電気機器のシステム(基板、ケーブル、筺体)のEMI抑制設計事例

はじめに

昨今、電子機器に関してEMC（Electromagnetic Compatibility）と呼ばれるノイズの問題が多く発生しています。EMCとは電磁環境両立性を意味し、電子機器が発するノイズに対する2 つの考え、EMIとEMSから成り立ちます。

EMI（Electro Magnetic Interference：エミッション）とは、対象となる電子機器から「放出されるノイズ」で、これを抑制する対策が必要となります。また、ノイズの伝搬形態により、空間を不要電磁波として伝搬する放射エミッションと、基板配線などを通じて信号と一緒に伝搬する伝導エミッションの2種類に分けられます。なお、伝導ノイズが要因となり放射ノイズが発生するケースもあります。

EMS（Electro Magnetic Susceptibility：イミュニティ）とは、対象となる電子機器が「外部から受けるノイズ」で、この耐性を高める対策が必要となります。EMIと同様にノイズの伝搬形態により、放射イミュニティと伝導イミュニティに分けられます。EMSの中では、ESD（Electrostatic Discharge）と呼ばれる静電気放電が代表的です。

これらノイズは、電子機器の動作はもちろん人体にも影響を及ぼします。そのためCISPRやVCCIといった国際規格や各国の団体規格により許容されるノイズレベルが定められており、製品を市場に投入するためには、これらの規格を満足する必要があります。

EMI抑制設計の必要性

セットメーカーにとって特に課題となっているのが、対象の電子機器が放出するノイズ、つまりEMIの問題です。EMIは基板、ケーブル、筐体とセット全体を駆動させて初めて問題が表面化することも多いため、実機での検証段階でその場しのぎの対策が施されるケースも珍しくありません。
CISPR、VCCI等のEMC規格を満たすためには多数の対策部品が必要となり、コストアップはもちろん、回路動作や筐体デザインに影響を及ぼす可能性があります。また、実機のカットアンドトライは膨大な工数を要するため、納期遅延になりかねません。
そこで、設計現場では実機の検討前にEMIを検証し、対策案を盛り込むことが欠かせません。Ansys社の電磁界解析ツールである HFSS は、電磁界の振る舞いを可視化することにより、設計段階におけるEMI抑制設計に貢献します。

図1　セット概略図と解析モデル

Ansys HFSSによる電磁界解析

解析概要

過去機種の経験等からノイズの発生源（励振源）、伝搬経路、放射箇所となり得る構造を精査し解析モデルを作成します。具体的には、高速動作する基板配線、フレキシブルケーブル、ヒートシンクや筺体、外部機器に接続するケーブルなどがEMIが懸念される構造として挙げられます。これらの構造に対し…