Electrical ＆ Magnetic EM上島Lab 代表

上島 敬人

【略歴】
総合家電メーカーにて42年間白物家電...もっと見る 【略歴】
総合家電メーカーにて42年間白物家電の設計開発部門にて下記業務に従事。
《商品設計（電気系）》
　ハードウェア設計・評価：アナログ設計、SW電源、インバーター等
　プリント基板設計：製造性、法規に熟知した実装パターン設計
　品質・信頼性評価：EMC、熱、電気系信頼性評価・対策
　開発マネジメント：FMEA、DR、法規等QMS管理・対内外折衝、VE推進
《電気系開発技術・システム開発》
　CAD/PDMを中心としたシステム開発・運用
　CAE：電磁界シミュレーションを活用したEMC検証、対策

【取得資格】
　iNARTE EMC Design Engineer

皆様、こんにちは。ＥＭ上島Ｌａｂ　上島です。
第7話では、ノイズが伝搬する様子を電磁誘導で説明してみました。この説明は、逆説的にどうすればノイズの伝搬を阻止できるかの考えにつながります。今回は、そもそもノイズはなぜ発生するのかについて考えてみます。前者が発生してしまったノイズを止める手段を考えるのに対して、ノイズそのものの発生を止める手段を考える事につながります。
信号にONとOFFが存在すると、ON (またはOFF) の状態変化による基本波に加え配線インピーダンスなど様々な影響により歪みが発生し得ることを第8話でお話ししました。

では、なぜ状態変化により歪むのかについて考えてみます。
回路内に電源とスイッチ、コンデンサが存在している場合を考えてみます。
スイッチがONになった瞬間、コンデンサに充電が開始されます。回路にはコンデンサの充電電流Icが流れ、コンデンサCの両端には時間とともに上昇する電圧が現われ、充電が完了するとVcとなります。

理想配線、理想コンデンサはインピーダンスゼロなので、充電時間はゼロで無限大電流が流れることになります。しかし、実際には配線インピーダンスやコンデンサの内部インピーダンスにより電流は制限され、回路インピーダンスと容量で決定される時定数により、一定の時間をかけて充電されます。この時、配線インピーダンスやコンデンサの内部インピーダンスが純粋な抵抗ならば、図3 (a) のように抵抗で制限される電流が流れVcが一定の時間で立ち上がりますが、実際には配線やコンデンサ内部の分布定数の影響を受けて振動します (図3 (b))。

この振動がつまり歪みであり、ノイズの原因となります。
これら振動の周波数やレベルは配線インピーダンスだけでなく、スイッチするデバイスの物理的な特性により決定付けられます。

実際の回路にあるスイッチの数々

図2では、メカニカルなスイッチとして表現した回路を例に挙げましたが、実際の回路ではどのような部品がスイッチとして作用するのでしょうか。
小信号のディジタル回路ではトランジスタやFET (あるいはICとして集積されたトランジスタやFETの集合体) により、信号を次の回路へ伝達する役割をしています。これらのデバイスはスイッチング (ON) することで、信号を増幅しながら伝達します。
スイッチング電源やモータドライバは、負荷であるスイッチングトランスの巻き線やモータの巻き線に高周波電流を流すことで、二次巻き線やモータ回転子に電磁誘導による電圧を誘起させ、エネルギーを伝搬させます。
そして、この時生じた歪みは、スイッチ回路に接続される他の回路や、共通グランドに流れる負荷電流に重畳され、あるいは電磁誘導により別の配線にノイズとして伝搬していくことになります。

結局ノイズは誰のせいなのか

ノイズを対策するにあたって、最後の手段は配線ワイヤに細工 (引き回しを変えたり、フェライトコアの追加など) を行うというのは、経験されている方も多いと思います。これらは、構造設計への設計変更依頼や製造との調整が必要になることも多いです。コストアップや構造・製造上の課題に対する解決策など納得性のある説明も必要になったり大変ですね。
時には、期限が迫る中、調整が難航し思わずけんか腰になることも・・・ちょっと待ってください。ノイズの発生で解説したように、元はと言えば自分が設計した回路・デバイスが主な原因でしたね。もちろん、商品仕様を実現するために設計を行った結果なので、回路設計者が全責任を負うわけではありませんが、ここは謙虚に、しかし理論武装を行った上で最終手段にいたる経緯と結論をロジカルに説明し、理解を得るということが解決の早道ではないでしょうか。

次回はノイズの発生についてさらに深めていこうと思います。
最後までお読みいただきありがとうございました。