コモンモードとディファレンシャルモードって何？

次に、各ノイズのモードとEMIの関係について考えていきます。
ディファレンシャルモードのノイズの場合、リターン電流が基板GNDという近傍に存在しているため、信号線や電源に流れる電流とリターン電流の間で磁界が打ち消しあうことで、遠方の放射レベルとしては小さくなります。
これに対してコモンモードのノイズの場合、信号線や電源とGNDには同方向の電流が流れ、リターン電流は大地を流れます。そのため、信号線や電源とGNDを流れる電流が互いに磁界を強めあい、かつリターンが遠いために磁界が打ち消しあうことも無く、遠方での放射レベルが高くなります。

ディファレンシャルモードとコモンモードでは、ノイズが空間に放射される主な仕組みについても異なります。
ディファレンシャルモードでは、主に信号線や電源とリターン電流によって形成されるループアンテナとして空間にノイズが放射されます。
この場合、リターンを近傍に置いてループ面積を小さくすることで共振周波数を高くできるため、ノイズ源のエネルギーが小さい周波数まで共振点をずらすことで影響を抑えることが可能です。
これに対してコモンモードでは、主に接続するケーブルを含めたダイポールアンテナとして空間にノイズが放射されます。
以下にそれぞれのモードにおけるノイズ放射の原理の図と遠方での放射電界の式を示します。
この式からもわかる通り、特に低周波においてはコモンモードの影響が大きいことが分かると思います。

コモンモードの発生要因には様々ありますが、ここでは2つの主な発生原理について説明します。

1つ目は、基板上のGNDの影響です。
GNDが十分でない基板では、プレーンのインピーダンスによってGNDの間に電位差が生まれます。
基板上の回路はGNDを基準に動作するため、このGNDの電位差はコモンモードのノイズとなります。
また、リターンとなるGNDのスリットや、ビアを介した配線層の変更によるリターン分断があると、信号線とリターンの間の結合が崩れることにより、ノーマルモードがコモンモードに変換されます。
このように、基板のレイアウト設計によって意図せずコモンモードノイズを発生させてしまう場合があります。
例からも分かる通り、こういった問題のあるレイアウト設計は一般的なEMC設計ルールとしても規定されているものが多いため、ルールチェックを活用することである程度防止することが可能です。

今回はEMCで非常に重要なコモンモードとディファレンシャルモードについてお話させて頂きました。
こういった背景を理解することで、EMC設計、対策における常識の背景について理解を深められるため、実際の製品に適用する際の判断をより正確に行うことができるようになります。

次回はSパラメータ、Ｚパラメータといった二端子対回路網についてお話させて頂きますので、もし興味があればチェックしてみてください。

サイバネットは、お客様のEMCに関するお悩みをトータルで解決いたします。 

「なにから始めればよいかわからない」 

そんなときこそ、まずはサイバネットに相談してみませんか？ 

ご相談・お見積りは無料です。