電源・DC/DCコンバータにおけるEMC配慮について

はじめに

COVID-19の大流行によるシャットダウン中、私の車は数週間放置され、スタンバイモードの電子機器を満載していたためバッテリーが消耗し、車が動かなくなってしまいました。アクセサリーショップに行くと、驚くほど安くスマートな充電器が売られており、それを接続し充電を行いました。しかし、その結果、家のWi-Fiが使えなくなってしまったのです。CEマークやさまざまな認証スタンプが貼られていたにもかかわらず、明らかに大量の無線周波（RF）放射があり、電磁波非対応の典型的な例となったのです。

問題が放射または伝導エミッションによるものであっても、充電器は電磁両立性（EMC）の公表された必須規格を満たしているはずです。これらの規格には、主電源高調波エミッションと「フリッカー」の制限、および規定レベルの磁界、電界、電磁界、ラインサージ、過渡現象、静電気放電に対する耐性も含まれています。世界的に使用されている規格はIEC 61000シリーズで、パート1～7は要求事項、試験方法、限界値のすべての側面をカバーしています。さらに、特定の製品カテゴリーとその要件については、可能な限り多くの他文書を参照しています。

期待されるフィルタリング

その充電器の設計者は、もっとうまく作れ込めなかったのでしょうか？まず伝導放射に注目すると、スイッチング電源であるこの製品は、ライン間差動モード（DM）とライン対グラウンドコモンモード（CM）ノイズを発生させることができます（図1）。DMの入力ノイズは，ライン間コンデンサ "X"と直列インダクタによって減衰されるので，サイズとコストの制約の中で，十分な部品値で容易に低レベルまで低減することができます。設計者は、コンデンサの値を100nF以下にしようとすることが多いのですが、前述のように、この部品は所定時間内に安全な電圧まで放電する必要があるため、並列抵抗を追加せざるを得ません。さらに、回路内に永久的に放置されると抵抗の漏れ電流が一定になり、スタンバイ規格や無負荷損失規格への適合が問題になる可能性があります。インダクタは高価なものであっても、全交流電流を通過させるので、飽和を避けるために物理的に大きくなければならない場合があります。このため、鉄粉やギャップのあるフェライトタイプが代表的です。

DMノイズには直接の法令上の制限はありませんが、CMノイズには制限があります。CMの代表的な試験方法は、マルチメディア機器のCISPR32などの規格で求められているラインインピーダンス安定化ネットワーク（LISN）を使用しています。しかし、LISNは、存在するDMノイズの半分も記録してしまうので、それを減衰させる正当な理由があるのです。ラインやニュートラル-グラウンド接続からのCMノイズは、LISNの低い50Ωインピーダンスに電流源の形をとる傾向があり、ラインやニュートラル-グラウンド接続からの “Y” コンデンサは、ノイズが外部に循環しないようにローカルリターン経路を提供し、LISNに登録されます。そして、各電源ラインの結合巻線によるCMチョークが、コンバーターと電源の間のバリアとして機能します。高透磁率のアンギャップフェライトを使用し、巻線を位相調整することで走行電流を磁気的に打ち消し、CMノイズ素子に高いインピーダンスを残すことができます。CMチョークは、巻線間のリーケージインダクタンスを制御して巻くことができ、これにより、DMとCMの減衰を組み合わせることができます。

過渡フィルタリングのレベルは、設置場所の過電圧カテゴリに依存する

AC/DC入力フィルタは、エミッションの減衰とともに、高電圧、低エネルギーの過渡現象やバースト、または低電圧のサージである入力過電圧に対する耐性を提供します。観測されるレベルは、設置されている過電圧カテゴリ（OVC） のレベルIからIV（深刻度が高くなる）に依存します（表1）。


私たちの充電器は、最低でもOVC IIを満たす必要があり、そのためには通常、電圧依存抵抗器（VDR）のような入力過渡現象抑制部品を追加することが必要です。逆にOVC IVであれば、高エネルギー定格のVDRや、場合によっては複数のガス放電管を搭載することも想定されます。

さらに、充電器がEUのEMC指令に準拠していると評価される場合（CEマーキングが表示される）、指定レベルの印加電界、磁界、RFフィールド、およびESDに対する耐性も必要となります。この場合、入力フィルタリングは解決策にはなりませんが、優れた内部レイアウトと設計手法は、通常、エミッションの制限を満たすのに役立つと思われます。

デザインは "集中 "コンポーネントから始まりますが、それだけでは説明できません

スイッチド・モード・コンバータの設計は、選択したトポロジーの集中コンポーネントから始めて、性能を一次的に計算するのが実用的です。しかし、EMCを考慮するのであれば、「理想」ではなく「現実」の部品を使用しなければなりません（図2）。部品の高次特性や「寄生」特性は、しばしばEMC問題を引き起こす原因となります。例えば、CMノイズ電流の原因となるグランドへの浮遊容量や、放射線の原因となる接続部の直列インダクタンスなどです。

図2に描かれた実際の部品も単純化されています。コンデンサーのESRが周波数によって大きく変化するように、寄生値が非線形であることがよくあります。さらに、寄生成分の中には、その特性に不連続性があるものもあります。例えば、MOSFET の総入力容量は、スイッチの状態によって有効な値が変化します。




温度によって変化する直流抵抗に加え、ワイヤーやトラックの接続部にも、周波数や素材によって変化する交流抵抗があります。これは、固有のインダクタンスと、渦電流が導体の中心で相殺されることによる「表皮効果」によるものです。経験則では、周波数fの電流は、銅導体ではδ＝66/√fの深さまで進むとされています（図3）。

例えば、100kHzで線径0.4mmの場合、表皮効果は現れないはずです。これはほとんどの場合において十分な近似値ですが、δは実際には電流が1/eまたは全体の37%に低下する深さであり（ゼロではありません）、厳密に正弦波に適用されます（コンバータ設計でしばしば見られる複雑なAC波形ではありません）。

ローカルカップリング効果

EMCの問題を引き起こす2つの主な不要な効果は、信号の誘導性と容量性結合であり、伝導および最終的に放射されるエミッションをもたらします。電流ステップから誘導される電圧は、E = -L.di/dt として表されます。最近のコンバータ設計では、1000A/μs の電流エッジレートを生成することができます。したがって、わずか 10nH で 10V のスパイクを発生させることができます。このインダクタンスは、トラッキングや配線の数ミリ程度に過ぎません。

同様に、電流は浮遊容量I = C.dV/dtを介して誘導され、電圧エッジレートは50kV/μsにもなり、トランスの絶縁容量の代表値であるわずか10pFを介して500mAの変位電流が発生することになります。

これらは、電流と電圧のインパルスを指しています。基本周波数と低次高調波による定常的なRMS実効値はもっと小さく、EMCエミッション評価でスペクトル解析に登録される値です。RMS実効値はスイッチング波形のフーリエ解析から得られ、その後、単純なインピーダンス計算（例えば、E＝2πfL.iやV＝i/2πfC）からその周波数での電流と電圧を得ることができます。共振型コンバータでは、この計算がさらに簡単になります。

近接場と遠距離の効果

発生源から短い距離での磁場の影響を定量化することは非常に困難です。すでに見たように、電界 “E” を変化させると浮遊容量を通して導体に変位電流が誘導され、磁界 “H” を変化させると導体に電圧が誘導されます。これは “ ニアフィールド ”での話であり、ソースからの距離rにおける効果は1/r2または1/r3に比例して減少します。 さらに遠くの “ファーフィールド” では、効果は複合的な電磁波となり、1/rの速度で落ちていきます。この結論は、放射が無指向性であると仮定することで導き出されます。近接場と遠距離の境界は、近似することはできますが、光源の物理的寸法Dと波長λに依存します：

音源寸法＜λの場合、r = λ/2π
音源寸法＞λの場合、r＝2D²/λ

典型的な電力コンバータの基本スイッチング周波数に関しては、ソースの寸法は波長よりも確実に小さく、rは何十メートルもの範囲にあるため、すべての局所効果は近接場に限られます。高次高調波レベル、例えばGHzのオーダーでは、ミリメートルオーダーの大きさのソースに対して境界はミリメートル範囲にあります。EMエミッションの規格はこれを反映しており、規定限界は通常1GHzまでで、比較的短い固定距離で測定されます。

ガルバニックカップリングが果たす役割

不要なカップリングは、単純にガルバニックと呼ばれるもので、ソースからの電流が接続部に流れ、過剰な電圧を落としたり、他の電流経路と混ざって "クロストーク "を発生させたりします。PCBトラックはしばしばその犯人となり、大きなDC抵抗を発生させることがあります: 長さ10mm、幅1mm、厚さ35μm（1オンス）の銅は、25℃で5mΩ近く、85℃では6mΩになります。この抵抗に流れる電流による電圧降下は、同じ接続部を流れる他の電源や信号の電流に加わり、干渉を引き起こす可能性があります。ACに対するトラックのインピーダンスはより複雑で、隣接するトラック、グランドプレーン、および他のコンポーネントとの近接性に依存します。

例えば、図4が示すように、比誘電率ε_rを持つ材料のグランドプレーンまたは分離Hを持つ単純なマイクロストリップ上の、幅Wと厚さtのトラックは、以下の特性インピーダンスZ₀を持ちます:

Z₀ = (87/√[ε_r + 1.41]). ln(5.98H/[0.8W + t])ohms

典型的なプリント基板では、εr = 4、H = 0.76mm、T = 35μmであるため、1mm幅の銅トラックは約65Ωの特性インピーダンスZ0を持つことになります。この値は重要で、この値とトラック内の高周波電流のソースおよびシンクインピーダンスとの間にミスマッチがあると、スイッチングエッジでリンギングが発生します。

ビアも完璧ではありません

また、層間のビアも寄生効果で特徴付けることができます。図5が示すように、外径をD、内径をd、未充填、長さTとすると、インダクタンスは次のようになります:

L = 2T(ln(4T/d) + 1)nH

一方、キャパシタンスは次のようになります：

C = 0.55 ε_rTD(D - d)pF

一般的な未充填ビアでは、これらの値は1.2nHと0.33pFです。さらに，DC抵抗は約0.5mΩとなるのに対し，熱抵抗は約100℃/ワットとなります。

コンバータの電源経路の電流を理想的に分離できないこともあります。図6に示すように、古典的な降圧トポロジーはそのような例であり、共通接地点の “スター” 接続が最適ですが、回路のエネルギー貯蔵と放出フェーズで動作する複数の電流ループにより、その位置は最適とは言えません。また、フィードバック信号に最適な共通グランドポイントは、必ずしも電源経路と同じとは限りません。

結論

本稿では、電力コンバータの部品と接続部の相互作用を低減し，低伝導・低放射エミッションと規格適合を達成するために必要な設計上の考慮事項について触れました。さらに、その影響の大きさを知るために、ある現実の寄生値も示しています。本稿では、電源メーカーであるRECOMが最近発行した 「EMC知識の本」 [1]を主な資料としました。

バッテリーチャージャーに関しては、分解してみると、金属ケースにもかかわらず安全やEMIのアース接続がなく、VDRもなく、 “X” コンデンサが装着されていないスペースがあり、チョークの位置がストラップアウトされていました。おそらく、設計者は製品を適格に仕上げるという正しい考えを持っていながら、コスト削減がその善意を打ち消してしまったのでしょう。

参考文献

[1] EMC ‘Book of Knowledge’ RECOM https://recom-power.com/rec-n-new--emc-book-of-knowledge-266.html

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