サンテクノ技術セミナー
高周波技術入門
講座テキスト
その9
平成18年11月17日
9.電磁適合性

電気機器などが備える電磁的な不干渉性およ
び耐性をいう。電磁両立性とも言う。




電磁的な不干渉性:ある機器の動作によって他の
機器の動作を阻害したり、人体に影響を与える一定
レベル以上の干渉源となるEMIを生じないこと。
電磁的な耐性:付近にある電気機器などから発生
する電磁波などによって、自身の動作が阻害されな
いEMSを持つこと。
EMI:電磁干渉(Electro Magnetic Interference)
EMS:電磁感受性(Electro Magnetic Susceptibility)
9.電磁適合性
携帯電話による脳
への影響(右図)
9.電磁適合性

EMC設計


近年のEMI規制強化と電子機器のマイコン・クロッ
ク周波数が高くなる状況では、設計段階でのEMC
設計の盛込みが重要。
EMC設計方法に関しては特に規定化された設計
手順書等は無く、設計者各人の能力とノウハウに
依存している。
9.電磁適合性
(1) PCB設計
ポイント

パターンがアンテナを構成していないか。
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
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
共振周波数の1/4波長の奇数倍で共振(片端接地)
共振周波数の1/2波長の整数倍で共振(両端接地)
共振した導体のQファクターが大きいほど、放射効率は高
くなる
共振した導体の特性インピーダンスが大きい程、放射効
率は高くなる
パターンが”見えない結合経路”を構成していない
か。
9.電磁適合性
具体的設計方法




PCB材質の誘電率が大きいものを選び、P
CB配線の特性インピーダンスを下げる
PCB厚みを薄くして、PCB配線の特性イン
ピーダンスを下げる
筐体へのアースポイント数を増やして共振
周波数を高い周波数に追いやる
筐体とPCBの間に誘電体を充填し、筐体か
らみたPCBグラウンドの特性インピーダンス
を下げる
9.電磁適合性
(2) 部品選定
ポイント

部品選定基準の第一はその構造・寸法



インピーダンス素子のQの最適化


表面実装部品は、外部との電磁的結合が小さい
トランス・コネクター端子・リレー等PCB表面から飛び出し
た構造の部品は、外部との電磁的結合が大きい
Qが大きいと素子上にQ倍の高周波電圧(電流)が生じる
IC等スイッチングデバイスのスイッチングスピード

不要な高周波エネルギーの発生を抑えるため、必要以上
のスイッチングスピードのデバイス使用は避ける
9.電磁適合性
具体的方法


EMCの観点から見ると、使用部品は極力表
面実装部品にすべき
表面実装部品以外の部品を使用する場合





抵抗追加によるQの低下させる
低Q部品の採用する
部品配置の工夫する
高周波シールド付き部品の採用
IC等は、機能上必要なスイッチング速度以
上のスピードを有する部品の採用は控える
9.電磁適合性
(3)部品配置・プリント配線
ポイント




通常プリント基板は、電磁シールド効果のある筐体
中に置かれるため、主なEMCの伝播経路はコネク
タ等の外部インターフェース部である
コネクタは構造上、端子により一度空中に飛出して
いるため、特性インピーダンスが高く特に結合し易い
CPU等のICは、チップの内部配線から電磁エネエ
ルギーを放射するため、まず遠ざける事が先決
配線は、基本的にはなるべく短くする
9.電磁適合性
具体的方法

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


突出部品は、コネクター端子から出来るだけ
遠避ける
距離が取れない場合はシールド板を追加
CPUチップは、なるべく距離を置く
配線は、太く・短く(特性インピーダンスを下
げる)
配線間の結合を最小にするには、互いに直
交させるか又はなるべく間隔を大きくする
9.電磁適合性
(4)筐体設計
ポイント




EMCに最適化設計されたPCB単体であっても、P
CBが直接高周波強電界にさらされるモードがある
場合は、誤動作・損傷を生じる
電磁シールドは、基本的には導体でPCB全体を覆
う構造
導体は物理的に連続である必要は無く、電気的に
連続であれば問題ない
筐体の「穴」は電磁波の通り道。但し、一般的に使
用周波数の1/10波長以下の場合は無視できる
9.電磁適合性
具体的方法




筐体は、良導体であること
コネクター等の「穴」は最小にすること
筐体から外部へのグラウンドの長さは最短
であるべき
長さの許容値は当該周波数の1/10波長
以下が目安
9.電磁適合性
(5)配線設計
ポイント
低周波*でのケーブルのシールドは、信号回路が1点
接地なら1点で接地
*)1MHz未満、又はケーブル長が波長の1/20の場合
 高周波配線ではシールドは、多点接地

R
ノイズ電流
ループ
多点接地すると
9.電磁適合性
信号源
VS
A
受信回路
C1
C2
C3
B
D
C
VG1
VG2
・A点で接地: 信号源が非接地のため、全く効果なし
・B点で接地: Vノイズ=C1/(C1+C2)×(VG2-VG1)
・C点で接地: Vノイズ=0
・D点で接地: Vノイズ=C1/(C1+C2)×VG1
9.電磁適合性
信号源
VS
VG1
A
受信回路
C1
C2
C3
B
D
C
VG2
・A点で接地: Vノイズ=0
・B点で接地: Vノイズ=C1/(C1+C2)×VG1
・C点で接地: 受信回路が非接地のため、全く効果なし
・D点で接地: Vノイズ=C1/(C1+C2)×(VG1+VG2)
9.電磁適合性
具体的方法
信号源
VS
信号源
VS
信号源
VS
信号源
VS
シールド付ツイスト
ペア・ケーブル
シールド付ツイスト
ペア・ケーブル
同軸ケーブル
同軸ケーブル
受信回路
受信回路
受信回路
受信回路
9.電磁適合性
シールド効果(50kHzにおける測定例)
9.電磁適合性
誘起電圧の計算

サージ電流による誘起トランジェント電圧
2×10-7RL
d+(OD-OC) Lt
V =
As・l・ln
・
Rs+R
d
l
L
L
Rs:被害側のソースインピーダンス[Ω]
RL:被害側の負荷インピーダンス[Ω]
l:並走長さ[m]
d:ケーブル間距離[m]
As:サージ電流変化率[A/sec]
OD:被害側単線外形寸法[m]
CD:被害側単線銅線直径[m]
Lt:被害側ツイストピッチ[m]
9.電磁適合性
誘起電圧の計算

パルス電流による誘起トランジェント電圧
R
Lt
V (n) =φ(n)・
・
Rs+R +Rw
l
L
L
L
Rs:被害側のソースインピーダンス[Ω]
RL:被害側の負荷インピーダンス[Ω]
Rw:被害側DC抵抗算出値(次ページ計算式による) [Ω]
Lt:被害側ツイストピッチ[m]
Φ(n):鎖交磁束算出値(次々ページ計算式による) [A]
9.電磁適合性

被害側DC抵抗算出式
4ρl
Rw = CD2π
ρ:被害側単線DC抵抗率[Ω/m]
l:並走長さ[m]
CD:被害側単線銅線直径[m]
9.電磁適合性

鎖交磁束算出式
φ(n) =
2×10-7ω(n)・I(n)・l・ln
d+(OD-OC)
d
Sin[πf(n)T] Sin[πf(n)τ
I(n) =2A・T・Pr・ πf(n)T ・ ]
πf(n) τ
l:並走長さ[m]
A:パルス電流[A]
d:ケーブル間距離[m]
T:パルス周期[sec]
OD:被害側単線外形寸法[m]
Pr:パルスレート[pps]
CD:被害側単線銅線直径[m]
τ:パルス立上がり/立下り時間[sec]
Lt:被害側ツイストピッチ[m]
9.電磁適合性

RFノイズによる誘起電圧
R
VL(n) =- L ・jω(n)l(OD-CD)(μ0H+
Rs+R
L
RsCE)
8.85×10-12π
cosh-1(OD/CD)
C=
H=
E/120π
Rs:被害側のソースインピーダンス[Ω]
l:並走長さ[m]
RL:被害側の負荷インピーダンス[Ω]
OD:被害側単線外形寸法[m]
E:電界強度[V/m]
CD:被害側単線銅線直径[m]
9.電磁適合性
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