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EMC対策ってどうするの? ~現場で使えるノウハウと考え方~

ノイズ対策用の磁性体部品(コア)ってどう使う?

はじめに

第2回目は、「ノイズ対策用の磁性体部品(コア)ってどう使う?」です。
EMC試験でノイズが規格を超えてしまったとき、設計者が頼るのが磁気部品(コア)。
ケーブルに通すだけでノイズが減る…そんな便利な部品だけど、原理や種類を知らずに使うと、効果を十分発揮できません。
今回はノイズを抑制してくれるコアについて考えていきます。

ノイズ抑制用のコアってどんなもの?

ノイズ抑制コアは、ケーブルやハーネスに取り付けることで高周波ノイズを吸収・減衰させる磁性部品です。信号や電力に対する影響を抑えつつ、ノイズ成分を除去することができます。
ノイズ抑制コアがノイズを除去できる原理としては2つあります。

1. 高インピーダンスによる電流制限
ノイズ抑制コアに導線を通し電流を流すとその周辺に磁束が発生します。透磁率が高いフェライトは磁束を閉じ込めるため導線とコアがインダクタのように機能します。
これにより周波数が高くなるほどインピーダンスが上昇し、高周波ノイズ電流が通りにくくなります。

2. 磁気損失によるエネルギー吸収
電流が流れるとコア内部で磁束が変動し、その一部が磁気損失として熱に変換されることで、外部へのノイズ漏洩が低減されます。

コアの種類ってどんなものがあるの?

ノイズ抑制用のコアは主にフェライト材やナノクリスタル材等で構成されており、下記の表に各材質の詳細を、図に対応周波数範囲のイメージを示します。

 

表 1 ノイズ抑制用で使用されるコア

  材質 特長 用途
アモルファスコア Fe系アモルファス合金 高透磁率・中損失 インバータ、車載機器、通信機器などの高周波ノイズ対策
フェライトコア Mn-Zn、Ni-Znなど 広帯域対応・低損失・安価 USB、HDMI、電源ケーブルなど
ナノクリスタルコア Fe系ナノ結晶合金 高透磁率・高飽和磁束密度・低損失・広帯域対応 車載機器、産業機器など高性能が求められる場面

 

図1 材料ごとの対応周波数範囲

設計者が考慮するべき点は?

コアを効果的に使うには、ケーブルをコアに1回巻くよりも、2回、3回と巻いた方がノイズ除去効果を高めることができます。これは、巻数が増えることで磁束の変動が大きくなり、インピーダンスが増加するためです。
インピーダンスと巻数の関係は下記のように表されます。


●インダクタンスによるインピーダンス

Z=jωL

  • Z:インピーダンス(Ω)
  •  j:虚数単位
  • ω:角周波数(ω=2πf)
  • L:インダクタンス(H)

●インダクタンスとターン数の関係

 

L=AL×N2

 

  •  AL:コアのインダクタンス係数(H/turn²)
  •  N :巻数(ターン数)

この式からわかるように、理想的には巻数が2倍になるとインダクタンスは4倍、インピーダンスも4倍になります。
ただし注意しなければならないのは巻数を増やすと浮遊容量が増えてしまい、インダクタンスとキャパシタンスが並列に見えるため高周波数範囲ではインピーダンスが低下します。インピーダンスが確保できない範囲ではノイズ抑制効果を十分に発揮できません。下図に浮遊容量の発生イメージとインピーダンスの周波数特性を示します。

図2 浮遊容量のイメージ

図3 巻数とインピーダンスのイメージ

結論

ノイズ抑制用のコアは、電子機器の信頼性を守るための重要な部品です。単にケーブルに通すだけで効果があるように見えますが、材質・巻数・周波数帯などの設計要素を正しく理解し、適切に使用することで、ノイズ対策効果を最大限に引き出せます。
設計段階からノイズ対策を意識し、コアの特性を理解しておくことで、試験通過率の向上や設計変更のリスク低減につなげていきましょう!

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