放射エミッション推定
小ループアンテナモデルを使用したPCB電流ループからの遠端放射エミッションを推定。CISPR 22/FCC クラスBとの比較。
公式
参考: Henry Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering
仕組み
放射エミッション推定カリキュレータは、PCB電流ループからの電界強度を予測します。これは、プロトタイプ構築やプリコンプライアンステストの前の初期段階のEMC設計レビューに不可欠です。EMCのエンジニアはこれを使用して設計変更（ループ面積の削減、電流削減）を評価し、CISPR 32クラスBの制限値（30〜230 MHz、距離3 mで40 dBuV/m）に対するマージンを推定します。
ヘンリー・オットの「EMCエンジニアリング」によると、小さなループアンテナ（寸法<<波長）が電界E = 263 x f^2 x A x I/r（V/m）を放射します。ここで、fはMHz単位の周波数、A単位のループ面積、IはAのピーク電流、rはm単位の距離です。一般的なEMC単位に変換すると、E (dBuV/m) = 20 x log10 (幅 x 幅 16 インチ)。この式は、周波数を二乗するとエミッションが増加することを示しています。周波数を2倍にすると、エミッションは4倍になります。
Johnson/Grahamの「高速デジタル設計」によると、デジタルシステムの主な放射源は、信号トレース、負荷、およびグランドリターン経路によって形成される高周波電流ループです。100MHzで10mAを伝送する1cm^2のループは、3mで8.77uV/mを生成します。これは18.9dBuV/mに相当し、CISPR 32クラスBの制限である40dBuV/mをはるかに下回ります。ただし、複数のループを組み合わせると、同様のループが10個あり、約29dBuV/m（10dB増加）になります。
ループ面積は重要なパラメータです。ループ面積を半分にすると、エミッションが 6 dB (50%) 減少します。Ottによると、トレースをグランドプレーンの上に直接配置すると（H = 0.1mm対H = 1mm）、ループ面積が10倍減少し、エミッションが20dB削減されます。これが、隣接するグランド・プレーンによる制御されたインピーダンス・スタックアップが本質的にEMC特有の利点をもたらす理由です。
計算例
問題：2 cm^2の入力ループを介して、500kHzのスイッチング周波数で50mAのリップル電流が流れるSMPSからの放射放射を推定します。5 次高調波 (2.5 MHz) での CISPR 32 クラス B 制限値と比較してください。
オットあたりのソリューション: 1.パラメーター:f = 2.5 MHz、A = 2 cm^2 = 2e-4 m^2、I = 50 mA = 0.05 A、r = 3 m 2.Eフィールド:E = 263 x (2.5) ^2 x 2e-4 x 0.05/ 3 = 263 x 6.25 x 2e-4 x 0.05/ 3 = 0.55 uV/m 3.E 単位は dB/m: 20 x log10 (0.55) = -5.2 dB/m 4.2.5 メガヘルツでの CISPR 32 クラス B リミット:該当なし (30 MHz で放射開始) 5.30 MHz (2.5 MHz から -20 dB/ディケードのロールオフを仮定すると、60 次高調波): E はおおよそ -5.2-20 = -25 dBuV/m?いいえ、直接計算してください。
- f = 30 MHz、5 mAへの電流ロールオフを仮定:E = 263 x 900 x 2e-4 x 0.005/3 = 7.9 uV/m = 18 dBuV/m
注:実際の SMPS には複数のループがあり、総排出量は通常、単一ループの推定値よりも 10 ～ 20 dB 高くなります。
実践的なヒント
- ✓最初にループ面積の削減を目標とします。ループ面積を半分にすると、ループ面積を半分にすると放射が6 dB削減され、電流も6 dB削減されますが、電流を減らすには多くの場合、異なるトポロジーが必要になります。ループ面積を最小限に抑えるため、信号トレースの真下にリターンを配線します。
- ✓近接場Hプローブを使用して優勢なループを特定します。Ottによると、変更を加える前にループプローブで放出源をマッピングします。多くの場合、1つのループ (クロック、SMPS入力) が支配的です。そのループを修正することで10～20dBの改善が可能ですが、他の変更による影響は最小限に抑えられます。
- ✓クロックの3次高調波と5次高調波で計算 — CISPR 32では、デジタルクロック高調波がワーストケースの放射周波数を設定することがよくあります。100MHzのクロックでは、制限が適用される30～1000MHzの放射帯域で300/500MHzの高調波が発生します。
よくある間違い
- ✗絶対合格/不合格予測式の使用 — Ottによると、スモールループの式は、単一の分離ループを想定した遠方界推定値です。実際の製品には複数のループ、グランドプレーンの反射、ケーブルアンテナ効果があります。比較分析に使用 (「どの修正方法がより効果的か?」)絶対的なコンプライアンス予測ではない。
- ✗エミッションのスケールがf^2であることを忘れてしまいましょう。ジョンソン/グラハムによると、100MHzのエミッションは、同じループ電流で50MHzのエミッションよりも4倍（12 dB）強くなります。基本電流が大きい場合でも、高周波高調波がエミッションの大部分を占めます。必ず最大有意高調波で解析してください。
- ✗複数のループが加算されることを無視すると、Ott あたり N 個の類似したループは、コヒーレントでない場合は 1 つのループのフィールドに sqrt (N) 倍、コヒーレント (位相整合) の場合は N 倍を生成します。複数の車載発生源からの総排出量については、10～15 dB の余裕を持たせてください。
よくある質問
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