フィルタ コンデンサ、コモンモード インダクタ、磁気ビーズは EMC 設計回路でよく使用される要素であり、電磁干渉を排除するための 3 つの強力なツールでもあります。
回路におけるこれら 3 つの役割については、多くのエンジニアが理解していないと思いますので、この記事では、設計から EMC を最も鋭敏に排除する 3 つの原理を詳細に分析します。
1.フィルタコンデンサ
コンデンサの共振は高周波ノイズを除去する観点からは望ましくありませんが、コンデンサの共振が必ずしも有害というわけではありません。
フィルタリングするノイズの周波数が決まると、共振点がちょうど妨害周波数に重なるようにコンデンサの容量を調整できます。
実用工学においては、フィルタリング対象となる電磁ノイズの周波数は数百MHz、あるいは1GHzを超える場合も少なくありません。このような高周波電磁ノイズを効果的に除去するには、コア貫通型コンデンサを使用する必要があります。
通常のコンデンサが高周波ノイズを効果的に除去できない理由は 2 つあります。
（１）その理由の１つは、コンデンサリードのインダクタンスによってコンデンサ共振が起こり、高周波信号に大きなインピーダンスが生じ、高周波信号のバイパス効果が弱まることである。
（２）もう一つの理由は、配線間の寄生容量が高周波信号を結合し、フィルタリング効果を低下させることである。
貫通型コンデンサが高周波ノイズを効果的に除去できる理由は、貫通型コンデンサには、リードインダクタンスによってコンデンサの共振周波数が低くなりすぎるという問題がないだけでなく、
貫通型コンデンサは金属パネルに直接取り付けることができ、金属パネルを利用して高周波絶縁の役割を果たします。しかし、貫通型コンデンサを使用する場合、注意すべき問題は取り付けの問題です。
貫通型コンデンサの最大の弱点は、高温と温度の影響に対する懸念であり、貫通型コンデンサを金属パネルに溶接する際に大きな困難を引き起こします。
多くのコンデンサは溶接中に損傷を受けます。特に、パネルに多数のコアコンデンサを設置する必要がある場合、損傷があると修復が困難になります。損傷したコンデンサを取り外すと、近くの他のコンデンサにも損傷を与える可能性があるためです。
2.コモンモードインダクタンス
EMC が直面する問題は主にコモンモード干渉であるため、コモンモードインダクタもよく使用される強力なコンポーネントの 1 つです。
コモンモードインダクタは、フェライトをコアとするコモンモード干渉抑制デバイスであり、同じフェライトリング磁気コアに同じサイズ、同じ巻数の2つのコイルを対称的に巻いて4端子デバイスを形成し、コモンモード信号に対して大きなインダクタンス抑制効果があり、差動モード信号に対しては小さな漏れインダクタンスがあります。
原理としては、コモンモード電流が流れる際、磁気リング内の磁束が互いに重なり合ってかなりのインダクタンスが生じ、コモンモード電流が抑制され、2つのコイルに差動モード電流が流れる際、磁気リング内の磁束が互いに打ち消し合い、インダクタンスがほとんどなくなるため、差動モード電流は減衰せずに通過できます。
したがって、コモンモードインダクタは、平衡ラインにおけるコモンモード干渉信号を効果的に抑制できますが、差動モード信号の正常な伝送には影響しません。
コモンモードインダクタは、製造時に次の要件を満たす必要があります。
（１）コイルコアに巻かれた電線は、瞬間過電圧の作用下でコイルの巻線間に破壊短絡が発生しないように絶縁する必要がある。
（２）コイルに瞬間的に大電流が流れても磁心が飽和してはならない。
（３）コイル内の磁気コアは、瞬間的な過電圧の作用下で両者の間で破壊が起きないように、コイルから絶縁する必要がある。
（４）コイルはできる限り単層で巻いて、コイルの寄生容量を低減し、過渡過電圧を伝達するコイルの能力を高める必要がある。
通常の状況では、フィルタリングに必要な周波数帯域の選択に注意しながら、コモンモードインピーダンスが大きいほど良いため、コモンモードインダクタを選択するときは、主にインピーダンス周波数曲線に応じてデバイスデータを確認する必要があります。
また、選択する際には、差動モードインピーダンスが信号に与える影響に注意し、主に差動モードインピーダンスに焦点を当て、特に高速ポートに注意してください。
3.磁気ビーズ
製品のデジタル回路の EMC 設計プロセスでは、磁性ビーズがよく使用されます。フェライト材料は鉄 - マグネシウム合金または鉄 - ニッケル合金です。この材料は透磁率が高く、高周波の場合にコイル巻線間のインダクタンスが高く、生成される静電容量が最小になります。
フェライト材料は、低周波数では主にインダクタンス特性によって線路損失が非常に小さくなるため、通常は高周波で使用されます。高周波では、主にリアクタンス特性が用いられ、周波数に応じて変化します。実用的には、フェライト材料は無線周波数回路の高周波減衰器として使用されます。
実際、フェライトは抵抗とインダクタンスの並列と同等であり、低周波では抵抗がインダクタによって短絡され、高周波ではインダクタのインピーダンスが非常に高くなるため、電流はすべて抵抗を通過します。
フェライトは、高周波エネルギーを熱エネルギーに変換する消費デバイスであり、その電気抵抗特性によって熱エネルギーが決定されます。フェライト磁性ビーズは、一般的なインダクタよりも優れた高周波フィルタリング特性を備えています。
フェライトは高周波では抵抗があり、品質係数が非常に低いインダクタと同等であるため、広い周波数範囲にわたって高いインピーダンスを維持でき、高周波フィルタリングの効率が向上します。
低周波帯域では、インピーダンスはインダクタンスによって構成されます。低周波ではRが非常に小さく、コアの透磁率が高いため、インダクタンスは大きくなります。Lが重要な役割を果たし、反射によって電磁干渉が抑制されます。また、この時、磁気コアの損失は小さく、デバイス全体が低損失・高Q特性のインダクタであるため、このインダクタは共振を起こしやすく、低周波帯域ではフェライト磁性ビーズの使用後に干渉が強まる場合があります。
高周波帯域では、インピーダンスは抵抗成分で構成されます。周波数が高くなると、磁心の透磁率が低下し、インダクタのインダクタンスと誘導性リアクタンス成分が減少します。
しかし、このとき、磁気コアの損失が増加し、抵抗成分が増加して総インピーダンスが増加し、高周波信号がフェライトを通過する際に電磁干渉が吸収され、放熱の形に変換されます。
フェライト抑制部品は、プリント基板、電源線、データ線などに広く使用されています。例えば、プリント基板の電源コードの入力端にフェライト抑制素子を追加することで、高周波干渉を除去します。
フェライト磁性リングまたは磁性ビーズは、信号線や電源線における高周波干渉やピーク干渉を抑制するために特化されており、静電気放電によるパルス干渉を吸収する能力も備えています。チップ磁性ビーズまたはチップインダクタの使用は、主に実際の用途によって異なります。
チップインダクタは共振回路に使用されます。不要なEMIノイズを除去する必要がある場合は、チップ磁性ビーズの使用が最適です。
チップ磁気ビーズとチップインダクタの応用
チップインダクタ：無線周波数 (RF) および無線通信、情報技術機器、レーダー探知機、自動車用電子機器、携帯電話、ポケットベル、オーディオ機器、パーソナルデジタルアシスタント (PDA)、ワイヤレスリモートコントロールシステム、低電圧電源モジュール。
チップ磁気ビーズ：クロック生成回路、アナログ回路とデジタル回路間のフィルタリング、I/O 入力/出力内部コネクタ (シリアルポート、パラレルポート、キーボード、マウス、長距離通信、ローカルエリアネットワークなど)、干渉の影響を受けやすい RF 回路およびロジックデバイス、電源回路、コンピューター、プリンター、ビデオレコーダー (VCRS) における高周波伝導干渉のフィルタリング、テレビシステムおよび携帯電話における EMI ノイズ抑制。
磁気ビーズの単位はオームです。これは、磁気ビーズの単位は特定の周波数で生成されるインピーダンスに応じて公称されており、インピーダンスの単位もオームであるためです。
磁気ビーズ DATASHEET では、一般的に周波数とインピーダンス特性の曲線が提供され、通常は 100MHz が標準であり、たとえば周波数が 100MHz のとき、磁気ビーズのインピーダンスは 1000 オームに相当します。
フィルタリングする周波数帯域については、磁気ビーズのインピーダンスが大きいほど良いものを選択する必要があります。通常は 600 オーム以上のインピーダンスを選択します。
また、磁性ビーズを選択する際には、磁性ビーズの磁束に注意する必要があり、一般的には80％の定格低減が必要であり、電源回路で使用する場合はDCインピーダンスが電圧降下に与える影響を考慮する必要があります。
投稿日時: 2023年7月24日
