この記事では、Diodes IncorporatedのTu Buiが、スイッチング コンバータにおける電磁干渉 (EMI) の発生源と種類について説明し、産業市場と自動車市場の製品に対する規制基準の違いについて説明します。この記事では、Diodes Incorporatedが自社のDC-DCスイッチング コンバータの1つを厳格な自動車規格に準拠させるために使用した手法についても説明します。
図1: CISPR 25クラス5伝導放出限度
電磁干渉 (EMI) は、複数の市場の製品で使用される高速スイッチング電力コンバーターの問題となる特性です。あるシステムで規制準拠を達成したコンバーターが、別のシステムでも自動的に規制準拠を達成できるとは限りません。さらに、規制への準拠を達成するにはEMIフィルタリングが必要になる場合があり、これはシステム全体のフットプリント、ボリューム、コストのかなりの部分を占める可能性があるため、さまざまなアプリケーションに適用される標準を理解することが不可欠です。
表1：伝導EMI制限
スイッチングコンバータのEMI発生源
最新の電源装置のスイッチはスイッチング時間が非常に速く、電圧と電流の波形の立ち上がりと立ち下がりのエッジが速くなります。これらの鋭いエッジは高周波で大きなエネルギーを生成し、スイッチングモード電源におけるEMIの主な発生源となります。この高周波エネルギーは、電源装置内の共振タンク内でリンギングを引き起こします。EMI放出には伝導性と放射性の2種類があります。伝導性放射は、電力コンバータに接続されたワイヤとトレースを通じて伝達されます。このノイズは回路内の特定の端子またはコネクタに限定されるため、適切なボードレイアウトとフィルタ設計を行うことで、設計プロセスの比較的早い段階で伝導放出要件への準拠を確保できます。しかし、放射放出はより困難です。PCB上で電流を流すものはすべて電磁場を放射します。基板上のすべてのトレースはアンテナであり、各銅プレーンは共振器です。純粋な正弦波またはDC電圧以外のものは、信号スペクトル全体にわたってノイズを生成します。慎重に設計したとしても、電源設計者はシステムをテストして初めて放射エミッションがどれだけ有害であるかを理解できます。残念ながら、放射エミッションテストは設計が完了した後にのみ実行できます。フィルターは、特定の周波数での信号の強度を減衰させることでEMIを軽減できます。金属シールドや磁気シールドを追加すると、放射放出の一部を減衰させるのに役立ちます。また、フェライト ビーズやその他のフィルター タイプは、PCBトレース上の伝導放出を減らすのに役立ちます。EMIは完全に排除することはできませんが、他の通信やデジタル コンポーネントに干渉しないレベルまで減衰させることができます。
表2: 伝導放出に関する主な製品規格の概要
伝導性放射に関するEMI規格
多数の管理機関が、電磁両立性 (EMC) を維持するために、機器によって生成される伝導放出および放射放出の許容レベルを規制しています。
消費者
CISPR 11は、産業、科学、医療 (ISM) 無線周波数 (RF) のEMIに関する国際製品規格です。ワイヤレス電力伝送、充電機器、Wi-Fiシステム、IH調理コンロ、アーク溶接機など、さまざまな機器に適用されます。さらに、一部の産業用最終機器には、CISPR 11で参照されるEMCテスト専用のシステム レベル標準があります。たとえば、IEC 61131-2は、工場自動化およびプロセス制御アプリケーションで広く使用されているプログラマブル ロジック コントローラ (PLC) の放射要件を規定しています。その他のシステム レベルの標準には、可変速モーター ドライブ システムのEMC要件であるIEC 61800-3や、実験装置に関するIEC 61326-1などがあります。
自動車
自動車用電子製品の設計者にとって、関連する伝導放出試験はCISPR 25で規定されている試験です。この国際規格は自動車部品およびモジュールに適用され、測定は1つまたは2つの5µH/50Ω 人工ネットワーク (接地構成によって異なります) を使用して実行されます。この規格は、特定の周波数帯域の150kHzから108MHzの周波数範囲で測定された伝導ノイズからの「車載受信機の保護」について規定しています。これらの周波数範囲は、図1に示すように、AM放送、FM放送、およびモバイル サービス帯域全体に分散されています。CISPR 25では、ピーク (PK)、準ピーク (QP)、および平均 (AVG) 信号検出器の伝導放出制限が規定されています。
図2: 吸収体で覆われたシールドエンクロージャテストを使用したCISPR 25クラス5放射制限
表1は、CISPR 25の最も厳しい要件であるクラス5の制限を示しています。この制限は非常に厳しく、特に68MHzから108MHzにわたるVHFおよびFM帯域での18dBµV平均 (または38dBµVピーク) 制限は、フィルタ コンポーネントの寄生成分によってこのような周波数でのEMIフィルタ減衰が低下するため困難です。
表2は伝導放出に適用される規格の概要を示しています。CISPR規格はEUの製品に適用され、FCCは米国に適用される。
自動車の放射妨害波に関するEMI規格
CISPR 25は車両内の無線受信をカバーしているため、さまざまな無線サービスの帯域に制限が定義されています。この規格は、車両に付属のアンテナを使用したコンポーネントまたはモジュールの排出測定と車両全体の排出テストを対象としています。図2は、自動車用途のコンポーネント/モジュールのピーク (PK) およびAVG検出器を使用したクラス5放射エミッション制限を示しています。最低の測定周波数は、150kHz ～ 300kHzの欧州長波 (LW) 放送帯域に関連し、最高周波数は2.5GHz (BluetoothおよびWi-Fi送信) です。測定は、公称50Ω 出力インピーダンスを持つ直線偏波電界アンテナを使用して行われます。放射エミッションに関するCISPR 25テスト規格は、FCCやCISPR22よりも厳しく、受信機はテスト対象デバイス (DUT) から1メートル離れた場所に配置されますが、CISPR 22では10メートル離れています。
図3: EMIフィルタリングの段階を示す回路図
車載対応DC-DC降圧コンバータ
AP64350Qは、3.8V ～ 40Vの広い入力電圧範囲を備えた、車載対応の3.5A同期降圧コンバータです。このデバイスは、75mΩ のハイサイド パワーMOSFETと45mΩ のローサイド パワーMOSFETを統合し、高効率の降圧DC-DC変換を実現します。さらに、EMIを低減する機能が組み込まれるよう慎重に設計されています。これらには、MOSFETのターンオン時間とターンオフ時間を犠牲にすることなくスイッチング ノードのリンギングに抵抗する独自のゲート ドライバ スキームが含まれており、これによりMOSFETスイッチングによって発生する高周波放射EMIノイズが低減されます。AP64350Qは、スイッチング周波数ジッタが ±6% の周波数拡散スペクトル (FSS) も備えており、放出されるエネルギーが一定期間1つの周波数に留まらないようにすることでEMIを低減します。
AP64350Qに対してEMIテストを実行し、伝導および放射エミッションのCISPR 25クラス5制限に準拠していることを確認しました。図3は、500kHzでスイッチングしながらAP64350Qをテストするためのフィルタリング ステージを示しています。
負荷が高くなるとテスト中にEMIが増加しましたが、これは予想通りでした。これらのステージ フィルターを使用しても、DUTがEMI制限を満たすのは、生成されたノイズをすべて封じ込めるためにシールドされている場合のみである場合があります。最適なEMIパフォーマンスを得るには、シールドを0Vに接続する必要があります。接地シールドを使用することで、AP64350Qは表3に示すように、すべてのCISPR 25クラス5制限に準拠できるようになりました。コモン モード インダクタを使用するとEMIパフォーマンスが向上しましたが、生成されるノイズのほとんどが差動ノイズであるため、これは限界的なものでした。
表3: AP64350Q降圧DC/DCコンバータの伝導および放射エミッションテストの結果
結論
伝導性および放射性のEMIは、すべての電子部品、特にスイッチング コンバータに関係しているため、さまざまな市場や地域でその影響を規制するための標準が策定されています。CISPR 25クラス5は自動車用途の製品の基準を規定しており、最も厳格です。多段フィルタリングおよびシールド技術を使用しない限り、適切に設計されたスイッチングコンバータであっても、この規格に適合しない可能性があります。Diodes IncorporatedのAP64350Qは、自動車用アプリケーション向けのCISPR 25クラス5制限に準拠した降圧コンバータです。