カーエレクトロニクスにおけるEMIの生成、伝播、抑制 (第2部)

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はじめに

本稿は、EMI問題のモデリングと分析の戦略を掘り下げる2部構成のシリーズの第2部です。 第1部では、差動モード (DM) ノイズとコモンモード (CM) ノイズの間の伝導EMIを低減するためのアプローチについて説明しました。第2部では、テブナンの定理に基づく放射EMIモデリング戦略と、グランドインピーダンス低減技術について説明します。

放射EMI

従来、放射EMIは、電磁界理論を使用して導出および分析されてきました。ただし、エンジニアリングアプリケーションの場合、EMIの問題を理解して解決できる式は複雑で極少数です。

EMIの問題を軽減する別の方法は、明瞭な回路モデルを確立することです。図1は、放射されたEMIが入力および出力電源ケーブルで構成されるダイポールアンテナをどのように伝搬するかを示しています。このシナリオでは、コンバータのCMノイズ源がEMIの駆動源です。

図1: 放射線EMI生成のメカニズムとモデル

テブナンの定理によれば、コンバータは電圧源とその直列インピーダンスとしてモデル化できます。一方、アンテナは3つのインピーダンス (RL、Rr、およびXA) でモデル化して、アンテナ自体の消費電力RL、放射エネルギーRr、およびアンテナによって蓄積された近接場エネルギーXAをそれぞれ表すことができます。コンバータとアンテナについては、以下でさらに詳しく説明します。

コンバータ

図2は、コンバータのソースが弱いほど、放射するエネルギーが少ないことを示しています。理想的には、グランドインピーダンスが無視されるため、非絶縁コンバータの入力と出力の間にインピーダンスがありません。この場合、等価ソース (VCM) はゼロであり、EMI放射は生成されません。ただし、実際には、グランドとの間のPCB配線によってインダクタンスが発生し、入力 (P1) と出力 (P3) の間に電圧降下が発生し、放射EMIが発生します。

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図2: 理想的および実際の昇降圧コンバータ回路モデル

この知識があれば、放射EMIのモデルを作成できます。伝導EMIモデルと同様に、電圧源と電流源は、置換定理に基づいてアクティブスイッチを置換するために使用されます。図3は、電圧源と電流源の両方がEMIノイズを生成することを示しています。ここで、aは電圧源 (VSW) 、bは電流源 (ID) です。

図3: 昇降圧コンバータはEMIノイズ源を放射する

図3のモデルに基づいて、各ソースから同等のCMソースへの伝達関数を取得できます。この実験では、電圧源と電流源をオシロスコープで測定します。各インピーダンスの大きさは、インピーダンスアナライザーによって測定されます。また同等のソースは計算によって予測されます。図4は、予測値が同等のCMソースの測定値と一致していることを示しており、モデルの合理性を検証しています。

図4: 予測された同等のCMソースと測定された同等のCMソースの比較

アンテナ

固定アンテナ転送ゲインは、EMI試験で固定されているアンテナの位置と長さに基づいて測定されます。前のセクションで得られた同等のCMソースとインピーダンスを使用して、次のステップは実際のEMIノイズを予測することです。図5は、昇降圧コンバータのEMIノイズを予測するプロセスを示しています。図5aは放射EMI予測手順を示し、図5bは予測結果と測定結果の比較を示しています。比較により、予測および測定された放射EMIノイズがほぼ同じであることが確認されます。

図5: 放射EMI予測の手順と予測および実際の放射EMIノイズの比較

放射EMIを抑制する効果的な方法は、グランドインピーダンスを下げることです。非絶縁コンバータでの一般的な方法である2つの削減手法があります。最初の手法は、入力と出力の間の距離を最小化することです。これにより、グランド配線のインピーダンスが減少します。2番目の手法は、入力ノードと出力ノードの間に小さなバイパスコンデンサを追加して、入力と出力の間のインピーダンスを下げることです (図6を参照)。

図6: PCBレイアウトを変更することによるEMIの削減

図7は、これらの手法の有効性を確認しています。図7aは、入力ノードと出力ノード間のPCBレイアウトを変更した後のEMI結果と比較した元のEMI結果を示しています。図7bは、交差コンデンサを追加した後のEMI結果を示しています。どちらの手法でもEMIを減らすことができます。

?図7: 改善されたPCBレイアウトとクロスコンデンサでEMIを低減

結論

本稿では、コンバータとアンテナを使用して回路モデルの物理的重要性を確立することにより、放射EMIノイズを制御する方法を確認しました。EMIの問題に関しては、モデリングと分析のアプローチが不可欠です。これにより、車載用電子機器のエンジニアはEMI要件を満たし、車載用電子機器の安全基準を強化できます。

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