PCBブログ - スイッチング電源PCBボードの電磁互換性モデリング解析

スイッチング電源PCBボードの電磁互換性モデリングと分析において、スイッチングコンバータノイズの干渉経路は干渉源と被干渉デバイスに結合条件を提供し、その共通モード干渉と差モード干渉の研究に特に重要である。主に回路主要部品の高周波モデル及びコモンモードと差動モードノイズの回路モデルを分析し、スイッチング電源PCBボードのEMC最適化設計に有益な助けを提供した。スイッチング電源のコモンモード干渉と差モード干渉は回路に与える影響が異なる。一般的に、差動モードノイズは低周波で支配的であり、コモンモードノイズは高周波で支配的であり、コモンモード電流の放射効果は一般的に差動モード電流の放射効果より高い。放射効果はずっと大きいので、電源中の差モード干渉とコモンモード干渉を区別する必要がある。差動モード干渉とコモンモード干渉を区別するためには、まずスイッチング電源の基本的な結合モードを研究し、その上で差動モードノイズ電流とコモンモードノイズ電流の回路経路を確立する必要があります。スイッチング電源の伝導結合は主に：回路伝導結合、容量結合、誘導結合及びこれらの結合方法の混合を含む。

1.スイッチング電源において、高周波変圧器の一次巻線と二次巻線の間に存在する結合容量CW、電力管と放熱器の間に存在する浮遊容量CK、電力管自体の寄生パラメータ及び印刷導線の間の相互結合を形成するコモンモードと差動モードノイズ経路モデル。相互誘導、自己誘導、相互容量、自己容量、インピーダンスなどの寄生パラメータはコモンモードノイズと差モードノイズ経路を構成し、それによってコモンモードと差モード伝導干渉を形成する。パワースイッチング素子、変圧器及び印刷導体の抵抗、インダクタンス及び容量寄生パラメータモデルを分析した上で、インバータのノイズ電流経路モデルを得ることができる。回路主要部の高周波モデル電力スイッチング管の内部寄生インダクタンスと容量は回路の高周波性能に影響する。これらのキャパシタは、高周波干渉リーク電流を金属基板に流し、電力管とヒートシンクとの間に浮遊キャパシタCKが存在する。安全上の理由から、ヒートシンクは通常接地され、コモンモードノイズ経路を提供する。PWMコンバータが動作すると、スイッチング素子の動作に伴い、それに応じてコモンモードノイズも発生する。ハーフブリッジコンバータでは、スイッチQ 1のドレイン電圧は常にU 1であり、スイッチ状態の変化に伴ってソース電位は0とU 1/2の間で変化し、Q 2のソース電位は常に0であり、ドレイン電位は0とU 1/2である。開閉管と放熱器を良好な接触を保つために、開閉管の底部と放熱器の間に熱伝導性の良い絶縁ガスケットや絶縁シリカゲルを添加することが多い。これにより、点aと接地との間に並列結合キャパシタCKを有することと等価になる。スイッチQ 1とQ 2の状態が変化して点Aの電位が変化すると、CKには図2に示すようにノイズ電流Ickが発生する。放熱器からシャーシに電流が到達し、シャーシは即ち主電源線と結合インピーダンスを有し、図2中の破線で示すコモンモードノイズ経路を形成する。そのため、コモンモードノイズ電流は、グランドと主電源線との結合インピーダンスZに電圧降下を生じ、コモンモードノイズを形成する。隔離変圧器は広く応用されている電力線干渉抑制措置である。その基本的な機能は回路間の電気的隔離を実現し、接地回路によるデバイス間の相互干渉を解決することである。理想変圧器にとっては、コモンモード電流は、理想変圧器の2つの端子間で同じ電位にあるため、コモンモード電流ではなく、コモンモード電流経路を持つことができず、コモンモードノイズを抑制する役割を果たすことができないため、コモンモード電流を携帯することしかできません。実際の分離トランスは、一次側と二次側の間に結合コンデンサCWを有する。この結合コンデンサは、トランス巻線間に存在する非誘電体と物理的ギャップによって生成され、コモンモード電流に経路を提供する。通常の分離トランスはコモンモードノイズに対して一定の抑制作用があるが、巻線間の容量分布のため、コモンモード干渉を抑制する効果は周波数の増加に伴って低下する。コモンモード干渉に対する通常の分離トランスの抑制は、一次と二次の間の分布容量と設備の対地の分布容量の比で推定することができる。一般に、一次と二次の間の分布容量は数百pFであり、対地の分布容量は数~数十nFであるため、コモンモード干渉の減衰値は約10 ~ 20倍、すなわち20 ~ 30 dBである。コモンモードノイズに対するアイソレーショントランスの抑制能力を高めるためには、小さな結合容量が必要であることが重要である。したがって、トランスの1次と2次の間にシールド層を追加することができる。シールドは変圧器のエネルギー伝達に悪影響を与えないが、巻線間の結合容量に影響を与える。遮蔽層を有する遮蔽トランスは、コモンモード干渉を抑制することができるほか、遮蔽層を用いることで差モード干渉を抑制することができる。具体的な方法は、トランスのシールド層を一次巻線の中性端に接続することである。50 Hzの動作周波数信号では、一次および遮蔽層によって形成される高容量性のため、減衰することなくトランス効果によって二次に伝送することができる。周波数がより高い差動モード干渉に対しては、一次層と遮蔽層との間の耐容性が小さくなるため、この部分の干渉は分布容量と遮蔽層と一次中性端との間の接続を通じて直接電力網に戻り、二次回路には入らない。そのため、トランスの高周波をモデリングすることは非常に重要であり、特にトランスの多くの寄生パラメータ、例えば漏れインダクタンス、一次側と二次側の間の分布容量などを考慮しなければならず、これらのパラメータはコモンモードEMIレベルに重大な影響を与える。実際には、インピーダンス測定装置を使用して変圧器の主なパラメータを測定し、これらのパラメータを取得してシミュレーション分析を行うことができます。ハーフブリッジ回路における直流電解コンデンサCinは、対応する直列等価インダクタンスESLと直列等価抵抗を有する。この2つのパラメータは回路の高周波性能にも影響を与える。一般的にESLは数十nH程度です。実際の分析では、高周波インピーダンスアナライザを用いて抵抗器、インダクタ、コンデンサなどの受動素子の高周波等価寄生パラメータを測定し、回路シミュレーションソフトウェアのモデルライブラリからパワーデバイスの高周波モデルを得ることができる。回路の高周波ノイズに大きな影響を与えるもう1つの要因は、プリント基板上の印刷導体（ストリップワイヤ）の相互結合である。導体付近に高振幅過渡電流や急速に上昇する電圧が発生すると、干渉問題が発生する。プリント配線の結合は通常、回路と配線の相互容量と相互誘導を特徴とする。容量結合は結合電流を引き起こし、誘導結合は結合電圧を引き起こす。PCB層のパラメータ、信号線のトレース、およびそれらの間の間隔は、これらのパラメータに影響します。プリント基板トレースの高周波モデルと抽出トレース間の寄生パラメータを確立する主な困難は、プリント基板トラックの単位長容量と単位長インダクタンスを決定することである。通常、インダクタンス及び容量行列成分を決定するための3つの方法がある：（1）有限差分法（FDM）、（2）有限要素法、（3）運動量法（MOM）。単位長行列を決定した後、多導体伝送路または部分素子等価回路（PEEC）理論によりプリント基板トレースの高周波シミュレーションモデルを得ることができる。Cadenceソフトウェアは強力なEDAソフトウェアです。そのSpectraQuestツールはPCBボードの信号完全性と電磁互換性の分析を行うことができる。プリント基板のトレースの高周波モデリングにも使用でき、所与の構造を実現することができます。PCBボードからパラメータを抽出し、任意の形状のプリント配線跡のインダクタンス、容量、抵抗の寄生パラメータ行列を生成し、PEEC理論を用いてEMCシミュレーション分析を行った。コモンモードノイズと差動モードノイズの回路モデルは通常、回路中のコモンモード干渉と差動モード干渉が同時に存在し、電源の任意の相線と地の間にコモンモード干渉が存在し、相線と相線の間に差動モード干渉が存在する。差モード干渉は低周波数で支配的である、コモンモード干渉は高周波で主導的な地位を占め、スイッチング電源の差モード干渉とコモンモード干渉が回路に与える影響が異なることを説明する、一方、回線寄生パラメータが差モードに与える影響は異なり、干渉とコモンモード干渉の影響も異なる。線路間のインピーダンスは線路対地インピーダンスとは異なるため、長距離伝送干渉後、差モード成分の減衰はコモンモード成分の減衰よりも大きい。そのため、スイッチング電源のオンノイズ問題を解決するためには、まずコモンモード干渉と差モード干渉を区別する必要があり、これにはコモンモードと差モードノイズ経路を確立し、それからそれぞれシミュレーションと分析を行う必要がある。この方法は電磁干渉を発見するのに便利である。この問題の根本的な原因は簡単に解決できる。エンジニアリングでは、電流プローブを使用して、電源がコモンモードであるか差動モードであるかを決定することができます。プローブは、最初に各ワイヤを個別に囲んで、単一ワイヤのインダクタンス値を得る、誘導値が増大し、線路中の干渉電流がコモンモードになり、そうでなければ差モードになる。理論解析では、異なるシステムに対して、そのコモンモードと差動モードノイズ電流モデルをそれぞれ確立する必要がある。上記分析に基づいて、パワーデバイスの高周波モデルとプリント配線の相互結合関係を考慮して、ハーフブリッジQRC変換器のコモンモードと差動モード干渉回路モデルを得た。LISN（ラインインピーダンス安定化ネットワーク）は、EMC検出に特化した線形インピーダンス固定ネットワークである。LISNのインダクタンスは50 Hzの動作周波数信号に対して低インピーダンスであり、コンデンサは高インピーダンスであるため、動作周波数信号LISNは実質的に減衰せず、LISNを介して電力をハーフブリッジ変換器に送信することができる。高周波ノイズに対して、LISNのインダクタンスは大きなインピーダンスを示し、コンデンサは短絡とみなすことができるため、LISNは被測定デバイスと電力網との間の高周波ノイズ伝送を防止する。そのため、LISNはコモンモードと差動モード干渉の役割を果たす。電流はPCB基板上で測定される周波数帯域（典型的には100 KHz〜30 MHz）に固定インピーダンス（50オーム）を提供する。