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

第6話、第7話でノイズとはなにかについてお話ししました。

おさらいすると 『ノイズは意図しない変化により生じた、意図しない周波数成分 (不要輻射) 』 でしたね。

デバイスの選定や回路設計の際に、意図してノイズが生じるような回路を設定することは通常ありません。それでもノイズが生じてしまうことがあるのは結果論と言うことになりますが、 『しょうがないよね』 と言うわけにはいきません。では、どうすればいいのか。

仮説を立てる

前回でもお話ししましたように、ノイズに関する仮説を立てることができるかがポイントになりそうです。

1. 波形の歪みを想定できるか。
2. 外乱による磁界拡散が想定できるか。

ノイズの要因や対策を電気磁気学的に考えるにしても、電気磁気学的な観点で、 『なにが起きそうか』 『どうなりそうか』 『それはなぜなのか』 を仮説立てることが事態を収束させていきます。

\[ V_{emf}=-\frac{d\phi}{dt} \]

\(V_{emf}\) : 誘導電圧　\(\phi\) : 磁束

図1は電磁誘導の説明に使った図ですが、ノイズ源である線に信号線が近接すると電磁誘導により信号線にノイズ電流が流れるかもしれないということが想像できていますか ？

1. ノイズ源に接続された線の存在
2. 構造上全ての線が一定区間近接する
3. 信号は低電圧で、信号入力回路はインピーダンスが高い

これらの情報が仮説の第一歩です。

構造上のレイアウトは線の配線をある程度決定付けます。
何もノイズの仮説・想定できていない配線は、イン/アウトの接続と構造上の規制をクリアはしますが、ノイズという観点での配線設計ができていないことに等しいのです。
図2に示すような配線がどこまで仮説・検証により考慮されているのかが重要です。

ノイズの発生を考える

ノイズはいかにして発生するか。現象としては第6話、第7話で、スペクトラム解析として表現したとおり信号が歪んだ結果、不要な高周波信号として現われます。

歪みの原因は様々で、スイッチング回路に接続された容量への充電電流であったり、スイッチングデバイスそのものがもっている特性であることもあります。
回路を決め、基幹デバイスを選定し詳細な回路定数を設計する。そして、プリント基板の実装設計をする中で、デバイスのレイアウトやパターンの設計を行う。これらの設計行為の結果として波形の歪みの発生や伝搬が確定していきます。
ノイズを考えるとは、ノイズの発生から伝搬経路、検証したいポイントの状態までを仮説立て立証していくことに他なりません。

対策に悩む日々、それから

家の中を見渡すとテレビや冷蔵庫、シェーバーや洗濯機などあちらこちらに電気製品がありますね。電気で動作する以上、ノイズの影響は少なからずあります。開発者は基本性能のみならず付随して起きるノイズのあれこれに悩まされる日々を過ごしていると思います。
日々の業務に追われ (追われていなくても) 突如現われるノイズ問題は、自分は落ち着いていても周りが落ち着かせてくれないことも多いでしょう。
『まだか』 『どうするつもりか』 などなど、少しは一緒に悩んでくれたらいいものをと頭をよぎった日は1回や2回ではありません。
こんな時は、毅然として電気磁気学的なノイズの発生についてうんちくを並べて皆を煙に巻いておきましょう。この隙に、ロジカルな思考を巡らせ、手を打っていきましょう。

いかがでしたでしょうか。電気磁気学からノイズを紐解いてみた本コラムです。最後は精神論じみてしまいましたが、課題を解決あるいは課題が起きないようにするには、仮説と分析を元に理論に基づいて解釈し手を打っていくことが大切だと思います。今回はその手段を電気磁気学に求めてみたと言うことになります。悩める開発者のひとりであった、筆者の経験談が少しでもお役に立っていれば幸いです。

全12回、隔月で2年にわたった、本コラムですが最後までお読みいただきありがとうございました。