電磁ノイズ対策とは?主な手法について

ノイズ対策に関するメカニズムと、その対策法の種類・特徴について解説します。電磁ノイズの発生原理や加害・被害の両観点、3つの対策法に関しての理解を中心に見ていきます。ひとくちにノイズ対策と言っても、電磁ノイズ障害から加害者・被害者の関係性まで、さまざまな要素を理解しないと把握しづらいジャンルです。ここではノイズ対策・障害の概要および基礎知識をはじめ、主な対策のための手法について解説します。グランド対策とシールド対策、フィルタ対策のそれぞれの特徴や構造に関しても学んでいきます。

ノイズ対策について

ノイズ

電子機器の小型・高性能化が激化するに従い、機器の基板には所狭しとICおよび受動部品が組み込まれています。基板内の部品同士の隙間が減り、それぞれの部品から発せられる電磁ノイズの干渉が発生しやすいのが現状です。

これまで電流が流れた際に、電磁石コイルより発生する「コイル鳴き」をはじめとしたさまざまなノイズ現象にユーザーは悩まされてきました。加えて現代ではCPUのクロック周波数が高まるなど、個別の部品の性能が高まっています。それゆえに個体から発せられる放射ノイズも高まり、ノイズ対策は必須となる訳です。

ノイズ対策として考えられるのが、その要因を配慮した上でのレイアウト・配線および対策に適した部品の実装です。加えてノイズの加害者・被害者、そして伝搬経路の3つの要素を考慮する必要があります。発生源で対策を講じたり、被害者側でブロックしたりなど要素のうちいずれか1つを遮断するだけで対策となり得ます。

例を見ていくと、デジタル回路やスイッチング電源などノイズの発生源となる装置を排除するのは1つの具体策です。ソフトの冗長処理を行うことでも排除は可能ですが、多くは電子機器の性能を落としてしまいます。そこで一般的な対策として挙げられるのが、伝搬経路におけるノイズ対策です。ノイズが伝わるメカニズムには、空間伝導と導体伝導の2種類が挙げられます。これら2つの伝導方式に対して、それぞれの方法で対処するのがポピュラーな対応法となります。

ノイズ対策の主な手法について

ノイズ

ノイズ対策には加害者・被害者側へのそれぞれの対策、伝搬経路への対策といったものが講じられます。伝搬経路に関しては、空間伝導および導体伝導の2種がノイズの伝わり方です。なおいずれの経路に関しても、3種類の対策によって対処されます。

ノイズ障害の根本原因となる、コモンモードノイズの抑制効果があるのがグランド対策です。3種の中でも重要な役割を果たし、プレーン共振やスイッチングノイズ、電気的な接続から発生する音に対して効果を示します。プリント基板など、筐体の設計段階に組み込むことで最大の効果を発揮する手法です。

一方、導体伝導に有効なのがフィルタ対策です。根本原因を抑える働きはないものの、外部へと漏洩するノイズを低減させる、いわば対症療法的な手法と言えます。グランドと比べて、製品が完成した後に対策を立てやすい方法と言えるでしょう。身近なものとして挙げられるのは、USBケーブルの途中で取り付けられているフェライトコアです。

フィルタと同様に、根本原因を叩く訳ではなく対症療法的な役割を果たすのがシールド対策です。空間伝導に有効な方法であり、設計段階に組み込むことができるのも利点と言えます。該当する部品を使って前もって対策できる上に、後から製品に影響を及ぼすことができる手法です。追加で症状を改善できる、汎用性の高い手段となります。

【ノイズ対策の手法】グランド対策とは?

ノイズ

グランド対策とは、基準電位の安定化が主幹となります。電子機器の内部回路の基準となる電位のことを基準電位と呼び、グランドと称されます。ノイズ対策において重要な役割を果たすのが、シグナルおよびフレームグランドです。双方ともに、グランドの間で電位差が生じた時点でノイズへと変化します。そして機器の内部回路と他の電子機器に影響を及ぼし、ノイズが発生するという訳です。基本的な対策にグランド対策が挙げられるのはこのためであり、基準電位の変動が起きないようにしなければなりません。

シグナルグランドは、主にリターン電流が原因です。リターン電流による電位差の変動は、回路の種類に問わず必要な現象です。対策として考えられるのは、最短のリターン経路を確保することが挙げられます。これにより電位変動すなわちノイズが最小となり、低減するというメカニズムです。

クロックラインなどノイズ源となる配線では特に、リターン電流の経路の妨げにならないよう注意しなければなりません。リターン電流で生じたものをコモンモードノイズと呼び、放射効率が高くごく微小であっても甚大なノイズ障害を発生させる要因をはらんでいます。このコモンモードノイズを防ぐフィルタ部品もありますが、先にこのグランド対策を講じることが重要です。

【ノイズ対策の手法】フィルタ対策とは?

ノイズ

フィルタ対策とは、周波数成分の差異を利用してフィルタを通してノイズだけを減衰させる手法です。伝送経路・ケーブルに含まれる複数の信号やノイズは、それぞれが異なる周波数を保持しています。その違い、特性に応じたフィルタを用意して選り分けるという訳です。

用いられるフィルタのパーツは、周波数特性によって4種類に分かれています。その中でもノイズに関しては、ローパスフィルタが使用されています。この理由は、電源電流およびアナログ・デジタル信号の周波数が低いからです。低い(ロー)帯域だけを、通過・素通り(パス)させて高い帯域の周波数に属するノイズ成分だけをろ過するという仕組みです。

各ラインを細かく見ていくと、電源ラインでは直流および商用電源が信号として認められ、それ以上の周波数を含むラインはノイズという定義です。直流電流に関しては、多くの電子機器の内部回路に含まれるパスコンにてフィルタ対策が講じられています。

次に信号ラインでは、アナログおよびデジタル信号に含まれる歪み・リンギングがノイズとして定義づけられています。信号の周波数成分と近い、もしくは重複していることが多いのが厄介な点です。フィルタ対策においては、信号ラインに影響を与えない範囲内でノイズの減衰を図ることが重要です。ノイズとの周波数が似通っていない場合はRC、周波数が近い場合についてはアクティブで信号の方が周波数が高い際にはLCフィルタを用います。

【ノイズ対策の手法】シールド対策とは?

ノイズ

シールド対策は、ノイズとなる電磁波を特定範囲内に閉じ込める手法です。よくトイレの蓋にたとえられる方策であり、ノイズの発生源を臭いものとしてシールドを蓋と言及されます。ノイズが放射されるであろう場所を、金属導体で覆う(シールド)ことで外部へと放射することを防ぐという訳です。

電子機器内においては、主に4つの箇所・部門で行われています。部品(デバイス)とプリント基板内、電子機器の筐体全体とケーブルといった4種類です。部品単位で行う場合、主な対象となるのが半導体ICです。主なノイズ発生源がICであり、電磁波ノイズを抑え込むためのシールドキャップが装着されます。機器自体はもちろん、その機器の周辺の電子機器へのノイズ障害も抑制することが可能です。

次にプリント基板内では、伝送経路を通じて放射されるノイズへの対策が主体です。基板内では特定の周波数が放射され、アンテナの役割を果たしてしまいます。これの対策としては、プリント基板を丸ごと覆うようにしてケースを設置することで抑制の機能を発揮させます。

機器全体から放射されるノイズには、金属製の筐体を用いることが主な防御法です。樹脂製のケースから金属製へと変化させることにより、ノイズが軽減されます。導電率が高い筐体を採用するのが一番ですが、剛性およびデザイン面も考慮すると難しくなってきます。ケーブルもノイズ源となりやすい媒体であり、2重・3重に多層化されたシールドケーブルを用いることで対策となるという仕組みです。電磁ノイズの対策を講じるには加害者・被害者側、伝搬経路の3つの視点を理解することが大事です。そしてそれぞれの要因や特徴に合った、対策法を選ぶことが重要になります。グランドおよびシールド対策、フィルタ対策の特徴と構造・部品を把握して実務の中に取り入れましょう。