自動車や航空宇宙などの一部の分野では、エンジニアは長い間、不要な放射を削減し、他の発生源からの干渉の影響を受けにくくするように設計に気を配ってきました。しかし現在では、設計者がより多くの回路をより小さなスペースに詰め込み、モノのインターネット (IoT) によってあらゆるデバイスに接続性が追加されているため、幅広いアプリケーションで電磁両立性 (EMC) の問題がますます重要になっています。
干渉の周波数スペクトル（広帯域、パルスまたは過渡、ESDなど）と結合メカニズム（放射または伝導）に応じて、接地、シールド、フィルタリング、慎重なPCBレイアウトなど、さまざまな手法を使用してEMCの影響を軽減します。
伝導感受性（配線ハーネスや電源ケーブルを介して伝播する不要な干渉）を低減するには、ノイズが回路に入るポイント（コネクタ）でノイズを止めることが非常に効果的な方法です。フィルタ コネクタは、標準コネクタとEMI/RFI抑制コンポーネントを組み合わせて、EMC問題の解決に役立ちます。フィルタリング要素はコネクタ自体に含まれているため、標準コネクタおよび個別のフィルタリング コンポーネントと比較して、機能PCB領域が最小限に抑えられ、重量が軽減されます。
フィルター コネクタは、スペースを節約し、設計の柔軟性を提供し、コストを削減し、既存のシステムを簡単に改造して迅速にアップグレードできるようにします。フィルターコネクタの利点は次のとおりです。
- 低い接地インピーダンス: 接地プレートと金属シェルにより、接地インピーダンスが最小限に抑えられ、PCBに取り付けられたフィルタに比べて優れた性能が得られます。
- 再放射の除去: インターフェースのフィルター コネクタにより、ノイズがフィルターをバイパスする経路がなくなります。
- グランド プレーン シールド: フィルター コネクタのグランド プレーンは、コネクタ ポートを含むボックスをシールドします。
- 効率的なスペース利用: コネクタ内に配置されたフィルターにより、PCBボード上のスペースが解放されます。
- 一貫したパフォーマンス: フィルター コネクタは、より一貫したピン間のパフォーマンスを提供します。
- コンポーネントの削減: コンポーネント数が減ることでコストが削減されます。
フィルターコネクタの構造
フィルタ コネクタには、コネクタ本体にコンデンサとフェライト インダクタを追加することで統合されたフィルタが含まれます。一般的に使用されるコンデンサには、以下に示すようなセラミック チップ コンデンサ、コネクタ ピンの本体を取り囲む管状コンデンサ、および平面コンデンサ アレイの3種類があります。
平面コンデンサ アレイは、コネクタの各ラインの静電容量用の共通基板を提供するチタン酸バリウム セラミックのディスクまたは長方形です。静電容量値は、グランドおよびフィードスルー ラインを含めて混在させることができます。使用可能な静電容量の一般的な範囲は500 pF ～ 100,000 pFです。コンデンサ アレイは、コネクタのインターフェイス全体にわたって連続したグランド プレーンも提供します。
フェライト インダクタは、コネクタ ピンの周囲にフェライト ビーズを配置した形状、またはすべてのピンが通過するフェライト スラブの形状のいずれかになります。フェライト ビーズは、等価回路で10 ～ 100オームとともに0.5 uH ～ 5 uHのインダクタンスを提供するために使用されます。
図1:「C」フィルターコネクタの構造。（出典：アンフェノール）
図1は、Dサブミニチュア形式のフィルタ コネクタの内部構造を示しています。このコネクタには「C」タイプのフィルタが含まれており、これは単にピンとコネクタのグランド間に接続されたコンデンサです。
フィルター選択
特定のフィルタ回路の選択は、必要な挿入損失特性とシステムのソースおよび負荷インピーダンスによって異なります。「C」または「L」フィルターなどの単一要素タイプが最も単純なソリューションです。2つの並列コンデンサを備えた、いわゆるC2フィルターも一般的です。
より複雑なフィルタリング タスクの場合は、「PI」フィルターや「T」フィルターなどの複数要素フィルターを使用できます。コンポーネントの配置に応じて、ローパス、ハイパス、バンドパス、またはバンドストップの特性が可能になります。
図2は、さまざまなフィルタ タイプとその用途の比較を示しています。
図2: フィルター タイプの比較。（出典：アンフェノール）
フィルターが複雑になると、当然フィルター コネクタの構造も複雑になります。より複雑なLCフィルターを以下に示します。これは航空電子機器用のARINCコネクタです。
図3: ARINCフィルター コネクタ。（出典：アンフェノール）
フィルタコネクタの性能に影響を与える要因
いくつかの動作要因がコネクタ フィルタのパフォーマンスに影響するため、選択プロセス中に考慮する必要があります。
- 動作電圧: コンデンサの誘電率は印加されたDC電圧とともに増加し、静電容量が低下してフィルタの性能も低下します。変化の大きさは、使用されるセラミック材料の種類、誘電体の厚さ、および印加されるDC電圧によって異なります。
- 動作電流: 動作電流が増加すると誘導素子 (フェライト) の磁気飽和が発生するため、フェライト インダクタ (PI、LRC、CLR、Tタイプ) を備えたフィルターは、フェライトが飽和に近づくにつれて「C」フィルターのように動作し始めます。
動作温度範囲: 静電容量と挿入損失の性能は、通常、基準温度25° Cで指定されます。静電容量の温度係数 (TCC) は、100万分の1 (ppm) / °Cまたは最大パーセンテージで指定され、指定された温度範囲での静電容量値の最大変化を表します。一般的に使用される誘電体のTCCは、-55° Cから +125° Cの範囲で +/-15パーセントです。
過渡現象抑制用フィルタコネクタ
従来のEMIフィルタ コネクタは、低エネルギーの過渡現象に対する保護には効果的ですが、雷、負荷スイッチング、静電放電 (ESD)、または電磁パルス (EMP) によって発生する高電圧/高エネルギーの過渡現象に対する保護はほとんど提供しません。
このような過電圧イベントから敏感な回路を保護する必要があるアプリケーションでは、ツェナー抑制ダイオードまたは金属酸化物バリスタ (MOV) をEMIフィルタリングと組み合わせて、または単独でコネクタ本体に組み込むことができます。
MOVは非線形、対称、バイポーラのデバイスです。低電圧レベルでは電流はほとんど流れませんが、ブレークダウン電圧を超えると、エネルギーがバルク金属酸化物材料に放散されるため、デバイス全体の電圧はほぼ一定に保たれます。その結果、バリスタは正と負の両方の高電流過渡現象を効果的にクランプします。
過渡抑制デバイスをコネクタに組み込むと、ボードレベル コンポーネントの寄生リード抵抗とインダクタンスが排除され、個別のソリューションに比べて電圧クランプ性能が向上します。
ACラインフィルタリング
一般的な要件の1つは、AC電源機器に関連するノイズを減衰させることです。この場合、EMIは両方向で減衰されるはずです。伝導放出は、意図しない放出を対象とするFCCパート15などの規制制限をクリアするのに十分なレベルまで低減する必要があり、伝導感受性は、着信EMIが望ましくない動作動作を引き起こすのを防ぐのに十分なレベルである必要があります。
この目的のために、ACライン フィルターを統合したコネクタが特別に用意されています。多くの場合、IECフォーム ファクタを使用するこのフィルタは、差動モードEMIとコモン モードEMIの両方を減衰させるLRCタイプです。
フィルターコネクタの可用性
Arrow Electronicsは、円形、D-Subミニチュア、電源および通信コネクタ、フィルタ付き端子ブロックなど、1,750を超えるフィルタ コネクタ オプションを提供しています。