電子機器では、通常交流入力ラインにフィルタが設けられています。これは、スイッチング電源を内蔵する電子機器において、電磁妨害（EMI）の主な発生源が電源装置自体であるためです。EMIの発生源はさまざまであり、雷や地球の磁場といった自然現象に加え、モーター、高周波（RF）技術、デジタル／アナログ信号など、人為的なものも含まれ、これらすべてが妨害を引き起こす可能性があります。フィルタは、こうした妨害信号が装置外部へ放射されたり、周辺の他の電子機器に影響を与えたりしないようにするために不可欠な部品です。本記事では、電磁妨害の原因とそれに対する対策について詳しく解説します。
1- 干渉信号の種類とその発生
電子機器におけるノイズとは、装置内部で発生する望ましくない電気信号を指します。これらは避けられない電圧または電流の乱れです。干渉が過度になると、以下の現象が発生する可能性があります。
① 目的の音声とは無関係な、ラジオやマルチメディア機器からのノイズ音の発生。
② 元のコンテンツを超えた、テレビ画面に表示される歪んだり乱れた画像。
③ デジタル機器が誤って起動したり、正常に動作しなくなる場合。
④ 通信機器が正常な信号を送信できなくなる場合。
⑤ 電子機器の適切な機能を妨げるその他の影響。
これらの理由から、各国および地域では電子機器に対して対応する要件や規制を設けており、これらの機器が発生する干渉信号が一定の限界値を超えてはならないことを定めています。製造業者は、自社製品が発生するEMIを、これらの規定された限界内に抑える義務を負っています。
近年、電子機器ではデジタル技術およびスイッチング技術が広く採用されています。製品がこれらの技術を使用する限り、必然的にEMI信号が発生します。フィルターを使用することは、この干渉を規制された限界内に抑えるための有効な手段です。干渉の許容限界は国や地域によって異なるため、必要なフィルターの特性もそれぞれ異なります。以下に示すのは、産業用機器に外部から使用される電源ラインフィルターと、電源内部に搭載されるフィルター（共通モードチョーク、差動モードチョーク）の例です。
図1（左）：外部用産業用電源ラインフィルター
図2（右）：内部スイッチング電源フィルター（共通モードチョーク）
スイッチング電源では、スイッチングトランジスタ、高周波整流ダイオード、およびスイッチングトランスがより高いレベルの妨害を発生させる。スイッチング電源内の動作波形は通常、方形波または三角波（基本波形）である。これらの波形には、基本周波数の整数倍の高周波成分が含まれている。これらの高周波波形が外部に伝搬すると、妨害信号となる。
さらに、トランジスタのスイッチング速度は非常に高速です。例えば、12Vで2Aの電流が約300kHzの周波数でON／OFFされることがあります。以下の図に示すように、スイッチング遷移状態中では、電流の変化率（di／dt）が非常に高くなります。インダクタンスはコイル素子だけでなく、プリント基板（PCB）上の寄生インダクタンスとしても存在するため、このような急激な電流変化により妨害電圧信号が発生し、周囲の環境や他の電子部品に干渉を及ぼす可能性があります。これらの妨害信号はPCBの配線を通じて伝導するだけでなく、電磁波や配線を通じて外部へ放射されることもあります。このEMIの周波数は固定されておらず、1つのスイッチング周期内にも多数のdi／dt成分が含まれるため、発生する妨害電圧は広い周波数帯域にわたります。
図3：等価回路モデル
図4：妨害電圧信号モデル
図5：妨害電圧信号
図6：干渉電流信号
図7：ダイオードターンオフ短絡電流モデル
スイッチング電源に限らず、電圧／電流の経路に基づいて電子機器内で干渉が発生する場所を広く分類することができる。以下の図に示すように、差動モードと同相モードで発生する干渉はそれぞれ差動モード干渉および同相モード干渉と呼ばれる。
図8：干渉信号モデル図
交流電源コードの線間、または直流出力の正極と負極の端子間に現れる干渉は、差動モード干渉と呼ばれます。一方、共通モード干渉とは、回路内の任意の線とグラウンド線（すなわちアースに対して）の間に発生する干渉信号成分を指します。電源回路によって発生する干渉は、ほぼ常に最初は差動モードです。しかし、この差動モード信号が他の回路に伝わるにつれて、電磁的または静電的な影響により、グラウンドに対するインピーダンスバランスが崩れ、共通モード信号に変換されることがあります。最終的には、干渉の大部分が共通モードとなるのです。
さらに、自然環境から機器に侵入する外部の妨害信号は、その発生がほとんど常に地球（アース）に関連しているため、通常は同相（コモンモード）ノイズとなります。また、同相ノイズが回路に入る場合、さまざまな条件や素子の影響によって、差動モード（ディファレンシャルモード）ノイズに変換されることもあり、回路の動作に直接的かつ悪影響を及ぼす可能性があります。
電子機器や電力回路では、性質がまったく異なる同相ノイズと差動モードノイズの両方に対して、対策を検討し実施する必要があります。
2- 電磁妨害に対する対策
干渉信号の伝播の観点から、干渉は大別して伝導性干渉と放射性干渉に分類される。干渉信号の種類という観点からは、同相モード干渉（コモンモード干渉）と差動モード干渉（ディファレンシャルモード干渉）に分けられる。干渉信号を抑圧する主なアプローチは以下の2つである。
① 干渉信号の発生を防止すること。
② 干渉信号の伝播を遮断、吸収、または除去すること。
現代の電子機器は主にスイッチング電源技術およびデジタル技術を使用している。これらの技術を用いる機器は必然的に干渉信号を発生させ、単独で技術の改良だけでは抑制が困難である。現在、多くの対策は干渉信号の伝播を遮断または緩和することに焦点を当てている。
2.1 共通モードインダクタ、差動モードインダクタ、XコンデンサおよびYコンデンサを組み合わせることで、干渉信号の伝導を阻止（吸収または除去）するための受動部品を使用します。
2.2 フェライトビーズまたは磁気シールド構造を備えた電力用インダクタを使用して、放射干渉信号が外部に伝播するのを防ぎます。
伝導性EMIに対処するために、 コダカ 信号ライン用共通モードインダクタ（SPRHSシリーズ、CSTPシリーズ、VSTCBシリーズなど）、電源ライン用共通モードインダクタ（TCBシリーズ、SQHシリーズ、TCMBシリーズ）、および差動モードインダクタ（SPRHシリーズ、PRDシリーズ、その他の差動モードインダクタとして使用可能な電力用インダクタ）のシリーズを提供しています。これらの共通モードおよび差動モードインダクタは、電子機器が外部からの電磁妨害に対して耐性を持つように支援するとともに、機器内部で発生したEMIが外部に放出されるのを防ぎます。
妨害抑圧の効果は、インダクタのインピーダンスと密接に関係しています。詳細については、以下の仕様表および周波数特性グラフを参照してください。
表1: Codaca 共模チョークの特性 テーブル
注：この表はインダクタモデルの一部のみを示しています。詳細については、Codaca公式ウェブサイトをご覧ください。
図9：信号線用共模チョークのインピーダンス-周波数特性グラフ
図10：電源ライン用共模チョークのインピーダンス-周波数特性グラフ
放射型EMI対策には、フェライトビーズを使用できます。RF回路や発振器回路などの高周波回路では、電源入力部にフェライトビーズを追加する必要があります。CodacaはRHD、RHV、SMB、UUNシリーズなど、一連のフェライトビーズを提供しています。
表2：フェライトビーズ特性表
注：この表は一部のモデルのみを示しています。詳細については、Codaca公式ウェブサイトをご覧ください。
前述の通り、磁気遮蔽された電力用インダクタは、放射妨害の伝播を遮断することもできます。放射EMIに対して、Codacaは成形インダクタ、大電流インダクタ、デジタルアンプ用インダクタ、チップインダクタなどを含む一連の磁気遮蔽部品を提供しています。これらの電力用インダクタはスイッチング電源の電力ラインに使用できます。磁気遮蔽構造により、インダクタから発生する干渉が外部に放射されるのを効果的に防ぐだけでなく、外部からの放射妨害からインダクタ自体を保護することも可能です。このような遮蔽型インダクタは、信号線および電力ラインにおける差動モード妨害対策にも使用されます。
表3：磁気遮蔽インダクタ特性表
注：この表は一部のモデルのみを示しています。詳細については、Codaca公式ウェブサイトをご覧ください。
図11：VSHB0421-4R7MCの温度上昇および飽和電流曲線、インダクタンス-周波数およびインピーダンス-周波数特性
3- 結論
電子製品の統合化と複雑化が進むにつれて、それらが動作するEMI/EMC環境も大きな課題に直面しています。電子機器のEMI/EMC問題を解決するために、Codacaはさまざまなシリーズの標準化された 信号線用共通モードチョーク , パワーラインコモンモードチョーク s 、差動モードチョークコイル、 フェライトビーズ 、そしてさまざまな 磁気遮蔽型電力用インダクタ を開発しました。エンジニアは、電源回路設計の特定の要件に基づいて、Codacaから適切な標準化された共通モードチョークコイル、差動モードチョークコイル、または電力用インダクタを選択できます。
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