構造共振によって引き起こされる EMI 問題のトラブルシューティング

それはあなたにも起こりましたか？電磁干渉 (EMI) 問題のトラブルシューティングを行う場合、コンポーネントのさまざまな組み合わせを試してみると、対象の信号が減少することがわかりました。しかし、別の周波数信号が予期せず限界線を超えて上昇しました。あるいは、プリント基板 (PCB) にシャーシプレーンを導入したものの、放射エミッションが改善されるどころか、さらに悪化していることがわかりました。これらは「回路の共振を調整する」典型的なケースです。

EMI 放射のほとんどは構造共振に関連しています。構造共振は、電磁適合性 (EMC) がわかりにくい主な理由の 1 つでもあります。エンジニアは、知らず知らずのうちに、インダクタやコンデンサなどの受動素子を追加して、回路の共振を調整するために何日も何ヶ月も費やすことがよくあります。場合によっては、幸運にも最終的にパスを与える組み合わせにたどり着くことがあります。しかし、ほとんどの場合、解決策を見つけるのは困難です。

構造共振をテーマとして膨大な量の研究が行われており、これらの研究の概要は参考資料 1 に記載されています。参考資料 1 には、EMI 問題を特定、特定、修正する方法を示す 2 つの実践的なケーススタディも示されています。構造共鳴に関連しています。

EMC エンジニアリングでは、多くの場合、限られた時間内で問題を解決する (ただし調査はしない) 必要があります。したがって、効果的でありながら時間を節約できるテクニックが推奨されます。構造共振の存在を示すインジケーターがあり、エンジニアはこれらのインジケーターを使用して共振構造を特定し、EMI 問題を解決する方法を学ぶことができます。この記事では、構造共振によって引き起こされる EMI 問題のトラブルシューティングにおける実践的なテクニックについても説明します。これらの手法を説明するためにケーススタディを示します。

構造が共振するには、次の条件を満たす必要があります。

図 1: 構造共鳴の典型的なケース。 (a) ワイヤー接続された 2 つの PCB。 (b) 同じ接地点を持つ 2 つのキャビネット。

一般に、構造共鳴を特定するには、分析技術、周波数領域技術、時間領域技術を含む 3 つの方法があります。

分析アプローチでは通常、システムをモデル化/シミュレーションするための経験と技術的ノウハウが必要です。参考文献 1 で紹介されているケーススタディなど、既知の問題がある小規模システムの場合、多くの場合、単純な数学的計算で、被測定デバイス (DUT) の共振周波数を推定するのに十分です。多くの場合、分析アプローチは 3D 全波シミュレーションまたは特殊な EMC ソフトウェアによって実現されます。

分析アプローチの利点は、プロトタイプを作成する前に予測ができることであり、このアプローチは自動車、航空宇宙、および宇宙アプリケーションの設計と開発で一般的になっています。多くの場合、そのような企業は、過去に検証されており、新しい研究のために簡単に変更できるシミュレーションモデルを持っています。しかし、既存のモデルを持たない企業にとって、シミュレーションの構築はコストがかかり、時間のかかる作業になる可能性があります。

周波数領域には 2 つの主要な手法があります。磁界ループによる反射電力の測定については参考文献 2 で説明されており、同じ方法が参考文献 1 で実証されています。この方法では、多くの場合 PC 基板レベルで疑わしい構造を「嗅ぎ分ける」ために小さな磁界ループが必要です。 Williams は、追跡発生器を備えたスペクトラムアナライザを使用した遠距離場測定を導入しました (参考文献 3 を参照)。基準信号はトラッキングジェネレータの出力によって DUT に注入され、アンテナは応答信号の測定に使用されます。この方法は、PCB グランドがエンクロージャ (シャーシ) と共振するアプリケーションに特に役立ちます。どちらの方法も実用的で、少量のテスト設定のみが必要です。これらの方法の欠点は、多くの場合 PCB 基板レベルの調査に限定されており、大規模システムでは役に立たないことです。

時間領域では、システムにパルスが注入されたときに RF 電流監視プローブを使用して共振電流を測定することがよく使用されます (参考文献 4 を参照)。これは、大規模システムや複数の PCB が相互接続されているシステムのトラブルシューティングを行う場合に効果的な手法として機能します。

表 1 は、手法と各方法の長所と短所をまとめたものです。

モデルを正確に構築するには長い時間がかかります。

ソフトウェアを実行するライセンスには費用がかかる場合があります。

これらの手法は参考文献 1 で紹介および実証されています。この記事では、構造共鳴の特性に基づいたより実用的なアプローチをさらに検討します。

構造共振の典型的な特徴の 1 つは、最終ラジエーターが元のラジエーターよりも効率が高いため、共振によって放出量が増加する可能性があることです (参考文献 5 を参照)。次のケーススタディはその点を示しています。

大型電気自動車の放射試験中に、222MHzの狭帯域スパイクが限界を超えていることが判明しました（図2a）。異音は車室内に設置されたカメラから発生したものであることが判明した。カメラの電源リード線には複数のフェライトが使用されていましたが、ノイズを抑制するほどの大幅な改善はありませんでした (これは構造共振のもう 1 つの兆候です)。また、場合によっては同じノイズがはるかに低く測定されたため、テストでは「不一致」も示されました (図 2b を参照)。私たちは偶然、排出結果の違いが車両のドアに起因していることを発見しました。ドアが開いているときの騒音放射は、ドアが閉じているときよりも大幅に減少しました。

図 2: (a) 車室内カメラによって発生する 222 MHz のノイズ (b) 車両のドアが開いているとき

車載カメラと、長さ 20 cm の電源リードを含む関連回路は、それ自体では、回路に含まれる周波数 (および高調波) において効率的なラジエーターではありませんでした。図 3 に示すように、ドアを閉めたとき、ドアはカメラ領域の近くに位置しました。ドアは主にガラス製でしたが、フレームはドアを連結する機械構造とともに金属製の筐体の一部であり、EMC の懸念事項とみなされる必要があります。ドアがカメラと物理的に接触していなかったとしても、寄生容量とインダクタンスによってカメラの RF エネルギーがドアに結合され、222 MHz のノイズが非常に効率的に放射されました。 222 MHz では、半波長ワイヤは約 0.5 メートルです。図 3 に示す構造は、効率的なアンテナとして簡単に機能します。

図 3: DUT のドアはより効率的なアンテナとして機能し、放射を増加させます。

EMI トラブルシューティングに関しては、構造共振を特定して特定することが作業の中で最も難しい部分となることがよくあります。この場合、最終ラジエーターが抑制されなかったため、カメラの電源リード線のフェライトが効果を発揮しなかったのは当然です。より賢明なアプローチは、カメラの電源リードをアルミホイルでシールドし、ドアから離して配置することでノイズ源を隔離することです。これは、問題を解決するためのコスト効率の高い方法としても機能します。図 4 に示すように、ドアを閉めると騒音が大幅に減少しました。

図 4: アルミニウム箔を使用してカメラの電源リードを分離すると、222 MHz のノイズが大幅に減少しました。

このケーススタディでは、デバイスは 200 MHz と 400 MHz の周波数範囲、および 800 MHz と 900 MHz の範囲でイミュニティテスト (放射イミュニティとバルク電流注入 (BCI) テストの両方) に不合格でした。他の周波数範囲では、デバイスはエラーなく正常に動作しました。

DUT の PCB のサイズは約 50 mm × 50 mm で、長さ 200 mm のループを形成します。 PCB 上の配線とトラックが 200 ～ 350 MHz の周波数範囲内で効率的なループアンテナを形成している可能性があると仮定しました。電磁波は、方程式 v=λf に基づいて、FR4 材料中を 1.5×108 m/s の速度で伝わります。ここで、v は FR4 における光の速度、f は周波数です。 200 MHz の波の場合、全波長は 750 mm と計算されます。波長の 4 分の 1 (放射線が最も強い場所) は 187.5 mm です。 PCB 自体は 200 MHz の周波数範囲で共振する可能性があります。おそらく、イミュニティテストでノイズ源から注入される 200 MHz (およびその高調波) の RF エネルギーをさらに吸収するでしょう。

図 5 に示すように、RF 電流監視プローブを使用して、イミュニティテストで PCB の前後の RF を測定しました。周波数掃引は 100 MHz から 1 GHz まで実行されました。 RF アンプは、100 MHz と 1 GHz の周波数範囲から、BCI プローブを介してメインコネクタケーブルに同レベルの RF ノイズを注入しました。結果を図 6 に示します。

図 5: DUT の 2 つの位置 (PCB の 1 つ前) で RF 電流を測定するためのテスト設定。位置 2 – PCB の後

図 6: 100 MHz と 1 GHz の間の周波数掃引

黄色のトレースは位置 2 の結果を示し、ピンク色のトレースは位置 1 の結果を示します。青色のトレースは 2 つの測定値の差です。基本的に、青色のトレースで示されている正のプロファイル (周波数ポイントマーカー 1 と 2、および周波数ポイントマーカー 3 と 4 で示されているように) は、PCB が入力信号を増幅するのに対し、残りの周波数範囲では PCB が入力信号を減衰することを意味します。 RF ノイズ (負のプロファイルとして表示)。 200 MHz ～ 400 MHz および 840 ～ 920 MHz でイミュニティの問題が発生した理由がわかりました。

このイミュニティの問題を解決するには、デカップリングコンデンサとともに、対象の周波数範囲で最も効果的に機能するコモンモードチョーク (CMC) が必要です。この周波数範囲で効果的に機能するため、静電容量値は 470pF です。

構造共振のもう 1 つの兆候は、フェライトが本来の効果を発揮しないことがよくあることです。たとえば、最初のケーススタディでは、カメラの電源リード線のフェライトは期待したほどノイズを抑制しませんでした。フェライトは抵抗性 (損失性) があり、減衰要素として機能する必要があるため、ケーブルの共振を低減するためにフィルター要素としてフェライトを使用することは通常効果的です。ただし、主な構造共振がケーブルではない場合、フェライトを追加すると反射が追加されることがあります。その結果、ノイズレベルは同じままになるか、周波数とともに変化します。

図 7 は、50 ～ 100 MHz の間で共振の問題を引き起こした、新しく開発された PCB 設計の伝導性放射を示しています。見てわかるように、新しい設計は PCB の低周波性能を向上させましたが、高周波では大幅に低下しました。エンジニアが発見したのは、電源ケーブルに複数のフェライトを使用しても、伝導性放射は低減できないということでした。 50 ～ 100 MHz の周波数では、ノイズプロファイルは高いままでした。

図 7: 開発中の PCB の伝導性放出の結果。黄色のトレース – アンビエント、ピンクのトレース – 以前のデザイン、青のトレース – 新しいデザイン

レイアウトのレビュー中に、エンジニアがシャーシと PCB のグランドプレーンの接続を怠っていたことが判明しました。その結果、DUT の動作中に PCB のグランドプレーンがシャーシと共振し始めました。シャーシを基準にしてグランドプレーンに高い dV/dt が発生し、エミッションが増加します。 PCB 上のグランドとシャーシポイントの間の銅テープの迅速な接続 (図 8a を参照) により、対象の周波数範囲でノイズが 20dB 以上減少しました (図 8b)。

図 8: (a) 銅テープ接続によるシャーシとグランドプレーンの接続 (b) 伝導性放射の結果が大幅に改善

EMI 問題のトラブルシューティングを行う場合、構造共振を示す兆候がいくつかあります。構造共振により、共振周波数範囲（およびその高調波）の放射が増加し、また、試験対象のシステムが共振周波数での外部干渉に対してより敏感になります。場合によっては、フェライトを追加しても構造共振によって引き起こされる問題を解決できず、コンデンサを追加すると共振周波数がシフトします。これらの問題を解決するための最初のステップは、共振構造を特定して位置を特定することです。これが完了すると、多くの場合、問題の解決には絶縁、減衰、接地接続の改善が含まれます。

コンポーネントデザインemiMin Zhangpc共鳴

Min Zhang 博士は、EMC コンサルティング、トラブルシューティング、トレーニングを専門とする英国に本拠を置くエンジニアリング会社である Mach One Design Ltd の創設者であり主任 EMC コンサルタントです。パワーエレクトロニクス、デジタルエレクトロニクス、電気機械、製品設計に関する彼の深い知識は、世界中の企業に恩恵をもたらしています。

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