外部電源のためのEMIソリューション

2019年12月17日 Bruce Rose

外部電源のためのEMIソリューション

経営陣がエンジニアリングチームに、「外部電源は既に規制要件に適合しているのに、なぜシステムに伝導性エミッションや放射性エミッションの試験が必要なのですか?」と尋ねてくることがあるかもしれません。シンプルな回答として言えるのは、電源開発チームが電源を単独でテストしたものと、伝導性エミッションおよび放射性エミッションの特性をテストしたものは、システム全体をテストした場合には異なる、ということです。本記事では、外部電源とシステム負荷を使用するシステムにフェライトビーズを使用して、伝導性エミッションおよび放射性エミッションに関する規制に準拠させる方法について説明します。

伝導性エミッションおよび放射性エミッション

電子製品は通常、伝導性エミッションおよび放射性エミッションに関連する少なくとも2つのタイプの信号を有しています。1つの信号カテゴリは、意図された信号、つまり電力信号とデータです。残念ながら、電力信号とデータ信号での意図的な電圧の移行により、電子製品には2つ目のタイプの信号である、意図しないノイズが発生してしまいます。

規制当局は、システム外で伝搬することができるノイズ信号のレベルに制限を設けています。電子放出に関する最も一般的な規制は、米国基準FCC Title 47, Part 15と欧州基準EN55022の2つです。ノイズ伝搬の主な手段は、そのノイズの周波数帯域によって異なります。

ほとんどの低周波数の電磁ノイズは、伝導によって伝播されます。規制上の問題のため、「低周波」とされる電磁信号の範囲は150 Khz~30 MHzとなっています。システム内の伝導体は通常、この周波数範囲での効果的なアンテナとしての役割を果たすには短すぎるため、放射性エミッションは大きな懸念にはなりません。この周波数帯域内では、寄生インダクタのインピーダンスは十分に低く、寄生コンデンサのインピーダンスは十分に高いため、信号が大幅に減衰することなく伝導体に沿って伝番できます。高周波電磁信号(30 MHz以上)については、伝導体に関連する寄生インピーダンスは、伝導信号に顕著な減衰を生成する可能性があります。ただし、電子製品内の伝導体は、そうした周波数において合理的なアンテナとしての役割を果たすのに十分な長さがあり、このため高周波数では放射線がエミッションに関する主な懸念となります。

伝導放出と放射性放出に関する懸念の周波数帯域
伝導放出と放射性放出に関する懸念の周波数帯域

伝導性エミッションと放射性エミッションに対処するフィルタ

外部電源は、AC入力電源ラインに沿って電源からノイズが伝導されることを減衰させるために、AC入力回路にディスクリートインダクタとコンデンサを組み込んでいます。内部のPCBは、これらのコンポーネントおよび規制安全性試験に対応するよう設計されています。設計とテストが完了した後に顧客のニーズに対応させて入力フィルタエレメントを変更することは、通常非常にコストがかかります。

電源のAC入力に設置された伝導性エミッションフィルタの図
電源のAC入力に設置された伝導性エミッションフィルタ

外部電源のDC出力回路は、電源の出力でAC信号を減衰させる内蔵シャントコンデンサを採用しています。一部のデザインでは、AC信号をさらに減衰させるためにインダクタを連ねて配することもできます。ただし、最終的な放射性エミッション試験の間、内のフィルタリングがエミッションに関する規制要件を十分に満たしていないケースが認められる場合があります。DC出力ケーブルでは伝導性エミッションのモニタリングはされていませんが、放射性エミッションに対する合理的なアンテナとして機能することができる。過剰な放射性エミッションに対処するためのソリューションの1つとして、DC出力ケーブルに外部フェライトビーズを加え、電源を準拠させることが挙げられます。EMIフィルタリング用に使用されるフェライトビーズは、インピーダンスに対する反応性と抵抗性の両方を提供するように設計されています。反応性インピーダンスは、抵抗性インピーダンスが望ましくない信号に関連する一部のエネルギーを消失している間に、望ましくない信号の伝搬をブロックするのに役立ちます。このビーズは、DC出力ケーブル周辺に物理的にフィットし、懸念される周波数で必要なフィルタリング特性を提供するものを選択します。

EMI抑制用フェライトビーズ;a) 簡素化モデル
EMI抑制用フェライトビーズの簡素化モデル
EMI抑制用フェライトビーズ;b) XRZプロット
EMI抑制用フェライトビーズのXRZプロット

システムのテスト中にフェライトビーズフィルタを追加する

電源は、電源設計チームによって伝導性エミッションと放射性エミッションの要件に適合するように絶縁がテストされます。ただし、いったんこの電源を完全なシステムに追加すると、このシステムが同様のエミッション試験に通らないことがあります。完全なシステムがテストに通らない一般的な理由の1つは、DC出力電源ケーブルを通して電源に戻すシステム負荷からのノイズです。DC出力ケーブルにフェライトビーズを追加することは、エミッションを容認可能なレベルまで下げることができる低コストのソリューションです。

外部電源のDC出力ケーブルに追加されたフェライトビーズの図

フェライトビーズの選択と生産への移行

  1. システムと外部電源をテストし、過剰なエミッションが頻繁に発生するかどうかを判定します。
  2. ケーブル周辺に物理的にフィットし、懸念される周波数で高いインピーダンスを提供するフェライトビーズを選択します。一部のフェライトビーズメーカーでは、テストや少量製造用にスプリット型のフェライトビーズを提供しています。スプリット型フェライトビーズは、フェライトビーズの穴にDC出力コネクタを通さずにケーブルに組み立てることができます。
スプリット型および一体型フェライトビーズ例の図
  1. フェライトビーズを取り付けます。多くの場合、フェライトビーズは、ケーブルのDCコネクタ端に配置され、ノイズ信号がシステム負荷から電源へのケーブルに沿って送信される前に、ノイズ信号を低減します。通常、ケーブルを2回転させてフェライトビーズを通して配置します。ビーズが提供するインピーダンスは、回転数の二乗に比例します。つまり2回転では1回転の場合のインピーダンスの4倍になります。2回転以上で実装する場合、回転ごとの一連のインピーダンスは十分高いレベルにまで上昇するので、ケーブルセグメント間の寄生キャパシタンスは、ビーズによって作成された一連のインピーダンスを通過するエネルギーを分流します。寄生キャパシタンスを通じて望ましくない信号を遮断することで、フェライトビーズの有効性は2回転だけ使用した場合よりも低減されます。
フェライトビーズの回転を示す図
  1. 製品が大量生産となる場合、テストで使用したビーズと同等の仕様のスプリット型ではないフェライトビーズを選択します。生産用途のフェライトビーズのベンダーは、テスト用で使用するビーズのメーカーとは異なる場合があります。
  2. 大量生産で使用するフェライトビーズを使用して、電源のサンプルを作成します。
  3. 電源DC出力ケーブルに生産用フェライトビーズを持ったシステムと外部電源をテストします。この再テストをおこなうことで、電源、生産用フェライトビーズ、システムを組み合わせた形でエミッション要件を満たすことができます。

概要

電源とシステムの負荷が組み合わさった場合、設計チームはシステム全体で伝導性エミッションおよび放射性エミッションの要件を満たすことができないという問題に直面することがあります。電源やシステム負荷のデザインを変更することは、スケジュールやリソースのコストの点の両方で非常に高価になることが多々あります。電源DC出力ケーブルに配置されたフェライトビーズ(誘導および抵抗インピーダンスコンポーネント)を使用すれば、システム全体で伝導性エミッションと放射性エミッションの要件を満たすことができます。適切なビーズの選択には複数のプロセスが関与するため、システム設計チームと電源メーカーとの間の調整が必要となることがあります。

その他のリソース


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主席アプリケーションエンジニア

Bruce Rose は、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruce は自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。

 
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