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EMC

コモンモードチョークインピーダンス

任意の周波数におけるコモンモードチョークインピーダンス、挿入損失、Qファクターを計算します。CISPR 25 伝導エミッション準拠の EMC フィルターを設計します。

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公式

Z=2π×f×L,IL=20⋅log10(∣100Ω+RDC+jZ∣/100Ω)(50Ωsource,50Ωload,CISPR17)Z = 2π × f × L, IL = 20·log₁₀(|100 Ω + R_DC + jZ| / 100 Ω) (50 Ω source, 50 Ω load, CISPR 17)

参考: CISPR 17; Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, 2nd ed.

L— インダクタンス (H)
f— 周波数 (Hz)

仕組み

コモンモードチョークカリキュレータは、CISPR 32伝導エミッション準拠、USB/Ethernet EMC、およびメインフィルタの設計に不可欠な差動信号フィルタリングと電力線フィルタリングのインピーダンスと挿入損失を計算します。EMCのエンジニアはこれを使用して、損失が1dB未満の差動信号を通過させながら、20〜40dBのコモン・モード減衰を実現しています。

ヘンリー・オットの「EMC エンジニアリング」によると、CMC は二重巻線インダクタで、差動電流 (等しい大きさ、反対方向) によって相殺磁束が生成され、目的の信号にほぼゼロのインピーダンスを与えます。コモンモード電流 (両方の導体の同じ方向) は全インダクタンスLを見て、インピーダンス Z_CM = 2 x pi x f x Lを示します。A 1 mH CMCは、150 kHz (CISPR下限) で942オームのインピーダンスを提供します。

この計算ツールは、CISPR 17 の試験系 (50 オームの信号源と 50 オームの負荷) で挿入損失を求めます。直列に入ったチョークは、そのインピーダンス Z = DCR + j x 2 x pi x f x L を 100 オームのループに加えるため、IL = 20 x log10(|100 + DCR + jX| / 100) となります。リアクタンスはループ抵抗に算術的ではなくフェーザとして加わります。X = 100 オームでは 3.01 dB、1 mH の 150 kHz でのリアクタンス 942 オームでは 19.5 dB です。実機では信号源と負荷は LISN とケーブルのコモンモードインピーダンスなので、回路内の減衰量はこの値とは異なります。CISPR 32 クラス B では、通常 150 kHz で 15 ～ 25 dB CM の減衰が必要です。この試験系では 0.7-2 mH CMC で達成可能です。

Q 係数Q = Z_CM/DCR は、損失と反応性を示します。高Q CMC (Q > 50) は反応性でケーブル容量と共振します。低Q CMC (Q < 10、損失の多いフェライトを使用) は共振の問題なしに広帯域を抑制します。Wurthのアプリケーションノートによると、電力線CMCは損失の多いフェライトを使用し、信号線CMCは差動モードの減衰を最小限に抑えるために高透磁率で低損失のフェライトを使用します。

計算例

問題:150 kHz で 75 dBuV の CM ノイズが出ている USB 2.0 ポートに、CISPR 32 の制限値 66 dBuV に対して CMC を選定します。挿入損失は CISPR 17 の試験系 (50 オームの信号源、50 オームの負荷) で求めます。

Ottによるソリューション:

  1. 必要な減衰量:150 kHz で 75 - 66 + 6 dB マージン = 15 dB
  2. IL = 20 x log10(|100 + jX|/100) (DCR は無視)。15 dB には |100 + jX| = 100 x 10^0.75 = 562 オームが必要なので、X = sqrt(562^2 - 100^2) = 553 オーム
  3. 必要なインダクタンス:L = X/(2 x pi x f) = 553/(2 x pi x 150000) = 587 uH、680 uHの標準値を使用
  4. IL検証:150 kHz での X = 2 x pi x 150000 x 680e-6 = 641 オーム、IL = 20 x log10(|100 + j641|/100) = 16.2 dB (15 dB 要件を満たす)
  5. 差動信号が見るのは漏れインダクタンスだけで、この計算ツールはそれをモデル化しません。データシートの差動モードインピーダンス曲線で、USB 2.0 ハイスピードの基本波である 240 MHz における値を確認してください

選択:Wurth 744272102 (1 mH、1A、0.3 オーム DCR、USB 定格) は、この試験系で 150 kHz において 19.5 dB を実現します。

実践的なヒント

  • ✓CMCをコネクタから10mm以内に配置します。CM電流はケーブルの接続点に入ります。CMCをコネクタから離して配置すると、Johnson/Grahamによるフィルタリングの前に内部配線からノイズが放射されます。
  • ✓USB 3.0 SuperSpeed（5 Gbps）の場合：目を閉じることのないように、2.5 GHzで差動インピーダンスが3オーム未満のCMCを選択してください。USB-IF設計ガイドによると、標準の電源ラインCMCには大きな差動損失があります。
  • ✓CMCの両側のグランドに並列Yコンデンサ（1〜4.7 nF）を追加します。コンデンサは、CMCのインダクタンスが寄生容量によってバイパスされる高周波で低インピーダンスのCMパスを提供します。

よくある間違い

  • ✗100 MHzのデータシートインピーダンスを用いて150kHzに推定すると、フェライトの透磁率は周波数範囲全体で10倍変化します。Wurthによると、インピーダンス対周波数の曲線は不可欠です。100MHzで2000オームのCMCは、150kHzで200オームしか得られない場合があります。
  • ✗DCR 電圧降下は無視してください。1 オームの DCR CMC を 5 A 負荷で使用すると、5 V 低下します。これは 5 V の USB 電源では許容できません。TDK のガイドラインに従い、DCR は電源電圧の 2% 未満を負荷電流で割った値を選択してください。
  • ✗DCバイアスによる飽和コア — CMCインダクタンスは定格DC電流で30～ 50% 低下します。2Aの負荷では、定格が3A以上のCMCを選択して、村田製作所の飽和曲線に従って規定されたインダクタンスを維持してください。

よくある質問

CMCには、差動電流が相殺され（信号に対するインピーダンスが低い）、CM電流が加算される（ノイズに対するインピーダンスが高い）という2つの結合巻線があります。フェライトビーズは単巻線で、差動モードとコモンモードの両方を等しく減衰します。差動ペア (USB、イーサネット、電源ライン) にはCMCを使用し、OttのEMCエンジニアリングによると、シングルエンド信号と電源レールにはフェライトビーズを使用してください。
TDKによると2つのメカニズム：（1）フェライトの透磁率が材料の特性周波数（通常は10〜100 MHz）を上回り、インダクタンスが低下します。（2）巻線間容量（1〜10 pF）により、インダクタンスの周りのCM電流を短絡するバイパスパスパスが生成されます。CMC インピーダンスは自己共振周波数でピークに達し、その後低下します。必ず問題の最も高い周波数でインピーダンスを検証してください。
はい。ただし、USB-IFに従って慎重に選択してください。（1）5 Gbps周波数（基本2.5 GHz）で差動インピーダンス<3オーム、（2）30〜200 MHzでCMインピーダンス>100オーム（EMC問題帯）、（3）インピーダンスのミスマッチを防ぐために低容量（<0.5pF）。専用の USB 3.0 CMC (TDK ACM シリーズなど) は、このアプリケーション向けに設計されています。
ノイズレベルと負荷インピーダンスに依存します。目安としては、主電源 EMI フィルタ (150 kHz で 500 ～ 2000 オーム) の場合は 0.5 ～ 2 mH、DC 電源ラインの場合は 100 ～ 500 uH、信号ラインの場合は 10 ～ 100 uH です。計算:L = (必須 Z_CM) / (2 x pi x 150000))。生産と温度変化には 50% のマージンを加えてください。
巻線センスが正しくなければなりません。つまり、差動電流が相殺されるように、両方の巻線を同じ方向に巻く必要があります。巻線の極性が正しくないと、CMC は差動モードインダクタの役割を果たし、CM ノイズの代わりに目的の信号を減衰させます。Wurthのデータシートによると、正しい極性を示すドット規則に従ってください。正しく巻かれた CMC の L 接続と N 接続を入れ替えても、パフォーマンスには影響しません。

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