EMC

電源リップルフィルタ

LC フィルターの減衰量、共振周波数、出力リップル電圧を計算します。リップル除去用の電源 EMC フィルターを設計します。

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公式

f₀ = 1/(2π√LC), A = −40·log₁₀(f/f₀) dB

仕組み

電源リップル・フィルタ・カリキュレータは、高感度のアナログ回路、高精度ADC、およびRFシステムに不可欠なポストレギュレータ・フィルタリングのLCコンポーネント値と減衰量を計算します。パワー・インテグリティ・エンジニア、ミックスド・シグナル設計者、EMCの専門家はこのツールを使用して、スイッチング電源からのリップルが1mV未満になるようにしています。TIのアプリケーションノートSLVA630によると、シングルステージLCフィルタはコーナー周波数f0 = 1/(2π√LC), よりも-40dB/ディケードの減衰が得られます。f0 = fsw/10^（A/40）の関係により、目標減衰A（dB）に必要なコーナー周波数が決まります。40 dB の減衰量が必要な 500 kHz のスイッチング電源回路の場合、f0 = 50 kHz になります。アナログ・デバイセズのMT-101によると、出力リップルは容量性 (ΔVc = ΔIL/(8×fsw×C)) とESR (ΔVesr = ΔIL × ESR（ESR）成分で構成されています。ESRが10 mΩ 未満の最新のMLCCセラミックでは、容量性リップルに比べてESRの寄与はごくわずかです。フィルタの特性インピーダンスZ0 = √(L/C) は、最適な減衰を実現するために負荷インピーダンスと一致する必要があります。インピーダンスを一致させないと、f0で共振ピークが発生し、ノイズが10〜20dB増幅される可能性があります。重要な考慮事項:MLCCコンデンサはDCバイアス時に50～ 80% の容量を失います。フィルタの計算には必ずディレーティング値を使用してください。

計算例

16 ビット ADC リファレンス電源の 500 kHz SMPS ノイズを 50 mV から 1 mV 未満に低減するリップルフィルタを設計してください。要件:100 mA で 3.3 V、 Z_load ≈ 33 Ω. ステップ 1: 必要な減衰量の計算 — A = 20×log10 (50/1) = 34 dB。マージンには 40 dB を使用してください。ステップ 2: コーナー周波数を求めます — f0 = 500k/10^ (40/40) = 50 kHz。ステップ 3: LC 積の計算 — LC = 1/(2π×50k)² = 1.01×10^-9 s². ステップ 4: 負荷インピーダンスのマッチング — Z0 = 33 Ω: L/C = 1089の場合、L = √(1089 × 1.01×10^-9) = 33 µH。C = LC/L = 1.01×10^-9/33×10^-6 = 30.6 nF。ステップ 5: コンポーネントの選択 — 33 µH インダクタ (村田製作所製LQH32CN330K、0.15 Ω DCR) と 47 nF C0G セラミック (DC バイアスディレーティングなし) を使用してください。ステップ6: ダンピングの追加 — 共振を減衰させるために、メイン・コンデンサの両端に10 Ω を直列に1μFずつ挿入します。ステップ 7: 検証 — 500 kHz でのフィルター減衰量:40 + 40×log10 (500k/50k) = 40 + 40 = 80 dB。残留リップル = 50 mV/10^ (80/20) = 5 µV。出力ノイズは、リップルではなく、レギュレータとコンポーネントのノイズが主流です。

実践的なヒント

✓TIの高精度ADC設計ガイドによると、10MHzを超える周波数では、インダクタの代わりにフェライトビーズ（100MHzタイプで600 Ω ）を使用してください。フェライトの抵抗インピーダンスにより、共振の問題なしに自然な減衰が得られます。
✓2段のLC段をカスケード接続して60dB以上の減衰を実現 — 1段目はコンデンサの自己共振によって制限され（MLCCの場合は通常1～10 MHz）、2段目は第1段の効率を超える周波数を処理します
✓10～100 nFのC0GコンデンサをADCのVrefピンに直接追加すると、メイン・フィルタのインダクタンスによって効果が得られない最終的な高周波バイパスが可能になります。

よくある間違い

✗DCバイアスディレーティングのないX5R/X7Rコンデンサの使用 — 3.3V DCで10µF/6.3VのX5Rでは、有効容量はわずか5〜6µFで、フィルタの減衰量は半分になります。フィルタ用途にはC0G/NP0を使用し、定格電圧の2倍のセラミックを使用してください
✗共振ピーキングは無視してください。非ダンピングLCフィルタはf0でノイズを10〜20dB増幅します。必ずダンピング抵抗 (Rd = 0.5×Z0 (標準)) を大きいバイパスコンデンサと直列に追加してください。
✗フィルタを負荷から離して配置 — フィルタと負荷の間の寄生インダクタンス (10 nH/cm) により、高周波ノイズがフィルタをバイパスし、フィルタから負荷までの距離を5 mm未満に保ちます

よくある質問

電源リップルフィルタとCISPR伝導エミッションフィルタの違いを教えてください。

EMCの設計ガイドラインによると、リップルフィルタは負荷インピーダンス（1～100Ω）向けに設計された、DC出力レールの特定のSMPSスイッチング周波数（100kHz～2MHz）を対象としています。伝導エミッションフィルタは、50 Ω LISN インピーダンス用に設計された AC 主電源入力の 150 kHz ～ 30 MHz の広帯域ノイズを対象としています。どちらもLCトポロジーを使用していますが、部品の値は異なります。リップルフィルター:10 ～ 100 µH、10 ～ 100 µF。EMI フィルタ:0.1-10 mH のコモンモードチョーク、0.1-1 µF Y コンデンサ、1 ～ 10 µF X コンデンサ

リップルフィルタのインダクタ電流定格を選択する方法を教えてください。

村田製作所のインダクタ選択ガイドによると、DC電流定格は最大負荷電流+リップル電流を超えている必要があります。 I_rated > I_load + ΔI_ripple/2. 飽和電流 (I_sat) は通常、DC定格を20〜40％上回ります。例:30mAのリップルを持つ100mAの負荷には、 I_rated > 115 mAが必要です。また、DCR の電圧降下 ( V_drop = I_load × DCR < Vout) も確認してください。効率的に動作させるには、DCR が Vout の 1% 未満です。0.5 Ω DCRを備えた33µHのインダクタは、100mAで50mV低下します。これはほとんどのアプリケーションで許容範囲です。

インダクタなしで大きなコンデンサだけを使用できますか？

アナログ・デバイセズのAN-1144によると、1つのコンデンサで減衰できるのはわずか-20dB/ディケードです（LCの減衰量は-40dB/ディケードです）。コンデンサのみで 500 kHz で 40 dB の減衰を行う場合、fc = 500k/10^ (40/20) = 5 kHz が必要です。つまり、妥当なコンデンサ値にしては非現実的に低い値です。さらに、低ESRのコンデンサをSMPS出力に直接接続すると、制御ループが不安定になることがあります。LCフィルタは、部品が小さいほど減衰が良く、SMPSの安定性を維持します。

フィルターレゾナンスの原因と防止方法を教えてください。

TI SLVA630によると、LCフィルターはf0 = 1/(2π√LC) で共振し、Q = √(L/C)/R_total. 高Q（低ダンピング）は共振時に20〜40dBのゲインになります。40dBの減衰用に設計されたフィルターは、代わりにf0のノイズを増幅する可能性があります。防止策：（1）ダンピング抵抗Rd = √(L/C)/2 を大きなバイパスコンデンサ（メインフィルターキャップの10倍）と直列に追加する、（2）純粋なインダクタの代わりにフェライトビーズを使用する。フェライトの抵抗成分が固有の減衰を提供する。（3）自然減衰のために負荷抵抗がZ0 = √(L/C) に近いことを確認する。

電源リップルを測定する方法を教えてください。

Keysightアプリケーションノート5992-0017ENによると、(1) グラウンド・リードが5cm未満の10×プローブを使用する — 長いグラウンド・リード線はノイズを拾い、誤った読み取りを行う、(2) オシロスコープをACカップリングに設定する、20MHzの帯域幅制限 (高周波プローブのアーティファクトを除去する)、(3) チップ・アンド・バレル方式の使用:プローブ・チップを出力に接続し、グラウンド・バレルをグランド・プレーンに直接接続する、(4) 1mV未満で測定する場合、差動プローブ (Keysight N2790A) またはスペクトラムアナライザを使用してください。一般的な誤差：10 cmのグラウンド・リードで50mVのリップルを測定すると、実際には10mVのリップル+40mVのグランド・ループ・ノイズになる場合があります。

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