ノイズ対策部品/EMI除去フィルタ

第1章

EMI除去フィルタ(エミフィル®)が必要とされる背景

1-1. はじめに

EMI除去フィルタ(エミフィル®)は電子機器の電磁ノイズ対策を行うための電子部品で、シールドなどとともに使われます。このフィルタは配線を伝導する電流のうち、電磁ノイズの原因となる成分だけを抽出し、除去するものです。1章では、電子機器でこのEMI除去フィルタ(エミフィル®)が使われている背景を説明するとともに、電磁ノイズの対策に使われる代表的な部品であるシールドとフィルタの働きについて概要を紹介します。

Fig. 1-1 EMI suppression filters (EMIFIL®)
【図1-1】EMI除去フィルタ(エミフィル®

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1-2. 電磁ノイズ障害とは

電子機器に外部から強力な電磁波が加わると、回路に不要な電流が誘導され、意図しない動作を引き起こしたり、本来の動作を妨げる場合があります。外部から加わるエネルギーが強力なときは、電子機器が破壊されることもあります。外部から加わるエネルギーが小さくとも、放送や通信に使う電波に混入した場合は、放送や通信の電波の弱い場所では受信ができなくなったり、音声に異音が入ったり、映像が乱れたりします。このような外部の電磁波による障害を、電磁ノイズ障害と呼び、障害を与える電磁波を電磁ノイズ(以下ノイズ)と呼ぶことにします。

Fig. 1-2 Emission and immunity

【図1-2】エミッションとイミュニティ


ノイズは様々な電子機器に障害を与えます。また、発生源もさまざまです。ある機器(例えば洗濯機や冷蔵庫など)には全く障害を与えないノイズも、別の機器(例えばAMラジオなど)には甚大な影響を与えることもあります。そこで、私たちが電子機器を安心して使うことができるように、電子機器から発生するノイズを一定値以下に抑制したり、一定レベルのノイズが加わっても電子機器が正常に動作することがルール化されており、ノイズ規制と呼ばれています。
電子機器をノイズの加害者としてとらえたとき、ノイズの発生をエミッション(emission: ノイズの放出)と呼びます。一方、電子機器をノイズの被害者として捉えたとき、ノイズに対する耐性をイミュニティ(immunity: ノイズ耐性)と呼びます。ノイズ規制では、電子機器のエミッションとイミュニティについて定められています。(イミュニティは、EMS: ElectroMagnetic suseptability電磁感受性という言葉で表されることもあります)

Fig. 1-3 Examples of European noise regulations
【図1-3】欧州のノイズ規制の例
(日本ではイミュニティに関する規制が少ないので、欧州の例で示しています)

1-2-1. 電磁ノイズの分類

電磁ノイズを発生源で分類すると、図のように自然ノイズと人工ノイズに分けることができます。
このうち自然ノイズは電子機器が使われる以前から存在するもので、雷や静電気が代表的なものです。自然ノイズに対しては、電子機器はイミュニティが求められます。
人工ノイズは、電子機器が使われるようになってから発生するノイズで、エミッション、イミュニティの双方で取り扱われます。電子機器が普及するにつれて人工ノイズによる障害が増大しています。この点について次項で詳しく述べます。

Fig. 1-4 Classification of noise
【図1-4】ノイズの分類

1-2-2. 電子機器の密集に伴うノイズ問題の変化

私たちの身の回りで使われる電子機器の密度が増え、また、それぞれの電子機器が高性能化するにつれて、ノイズ障害の内容や程度は変化してきています。例えば、デジタル回路が普及する1970年以前では無線通信機同士の干渉(混信など)が問題になっていましたが、パーソナルコンピュータなどの家庭用デジタル機器が普及すると、これらの機器から発生する電波によりラジオやテレビの受信が障害を受けることが問題となりました。
一般に電子機器の密度が増えると、加害者と被害者の間の距離が縮まるので、ノイズ障害の程度が大きくなります。また、電子機器の性能が上がると、回路の動作周波数が高まり、より高周波のノイズが発生するため、影響の出る周波数範囲が拡大します。一方で、電子機器の省電力化によって低電圧で動作する回路が増加しており、これにより、エネルギーの小さなノイズであっても影響が出ることが多くなっています。
電子機器の高密度化、高性能化、小型化は今後もいっそう進むと思われますので、ノイズ障害はより深刻になると考えられます。

Fig. 1-5 Expanding use of electronic devices and effects on noise issues
【図1-5】電子機器の活用拡大とノイズ問題への影響

1-2-3. 電子機器の自家中毒「イントラシステムEMC」

電子機器に外部からノイズが加わらなくとも、ノイズ障害が発生する場合があります。電子機器内の一部の回路が発生するノイズが元で、他の部分の回路が障害を受けるもので、イントラシステムEMCと呼ばれています。例えば、携帯電話にデジタル回路を内蔵する場合では、下図のようにデジタル回路のノイズが携帯電話の受信性能を劣化させる(受信感度を低下させる)場合があります。このような場合には、一般のノイズ障害に比べてノイズの発生源と被害者の間の距離が極端に小さくなりますので、障害も深刻になります。場合によっては、ノイズ規制による限度値よりもはるかに厳しいレベルでノイズ対策が行われています。

Fig. 1-6 Example of intra-system EMC
【図1-6】イントラシステムEMCの例

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1-3. ノイズ対策

ノイズ障害は、図1-7に原理図を示すように、ノイズの加害者と、被害者と、伝搬経路の3者が存在するときに発生します。これらの要素のうちの一つを無くすことができれば、ノイズ障害は無くなります。
したがって、ノイズの発生源や被害者で対策することも可能です。例えば、デジタル回路やスイッチング電源、発信機などを一切使わなければ(白熱電球など)、電子機器の発生するノイズはごく小さくなります。また、被害者側でもソフトの冗長処理などで、多少情報が変化しても信号を回復できる場合があります。これらの手段は根本解決になり得る場合もあるのですが、多くの場合は電子機器の性能を著しく劣化させたり、大型になるなどの副作用が大きく、現実的ではありません。

Fig. 1-7 Principle of noise interference

【図1-7】ノイズ障害の発生原理



そこで通常は、図1-8に示すように、伝搬経路でノイズを遮断することが行われています。ノイズの伝導には空間伝導と導体伝導の2種類がありますが、図に示すように空間伝導にはシールドが、導体伝導にはフィルタが使われます。
図1-7に示すように、空間伝導と導体伝導は、配線をアンテナとして相互に変換される性質があります。したがって、ある箇所で導体伝導だけが問題であったとしても、空間伝導を全く配慮しないでよいということにはなりません。

Fig. 1-8 Measures for noise suppression
【図1-8】ノイズ対策の手段

1-3-1. シールド

シールドとは、図1-9に示すように対象物を金属などの板で囲うことで周囲から電磁界を遮蔽することを指します。
シールドの効果は一般に、使う材料の導電率や透磁率、厚みにより左右されますが、通常の電子機器のノイズ対策では、アルミ箔などのごく薄い金属板でも十分に大きな効果が得られます。電子機器をノイズ対策するときの効果はこのような材料の仕様よりもむしろ、囲いを形成するときの接続方法(隙間の有無や接触抵抗など)により左右されることが多いので、注意が必要です。
シールドに放熱などのために開口部をつくるときは、全体の開口面積の大小よりもむしろ、個別の開口部の最大長を抑えることに配慮します。図1-10に示すように細長い開口部やスリットがあると、この部分がスリットアンテナとして働き(図で、長さlが1/2波長を超えるようになる高周波域では顕著に)、シールドを電波が出入りすることになります。そのようなことの無いように、開口部は短く区切って形成します。この意味で、パンチングメタルやエキスパンドメタルのように多数の小さな穴が開いた板材料は、換気とシールド効果を両立させるよい材料だといえます。

Fig. 1-9 Shield

【図1-9】シールド

Fig. 1-10 Examples of different shielding effects by three different opening shapes with the same area
【図1-10】同じ面積でもシールド効果が全く違う3つの開口形状の例
(高周波ノイズを電磁シールドで閉じ込める場合を想定しています。
場合によっては(例えば電界シールドなど)この順番にならないことがあります)

1-3-2. フィルタ

フィルタとは、図1-11、1-12に示すように、導体を流れる電流のうち、必要な成分を通し、不要な成分を除去する部品や働きを指します。図1-12ではノイズはグラウンドに流し出していますが、このほかに部品内部でノイズのエネルギーを吸収する場合や、ノイズ源側に跳ね返す場合(インピーダンスを上げる場合)もあります。

Fig. 1-11 Filter

【図1-11】フィルタ


Fig. 1-12 How a filter works

【図1-12】フィルタの働き

電子機器のノイズ対策では、通常、ノイズは図1-13に示すように比較的高周波域に偏在していますので、フィルタには高周波成分を除去するローパスフィルタを用います。このローパスフィルタには、インダクタ(コイル)や抵抗、コンデンサなどの汎用部品を使うこともできますが、ノイズを完全に遮断するには、専用部品であるEMI除去フィルタが使われます。本稿の第6章では、このEMI除去フィルタを詳しく紹介しています。
このようなノイズの周波数的な偏在を利用したフィルタの他に、電圧の違いを利用したフィルタ(バリスタなど)、伝導モードの違いを利用したフィルタ(コモンモードチョークコイルなど)もあります。
また、これらのフィルタ以外にもトランスや光ケーブル、光アイソレータなどを一種のフィルタとして利用する場合もあります。これらは場合によっては極めて優れたノイズ除去効果を発揮しますが、適用できる場面が限られています。

Fig. 1-13 Separation of noise by low-pass filters
【図1-13】ローパスフィルタによるノイズの分離

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1-4. シールドとフィルタの使い方

1-4-1. シールドとフィルタは1カ所で使う

導体を伝導するノイズにはフィルタを、空間を伝導するノイズにはシールドを使いますが、ノイズが伝導する導体はアンテナとしても働きますので、この2つの伝導はアンテナとなる導体を介して相互に変換されます。このためノイズを完全に遮断するには、ある箇所でフィルタとシールドを同時に使う必要があります。
例えば空間伝導を遮断するためにシールドを使う場合、図1-14のようにシールドを貫通する導体があると、この導体がシールド内部のノイズを拾い、シールド外に導き出してノイズを放射する現象が起きます。結果として、シールドだけでは空間伝導を完全に遮断することができません。
同じように、導体伝導を遮断するためにフィルタを使う場合、図1-15のようにフィルタの前後の配線が空間伝導を介して結合する場合があります。結果として、フィルタだけでは導体伝導を完全に遮断することができません。

Fig. 1-14 Conductor conduction causes loophole in a shield

【図1-14】導体伝導によってシールドに抜け穴ができる


Fig. 1-15 Filter is bypassed by spatial conduction

【図1-15】空間伝導によってフィルタがバイパスされる


図1-16のようにシールドとフィルタを1カ所で組み合わせて用いると、空間伝導、導体伝導の双方が完全に遮断できますので、ノイズを完全に除去することができます。
なお、図1-17のようにノイズ源とフィルタの間の導体の長さが十分に短い場合には、導体のアンテナとしての効果が無視できますので、フィルタだけでもある程度はノイズを除去することも可能です。したがって、ノイズ発生源のごく近くでフィルタを使える場合には、フィルタだけでノイズ対策ができます。

Fig. 1-16 Noise can be shut out by the combination of a filter and shield

【図1-16】フィルタとシールドを組み合わせるとノイズを完全に遮断できる


Fig. 1-17 If conductor is short, noise suppression can be achieved only with a filter

【図1-17】導体が短いときはフィルタだけでもノイズ対策ができる

1-4-2. フィルタとグラウンド

一般に、フィルタやシールドを有効に働かせるには、良好なグラウンドに接続することが必要です。
フィルタにバイパスコンデンサを内蔵しているとき、グラウンドは図1-18に示すようにノイズの電流をノイズ源に還流させるルートとなります。この部分のインピーダンスがごく低くなるように配慮します。
グラウンドのインピーダンスが大きいと、図1-19(a)に示すように、ノイズの電流によりグラウンドに電圧が表れ、ノイズが十分除去できなくなります。また、このグラウンドを他の線に取り付けたフィルタが共用しているときは、グラウンドに現れた電圧がフィルタのコンデンサを通じて他の線に逆流する場合もあります。
このようなグラウンドのインピーダンスを仲介したノイズの結合を、共通インピーダンス結合と呼びます。また、このようにグラウンドにノイズが乗っている状態を、コモンモードノイズが発生していると呼ぶこともあります。コモンモードノイズについては、後の章で詳しく紹介しますが、共通インピーダンス結合はコモンモードノイズを発生させる仕組みの一つです。
このようにコンデンサを内蔵したフィルタの効果は接続するグラウンドの条件の影響を強く受けますので、インピーダンスが低く、安定したグラウンドを使う必要があります。

Fig. 1-18 Current pathway of noise

【図1-18】ノイズの電流経路


Effect of impedance in ground
【図1-19】グラウンドにインピーダンスがある影響

1-4-3. シールドとグラウンド

シールドの場合も、グラウンドが重要です。
静電シールドでは、グラウンドへの接続が必須で、原則として大地(ゼロボルト)に接続します。グラウンドに接続する線にはシールドする電界の変化に応じて電流が流れるので、低インピーダンスである必要があります。
また、シールドケーブルを使うときは、シールドは内部導体を流れる電流の帰路を兼用する場合が多いです(例えば同軸ケーブルの外部導体などのように)。この電流を返すことのできるグラウンド(信号をシールドする場合は、回路グラウンド)に接続する必要があります。
一方で、図1-19の場合のようにグラウンドにノイズが誘導されている場合には、このグラウンドにシールドを接続すると、シールドがグラウンドのノイズを引き出して放射させるアンテナとして働くので、ノイズを増大させることにもなりかねません。シールドを接続するには、電圧が安定し、かつ、インピーダンスの小さいグラウンドを選ぶ必要があります。
実用上の比較的良好なグラウンドとしては筺体シールドケースがあります。機器全体を囲うシールドケースがある場合には、大地への接続が無くとも、このシールドケース自体がノイズ対策上は良好なグラウンドとなります(静電気対策などの場合で、放電電流を大地に逃がす必要がある場合には、大地への接続が必要です)。このグラウンドを筺体シールドグラウンドと呼ぶことにします。
シールドケーブルのグラウンドにも、この筺体シールドグラウンドを使うことができます。ただし、前述のようにシールドを信号の帰路として機能させるためには、回路グラウンドにもつなぐ必要がありますので、筺体シールドグラウンドと回路グラウンドが分かれている場合には、接続が複雑になります。図1-20に、シールドケーブルのグラウンド接続の例を示します。

Fig. 1-20 shows an example of ground connection for shielded cables.
【図1-20】シールドケーブルのグラウンド接続の例

1-4-4. グラウンドの強化

以上のように、フィルタやシールドの効果を発揮させるには安定したグラウンドに接続する必要があります。また、機器全体を囲うシールドケースを使うときは、このシールドケース自体を安定したグラウンドとして使えます。したがって、シールドは、グラウンドを安定にする働きがあるといえます。
一方で、このシールドケースに出入りする配線があるときは、図1-14に示したようにシールドにノイズが出入りする穴をあける効果を持ちますので、シールドケースグラウンドを不安定にすることがあります。このような場合、この配線にフィルタを使うと、ノイズの出入りが無くなるため、シールドケースグラウンドを安定にする効果があります。
このように、適切に使ったシールドやフィルタは、グラウンドを安定にする働きを持ちますので、シールドと、フィルタと、グラウンドは互いに助け合う関係にあるといえます。
グラウンドには上記のシールドケースグラウンドのほかに回路グラウンドがあり、シールドケースグラウンドに比べると、多くの場合ノイズの電圧が誘導されています。このようなグラウンドを「ダーティなグラウンド」と呼びます。これに対して、ノイズが誘導されていないグラウンドを「クリーンなグラウンド」と呼ぶことにします。
シールドやフィルタを接続するグラウンドには、クリーンなグラウンドが望ましいのですが、信号の帰電流を戻したり、ノイズの電流を発生源に反したりするには回路グラウンドへの接続が必要です。回路グラウンドがダーティなときは、回路グラウンドのインピーダンスを下げたり、回路基板に沿ってグラウンドプレーンを配置したり、筺体シールドグラウンドに接続したりして、回路グラウンドのノイズ電圧を小さくします。
このようにグラウンドのノイズの電圧を下げ、安定にする操作を、グラウンドを強化するといいます。回路基板の一部をシールドケースで覆うことは、グラウンド強化に役立ちます。図1-21にグラウンド強化のいくつかの手段を示します。

Fig. 1-21 Example of ground reinforcement
【図1-21】グラウンド強化の例

1-4-5. フィルタとグラウンド

シールドケースにケーブルを接続するときは、ケーブルを通じてノイズが出入りすることを防ぐために、フィルタを取り付けます。 このフィルタのグラウンドは回路基板上に形成するのですが、安定したグラウンドとするために、多くの場合は回路グラウンドではなくシールドケースグラウンドに接続します。そこで、ケーブルの取り付け個所には、シールドケースグラウンドに接続したフィルタ用のグラウンドを作ることが多く行われています。ここではこのグラウンドをフィルタグラウンドと呼ぶことにします。
フィルタグラウンドは、シールドケースグラウンドだけではなく、回路内で発生したノイズをノイズ源に帰すために、一般に回路グラウンドにも接続されます。この場合は回路グラウンドのグラウンド強化を兼ねることになります。また、シールドケーブルを使うときは、シールドをフィルタグラウンドに接続する場合もあります。このような場合、シールドケーブルの効果はフィルタグラウンドの良否に左右されますので、ごく低インピーダンスでシールドケースグラウンドに接続する必要があります。
図1-22にフィルタグラウンドの例を示します。フィルタグラウンドは、シールドケースグラウンドに対して、特に低インピーダンスになるように配慮します。
なお、1-4-2項では、フィルタのグラウンドはノイズ源側に(すなわち回路グラウンドに対して)低インピーダンスで接続すると説明しましたが、図1-22では、シールドケースグラウンドに対する接続を優先させています。これは、通常はケーブルの接続箇所はノイズ源から遠いため、ノイズ源に低インピーダンスで帰すことが実質的に困難であるためです。また、他の回路のノイズにより、回路グラウンドがダーティとなっている場合が多く、フィルタグラウンドを低インピーダンスで接続しても、効果が上がりにくいという事情もあります。
したがって、ノイズ源のごく近くで単一回路に対してフィルタを使うときは1-4-2項の説明のように回路グラウンドにフィルタを接続しますが、ケーブルの接続部のようにノイズ源から遠く、かつ、複数のノイズ源を考慮する必要があるときは、適用が困難になります。そこで実用的な手段として、ケーブルの接続部でフィルタを使うときは、図1-22に示したように、シールドケースグラウンドのような安定したグラウンドを探し、フィルタグラウンドを接続することが行われています。

Fig. 1-22 Example of connection using a filter ground
【図1-22】フィルタグラウンドを使った接続の例

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Key points 第1章のチェックポイント

  • 電子機器の動作に障害を与える電磁波を、ノイズと呼びます
  • ノイズを伝搬経路で遮断する手段には、シールドとフィルタがあります
  • シールドとフィルタを有効に機能させるには、グラウンドが重要です