EMIについて- 第3回 - EMIの発生要因
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- 更新日
- 2023.09.15
- 公開日
- 2023.07.25
1. はじめに
前回はEMIの規格と測定について説明しました。EMIが発生する要因は、主に信号系ノイズ、電源系ノイズ、導体ノイズに分けられます。連載3回目の今回は、各ノイズの特徴と発生要因について説明します。これらを知ることで、対策への理解がより深まると思います。
2. EMIの発生要因（信号系ノイズ）
信号系ノイズは、信号が伝わる配線から発生します。配線容量に電流が流れる事によって磁界ノイズにもなりますが、配線容量は小さいので流れる電流が小さいため、電圧により発生する電界ノイズの方が支配的になります。
3. EMIの発生要因（電源系ノイズ）
電源系のノイズは、主にデバイス内部のプッシュプル回路に生じる貫通電流と、信号と配線容量に依存したチャージ/ディスチャージ電流に起因します。電流が導体を通ることで電圧降下が起こり、電流により磁界も発生します。
例として、デジタル回路（インバータ）の出力構成で、プッシュプル回路のMOSFETをスイッチに置き換え、この時の動作を考えてみましょう。
VCC側のスイッチが短絡、GND側のスイッチが解放されている時は、VCCからスイッチを経由して、出力の配線パターンに寄生している容量（配線容量）へ電流が流れ込みます（チャージ）。反対にVCC側のスイッチが解放、GND側のスイッチが短絡されている時は、配線容量からGNDへ電流が引き出されます（ディスチャージ）。
VCC側のスイッチとGND側のスイッチが同時に短絡してしまうと、VCCからGNDへ瞬間的に電流が流れてしまいます（貫通電流）。この貫通電流が流れることを避けるため、一般的には同時スイッチングさせない対策が施されます。
以上のように、スイッチ動作をする際に発生する電流の押し引きにより、電源系ノイズが起きると考えられます。
4. EMIの発生要因（導体ノイズ）
放射されるノイズ以外にも、電源/GNDの配線インピーダンスに電流が流れ、導体のノイズに変換され、他回路に影響を及ぼすケースがあります。
図5-①に示す回路A・Bの電源電圧はVCCで共通ですが、回路Aの電源から回路Bの電源・GNDまでの基板上の配線パターンには、それぞれ抵抗やインダクタンスなどのインピーダンス（Z）が存在します。
回路Bで必要とされる電流がこのインピーダンスに流れることで、電圧降下が発生します（オームの法則）。
電圧降下の影響は、導体ノイズとして他の回路に伝搬することになります。図ではGNDを経由して回路Aに影響（GNDノイズ）を及ぼします。レアケースではありますが、供給される電圧がデバイスの下限値を下回ると、回路の動作が止まってしまう事もあります。
5. 信号系ノイズのスペクトルについて
信号が生成する電界は、信号のスペクトルと同じ周波数で発生します。
スペクトルとは、信号を各成分に分解し、成分ごとの大小に従って分布を記録したものです。信号がsin波であれば、その周波数のみのスペクトルとなりますが、Duty50%で構成される方形波は基本波、3倍波、5倍波・・・のsin波の合成波であるため、1次、3次、5次・・・と奇数次（奇数倍）の高調波が現れます。
またこの高次のノイズは、バッファのドライブ能力が高く波形の立ち上がり・立ち下がりが速い、つまり立ち上がり時間（tr）や立ち下がり時間（tf）が短いほど、高い周波数までノイズが出力されます。
sin波のスペクトルは、単一の周波数のみにスペクトルが存在します。図6の場合は、100Hzのみにスペクトルが現れています。
Duty50%の方形波は、奇数次の信号の合成波です。
この方形波をフーリエ変換すると、奇数次のスペクトルが現れますが、方形波の立ち上がり/立ち下がりを遅くする、つまりtrやtfを長くする事で、奇数次のスペクトルが減る事が分かります。
インターフェースとしてよく用いられるSPI等で代表的なスペクトルは、クロック信号です。クロック信号のDutyは概ね50%であり、出力信号周波数の奇数次への影響が大きいと考えられます。
Dutyが50%でない場合は、偶数次（偶数倍）の高調波も現れます。SPI等のData信号はHigh/Lowの幅が固定でない場合が多く、単一のスペクトルになりづらいのですが、ラジオチューナ等ノイズにセンシティブな機器の場合は、Data線から出るノイズの影響を受けることもあります。
電源やDクラスアンプに使われるPWM（Pulse Width Modulation）やPDM（Pulse Density Modulation）出力では、電圧を半分に固定する、つまりDutyを50%で固定するケースは多くないため、偶数次のスペクトルが出てきます。またPWMやPDMは大電圧・大電流で使用されるケースが多いため、結果的にノイズが大きくなります。
6. まとめ
今回は、信号系ノイズ、電源系ノイズ、導体ノイズについて説明しました。これらのノイズは発生要因が異なるため、それぞれに合った対策手法を選択する必要があります。
次回からは、いよいよ対策について述べたいと思います。
