MHz での CISPR 22 クラス B の制限値は 37 dBµV/m で、マージンは 5.2 dB です。合格はしますが、個々の発生源に求めたい 6 dB をすでに下回っています。

しかし、ここが興味深いところです。リターンパスがトレースの真下にない場合はどうなるでしょうか？グラウンド・プレーンにスプリットがあり、リターン電流がその周りを迂回して、5 mm². ではなく200 mm² のループ領域ができたとします。これは40倍の大きさです。

これは制限値を 26.9 dB 超えています。リターンパスの迂回ひとつで、ぎりぎりの合格が基板の再設計に変わりました。

放射排出量の推定値を開く計算機を使って、ご自身の数値を計算してください。

このモデルが機能する時 (そして機能しない時)

スモールループ近似は、ループの周長が約 λ/10. 未満の場合に適しています（300 MHz、つまり10 cm）。ほとんどのPCB構造が対象となります。また、300 MHzで約1.5メートルの遠方界で測定していることも前提としています。CISPR の 10 メートルという距離は、遠方界の領域でも問題なく測定できます。

このモデルは、長いケーブル、スロットアンテナ (グランドプレーンのギャップ) などの分散構造や、電流分布が均一でないすべての構造に適しています。また、チャンバーの床や近くの金属からの反射も無視されるため、実際のテスト環境は自由空間よりも厄介です。

この推定値がチャンバーの結果と完全に一致するとは思わないでください。これで正しい方向に進むことができると期待してください。計算ツールで 3 dB のマージンがあると表示されている場合は、「おそらく失敗している」と扱ってください。マージンが 25 dB と表示されれば、少しリラックスできます。

よくある間違いと落とし穴

倍音を忘れる

50 MHz のクロックは 50 MHz だけで放射されるわけではありません。立ち上がり時間が1 ns未満のほとんどのCMOSクロックがそうであるように、エッジが速い場合、300 MHz以上では高調波成分が大きくなります。3次高調波、5次高調波、第7次高調波は、$f^2$ という項があるため、基本波よりも問題が大きくなることがよくあります。クロック周波数だけでなく、必ず高調波をチェックしてください。

ループ面積を過小評価している

エンジニアは通常、リターン電流は信号トレースの真下を流れると想定しています。リファレンスプレーンが連続していれば、通常はそうなります。しかし、リファレンス層を切り替えるビア、プレーンに分割されるビア、接地ピンが不十分なコネクタ、いずれもリターン電流の経路が長くなります。実際のループ面積は、単純に計算した面積の10倍または100倍になる可能性があります。

ピークの代わりに RMS 電流を使用する

この計算式では、RMS ではなくピーク電流が必要です。正弦波信号の場合、ピークはRMSの √2 倍です。矩形波の場合、ピークは振幅と等しくなります。これを間違えると、3 dB の誤差が生じます。致命的ではありませんが、合計すると大きな誤差が生じます。

ケーブル放射を無視する

PCBは汚れていても、接続されているケーブルは汚れていないことが多いです。わずか数ミリアンペアの同相電流が入った1メートルのUSBケーブルは、基板上のどの配線よりもはるかに効率的なアンテナです。この計算式は、PCB設計の決定に役立つループ放射に焦点を当てていますが、最終テストではケーブルが優勢であることが多いことを忘れないでください。

10メートルの結果が単純に3メートルにスケーリングされると仮定すると

テストハウスによっては、プリコンプライアンスのために 3 メートルの距離を採用しているところもあります。フィールドは遠方のフィールドでは 1/r にスケーリングされるため、3 メートルの結果は 10 メートルの結果よりも約 10 dB 高くなります。しかし、CISPR の限界値は 10 メートルで規定されており、低周波数での近接場効果のため、相関係数は正確には 10 dB ではありません。比較するときは注意してください。

実用的な設計上の意義

いくつかの見積もりを実行すると、パターンが浮かび上がってきます。ほとんどの場合、ループ面積を減らすことが最も効果的な解決策です。これは線形関係なので、面積を半分に減らすことで排出量を半分に削減できます。電流を減らすことも役立ちますが、回路の機能に影響を与えずに電流を変えることはできないことがよくあります。

エッジを遅くすると高調波成分が減り、高周波で役立ちます。立ち上がり時間を 1 ns ではなく 10 ns にすると、100 MHz を超えるエネルギーが大幅に削減されます。クロックラインの直列抵抗、フェライトビーズ、あるいは単に低速のロジックファミリを選択しても問題ありません。

シールドとフィルタリングは最後の手段です。それらは機能しますが、お金とボードスペースがかかります。ほとんどの場合、問題を根本から解決するほうが安価です。

マージンの哲学

どのくらいのマージンが必要ですか？正直な答えは「思っている以上に」です。実際の製品には、測定値の不確かさが ±3 dB に達し、製造時のばらつきが加わる複数のエミッション源が (場合によってはコヒーレントに) 存在します。ラボで 2 dB のマージンで合格した設計でも、製造時に故障するユニットもあります。

私は通常、個々のソースで最小マージンを6dB、可能であれば10dBを目指しています。計算ツールで限界値に達したことが示されても、それは「合格」ではなく、「電源、ディスプレイ、Bluetooth モジュールを追加した後で失敗する可能性がある」ということです。

やってみよう

回路図を入手し、最高周波数のスイッチング信号を特定し、ループ面積を推定して、放射エミッション推定値を開く計算機を開きます。基本波と、少なくとも 3 次高調波と 5 次高調波の数値を求めます。いずれかのリミット値が 10 dB 以内であれば、チャンバータイムにお金をかける前にレイアウトをよく見てください。

所要時間は 5 分で、1 週間のデバッグ時間を節約できる場合があります。