出力にロングラインを使用する場合のEMI実施制御 (第1部)

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多くのカーエレクトロニクスのアプリケーションでは、負荷は長い出力ラインを介してマザーボードに接続する必要があり、結果として過度にEMIが行われます。長いライン負荷を必要とする車載アプリケーションには、クラスDパワーアンプ、LED、USBチャージャなどがあります (図1参照)。

図1 : 車載アプリケーション

この記事は、3部構成のシリーズの最初の部分で、長いライン負荷の下で過剰に実施されたEMIを分析し、改善する方法を探ります。第1部では、長期負荷の EMIテスト結果と、コモンモードEMIモデルを使用した解析の枠組みについて説明します。第2部では、出力の長いラインのインピーダンスの接地に対する伝送ラインの効果を解析します。第3部では、共振ピークを分析し予測するための3つのEMIノイズ削減方法を検討します。

長期負荷のEMI試験装置

EMI試験を実施する場合は、出力ラインの長さが実際のアプリケーションと一致していることを確認します。図2は、長期負荷テスト装置を示します。この負荷は、車載受信機を保護するCISPR 25規格に基づいています。試験中の装置 (EUT) はリファレンスグランド (銅板) から5cm離れた場所に置かれ、媒体として低誘電率 (相対誘電率が1.4以下) が機能します。実際の用途に応じて出力ラインは約1mから2mです。LISNは、電源と試験装置 (EUT) の間に接続され、ノイズループに一定のインピーダンスを提供します。インピーダンスは標準モードで25Ωです。

図2:CISPR 25に基づく長期負荷試験装置

図3は、出力ケーブルを使用しない場合と2m出力ケーブルを備えた場合との、オンボード車両クラスDパワーアンプ (2.2MHz、ブリッジ接続負荷、24.5W、アナログ入力) のEMI試験結果の比較を示しています。出力ケーブルがない場合、クラスDパワーアンプのEMIはCISPR 25要件を満たすことができます。2m出力ケーブルを使用すると、特に30MHzおよび90MHzのピーク時に、EMIスパイクがCISPR 25に違反します。

図3 : 長期負荷比較 (出力ケーブルなし と 2m出力ケーブル)

長期負荷時のEMIスパイクに対処するために、MPSはコモンモードEMIモデルを使用して、実施されたEMI試験結果を解釈します。これらの結果は、後で伝送ラインモデルとノイズ除去法を使用して試験します。

コモンモードEMIモデル

Class-D トポロジーと、その伝導されたコモンノードノイズ経路を考えてみましょう (図4を参照)。回路内のdV/dtノードとスイッチング周波数のdI/dtループはコモンモードノイズを発生させます。ノイズは出力フィルタを通って出力側に渡り、次に出力側を通ってリファレンスグランドの接地インピーダンスに流れます。最後に、コモンモードノイズはLISNからEUTに戻って流れます。出力ケーブルのグランドへの寄生インピーダンス (ZP) は、実施されたEMI解析にとって重要です。さらに、dV/dtノードの寄生キャパシタンス (CSWP) は、リファレンスグランドへの コモンモードノイズの経路を提供します。

図4 : Class-D パワーアンプのコモンモードノイズ経路

置換の定理によれば、EMIを解析する際、電圧源または電流源がスイッチ上の電圧または電流を置換することができる。図5は、置換の定理を適用した後の回路図を示します。

図5 : 置換の定理を用いた電流の図

次に、重ね合わせの理を適用して、各ソースで発生するノイズを個別に解析します。電圧源と異なり、電流源は単独でノイズを発生しません。図6は、重ね合わせの理に基づいて共通ノイズ電流源を解析する方法を示しています。

図6 : コモンモードノイズ電流源の解析

図7は、コモンモードの重ね合わせの理に基づくコモンモードノイズ電圧源の解析を示し、この場合も、予備コモンモードモデルを生じます。

図7 : コモンモードノイズ電圧源の解析

出力ラインは大きな導体であるため、出力ラインとEUT間の近接場結合も考慮する必要があります。近接場結合には、電界結合と磁界結合の2種類があります。

電界結合とは、1つの導体 (第1スイッチングノード (SWA) と第2スイッチングノード (SWB))と別の導体 (出力ライン) の間に寄生コンデンサが配置される回路を指します。図8は、導体が高周波dV/dtノードの場合、電流ノイズが第2のノードに流れ、EMIノイズが発生することを示しています。

磁界結合とは、1つのループ (スイッチと入力コンデンサの間のループ) と第2ループ (出力ラインとリファレンスグランド間のループ) の間のインダクタンスを指します。図8は、一方のループが高周波dI/dtループの場合、他方のループが誘導された起電力を発生させ、EMIノイズをもたらすことを示しています。

図8 : 電界結合と磁界結合によるEMIノイズ

電界結合の場合、図7の簡略コモンモードモデルを修正することができます。図 9は、CCOU がスイッチノードから出力行に結合されたコンデンサを表しています。高周波数では、コンデンサのインピーダンスは最小限で、電流ノイズをバイパスしてEMIを生成します。

図9 : 電界結合のためのEMIモデルの改良

図6のdI/dtループを変更して、磁界結合を生成できます。図10は、コモンモード経路が分離後にノイズソースを追加する方法を示しています。ノイズは、dI/dt に比例し、入力ループと出力ラインからグランドへのループ間のインダクタンスに比例します。

図10 : 磁界結合のためのEMIモデルの修正

まとめ

本稿では、試験装置の長期負荷によるEMI結果を検討し、置換と重ね合わせの理を適用してコモンモードEMIモデルを開発しました。また、電界結合と磁界結合の間で広く分類できる近接場結合の問題についても検討しました。第2部は、出力のグランドへのロングラインインピーダンスを取得するために、伝送線モデルでさらに深く考察します。第3部では、共振ピークを分析し予測するための3つのEMIノイズ削減方法を検討します。

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