DC電源のノイズ低減と測定
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概要
DCスイッチング電源は可聴ノイズを生成する可能性があり、それはしばしばわずかな笛のように聞こえます。可聴ノイズはどこから発生し、どのように低減または排除できるのでしょうか? この寄稿文では、アプリケーションの測定と設計中にノイズを防ぐ簡単な方法について説明します。これを読めば、DC電源回路の既存または計画中のPCB設計に共通の弱点を見つけることができます。
はじめに
積層セラミックコンデンサ (MLCC) や DC電源回路が可聴ノイズの原因になると一般的に考えられていますが、それは真実ではありません。ノイズは部品ではなく、プリント基板から発生します。
図1は、3つの代表的な評価ボードを示しています。この寄稿文では、これらの部品のノイズ、および回路基板のサイズとその実装の影響について順を追って調べます。
図1: 評価ボード (1)
注:
-
左から右へ: MPQ4590 - 出力電流が最大400mA、640V非絶縁型レギュレータ。 MPQ4316 - 周波数スペクトラム拡散を備えた 45V、6A、低IQの同期整流ステップダウンコンバータ。 MPQ4572 - MPS の 60V、2A、高効率、完全集積型の同期整流降圧コンバータ。
振動源
MLCCセラミックコンデンサの電圧が圧電効果によって変化すると、そのコンデンサの形状が変化し、振動が発生します (図2を参照)。
図2: MLCCの振動
PCBでノイズが発生する仕組みと、その原因となるDC電源回路部品
セラミックコンデンサ (MLCC) に電圧変化が発生すると、振動刺激が発生します。振動は、発話に敏感な周波数範囲 (0.1kHz～7kHz) で容易に聞こえます。振動は、はんだ接合部を介してPCBに伝達されます。PCBは、スピーカーの膜に匹敵する可聴ノイズを発します。
図3は、DC電源回路の代表的な部品を示しています。他の部品はノイズを発生しないため、MLCCとPCBの寸法が可聴ノイズの鍵となります。
図3: MLCCは振動刺激、PCB はノイズ源
すべてのMLCCが同じように動作するわけではありません。大容量のClass 2およびClass 3のMLCCのみが圧電効果を持ちます。他のタイプのコンデンサ、モールドインダクタ、抵抗器、およびICは、負荷がかかっても形状の変化を示しません。これは、他の部品がノイズ源として重要でないことを意味します (表1を参照)。
| MLCC Class 1 NPO、COG | MLCC Class 2、3 X7R、X5R、Y、Z | MLCC Class 2、3 インターポーザタイプ、金属ストリップ | 電解タンタル有機コンデンサ | スイッチングインダクタンス (モールド) | フェライトビーズ、抵抗器、DC/DCコンバータ | |
| 刺激 | なし | あり | 減衰する | なし | なし | なし |
表1: 可聴システムと非可聴システムの部品分類
FCCMまたはAAMのDC電源
強制連続導通モード (FCCM) で動作するDC電源回路だけが、音声に敏感な可聴周波数範囲内の可聴ノイズを生成します (たとえば、GSMパルスまたは他の周期的負荷)。高いDCスイッチング電源周波数は聞こえません。
DC電源回路が高度な非同期変調モード (AAM) で動作する場合、軽負荷モードのスイッチング周波数は、20kHz未満の低いkHz範囲になる可能性があります。AAMスイッチング周波数は固定周波数ではありません。それらはランダムであり、可聴性が低下します。AAMは、一般に強い刺激がないため、ノイズがほとんどない軽負荷電流下でのみアクティブになります。
3つの機械システムの比較
PCB上の可聴ノイズは、弦楽器で音が生成されるのと同じ方法で生成されます (図4を参照)。
図4: PCB サウンドと音楽
この理論については、以下でさらに詳しく説明します。
- 刺激: システムは、刺激と呼ばれる入力信号を受け取ります。人間の耳は、多くのPCBの共振周波数と同じ範囲にある2kHzから5kHzの間で最も敏感です。刺激波形は、指がギターをかき鳴らしたり、ハンマーで弦を叩いたりするようなものです。これはディラックインパルスとして機能し、PCB共振、弦への刺激、可聴基本周波数と倍音によるPCB応答など、多くの部品が周波数に寄与します。MLCCがPCBの共振周波数と同じ周波数で振動すると、最も大きなノイズが発生します。
- 振動: 振動は力を動きに変換します。振動面が小さすぎるため、自由空気中で振動するMLCCは聞こえません。この動きは、振動する楽器や弦を増幅しないと聞き取りにくいことに似ています。
- ブリッジ: 振動は響板に伝わります。ブリッジ (はんだ接合部) が振動を伝えます。金属はんだストリップまたはインターポーザ基板を備えたMLCCは、伝達される振動エネルギーを減衰させます。
- サウンドボード: 響板は振動を可聴音に変換します。PCBは、拡声器の膜に相当する響板として機能します。
マイクを使用したPCBノイズの測定
DC電源回路とPCBマウントの音響ノイズと共振周波数は、マイクとディラックインパルス刺激を提供する小さな物体を使用して測定できます。コンデンサマイクは、ダイナミックマイクよりもMLCCの磁場に対する感度が低いため、コンデンサマイクを選択することをお勧めします。
硬いプラスチック製の棒またはプラスチック製のピンセットを簡単な機械式聴診器として使用して、可聴ノイズを聞き取りやすくすることができます (図5を参照)。金属製のオブジェクトはより大きな音を出すため、振動の振幅が大きいポイントを検索するのに役立ちます。
図5: 可聴ノイズを測定するためのセットアップ
電力供給時と非供給時のマイクの測定を比較すると、PCBの共振周波数がまったく同じであることがわかります (図6を参照)。
電源状態: PCBは電気信号によって励起されます。250Hzの負荷ステップによりMLCCが振動し、3900Hzの共振周波数でPCBを励起します。
電源が入っていない状態: PCBは機械的衝撃によって励起され、プラスチックスティックで短く押すと、PCBは3900Hzの共振周波数で機械的に振動します。
機械的または電気的な励起のタイプの違いは、PCBの共振周波数に影響を与えません。機械的衝撃試験は、寸法と取り付け点が同等である限り、試験用PCBの音響的挙動を示すことができます。これは後のシリーズのPCBでも同様な挙動を示します。
図6: MPSのMPQ4572を使用した、9cm x 4cm、完全に組み立てられたシリーズSMT PCBの測定
ターンテーブルとマイクを使用したPCBノイズの測定
圧電式加速度計が利用できない場合、ダイヤモンドの水平方向の振動を正確に測定できる簡単な代替手段として、ターンテーブルがあります (図7を参照)。可動磁石または可動コイルカートリッジのみが電力を供給されていない測定である場合、コンデンサ電流の磁場が信号を妨害します。動力測定の場合、振動の測定には水晶カートリッジの方が適しています。マイクロホンが積分を測定し、一方カートリッジまたは圧電加速度計は指定されたポイントを測定します。
図7: 共振周波数2166Hzの両面、レイヤード 9cm x 9cm PCB
マイクは2次的ハンマータッチと、ハンマーの衝撃中の器械的バウンドを示しています。大きなカートリッジの振幅は、PCBとトーンアームを備えたカートリッジの水平方向の動きを示しています。ここのPCBは2面でサポートされており、ターンテーブルのラバーマットの上では自由です。
図8: 可聴ノイズと単一点振動を測定するためのセットアップ
表2は、さまざまな条件下でのさまざまな共振周波数を示しています。
| PCBサイズ | 条件 | 共振周波数 |
| 4cm x 4.5cm | ターンテーブルのラバーマットに置いて外力で押す | 5690Hz |
| 4cm x 4.5cm | ターンテーブルのラバーマットに置く | 5058Hz |
| 4cm x 4.5cm | 両面支持 | 4552Hz |
| 9cm x 9cm | ターンテーブルのラバーマットに置く | 3742Hz |
| 6cm x 6cm | EVQ4590 直置き | 3506Hz |
| 9cm x 9cm | EVQ4316 直置き | 2395Hz |
| 9cm x 9cm | 両面支持 | 2166Hz |
表2: 共振周波数 対 PCBサイズ
実際の設計では、予備設計ステータスのPCBの機械モデルを最初の測定に使用できます。共振周波数を測定する前に、PCBをハウジングに実装し、両方を組み合わせて測定します。
重畳振動周波数とPCBの振動伝達機能
負荷電流の高速フーリエ変換 (FFT) を計算し (図9を参照)、これらの値をPCBモデルの共振周波数と比較します。計算された周波数がPCB共振周波数に達しているかどうかを確認します。
図9: 250Hz方形波の高速フーリエ変換 (FFT)
PCBには振動伝達関数があり、これは機械的2次共振システムにほぼ相当します。これは、PCBのサイズと剛性によって定義される質量とばね定数で構成されます (図10を参照)。
図10: 簡易PCB振動伝達関数
FFTをPCB振動伝達関数と重ね合わせ、PCB共振と重複する周波数をチェックします。機械的設計を考慮し、大きな振動振幅が共振周波数の領域に到達しないようにしてください。
DC電源回路のノイズを低減する方法
PCBの共振周波数付近では、振動がはっきりと聞こえます。振動周波数と共振周波数が重ならないようにしてください。
ほとんどのPCBでは、電気的励起を変更することはできませんが、音響ノイズを回避するために、次の方法でPCBを変更できます。
- PCBの共振周波数を振動周波数より上にできるだけ高くします。取り付け箇所が多いほど、PCBの共振周波数が高くなります。
- PCBのダンピングを増やし、柔らかいダンピング素材 (プラスチック、ゴムなど) の取り付けポイントを使用します。
- PCBサイズが小さくなると、共振周波数が高くなります。
- 制振材との接触面積が大きいほど、制振性が向上し、可聴ノイズが減少します。
結論
MLCCセラミックコンデンサの電圧が変化すると、圧電効果によって形状が変化し、機械的な動きが生じます。MLCCで生成されたこの振動は、スピーカーの膜のように、はんだ接合部を介してPCBに伝達され、可聴音を増幅する可能性があります。振動の周波数成分、PCBの寸法、その質量、ばね定数、および設置のタイプによって、可聴ノイズが生成されるかどうかが決まります。
DCのPCBマウントを開発するときは、共振周波数を高めるために、回路基板を多くの分散したマウントポイントに取り付けるように注意してください。制振材で固定すると、共振周波数の品質が低下します。PCBの共振周波数を励起する可能性のある振動周波数を避けてください。ハードウェア開発者は、静かな環境での電話やモニタなど、回路基板上の可聴ノイズが散っていないかどうかを検討する必要があります。
電気負荷プロファイルによって発生するMLCCで予想される周波数スペクトルを決定する必要があります。計画され、組み立てられた PCBの共振動作を推定する必要があります。この知識があれば、DC電源回路と PCB設計のメカニズムを事前に最適化できます。
この記事で説明されている方法は、エンジニアが音響問題が発生する可能性があるかどうかを推定し、PCBの複数回の開発を節約するのに役立ちます。
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