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差動と同相 電流は2種類


プリント基板EMC Q＆A

ディファレンシャル・モード電流とコモン・モード電流を区別する

図1　ディファレンシャル・モード電流とコモン・モード電流を区別して理解することが，不要なノイズを抑える基板設計の必須事項．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［著］櫻井秋久
詳細：［Book/pdf］デシベルから始めるプリント基板EMC即答200

プリント基板におけるEMCの議論では，信号線とグラウンド面の間に形成される電界が重要です．高速信号が流れる場合，その電界の分布や電流の流れ方が電磁放射の大きさに直結します．特に注目すべき概念としてディファレンシャル・モード電流とコモン・モード電流があります．これらを区別して理解することは，基板の設計段階で不要なノイズを抑えるうえで必須です．

ディファレンシャル・モード電流とコモン・モード電流

ディファレンシャル・モード電流とは，2本の伝送線路を想定したときに，一方が信号の往路，もう一方が復路として機能し，互いに逆向きの電流が流れる現象です．たとえばクロック信号がロジック回路から出力される場合，帰路電流は基板内のグラウンド面を通って戻ります．この往路と復路が対になって動作する状態がディファレンシャル・モード電流です．

コモン・モード電流はその逆で，複数の線路に同じ方向の電流が流れる現象を指します．原因はさまざまですが，信号とグラウンドのインピーダンス不整合や基板の配線バランスの乱れが引き金になることが多いです．コモン・モード電流は外部に放射されやすく，EMIの原因になります．

電磁放射に与える影響

ディファレンシャル・モード電流は，2本の線路に逆方向の電流が流れるため，発生する電磁界が互いに打ち消し合う方向に作用します．その結果，基板から外部に放射される電磁波は小さく抑えられる傾向があります．これに対してコモン・モード電流は線路間で加算されるため，基板全体からの放射が増加する特性があります．

電流の流れを正しく理解するためには，線路とグラウンド面との結合度合いや，信号のリターン・パスの確保を常に意識する必要があります．グラウンド面の分断やビアの配置が不適切な場合，ディファレンシャル・モード電流がコモン・モード電流に変換され，放射ノイズを増大させることもあります．

基板設計における注意点

  1. 信号線のペアはできるだけ近接させる
  2. 広いグラウンド・プレーンを確保する
  3. リターン・パスが途切れないようビアやスリットを配置する
  4. 高速クロック信号の配線は線路長や経路を揃える

これらの工夫によってディファレンシャル・モード電流が維持されやすくなり，コモン・モード電流の発生を抑えることができます．基板内の電界分布を理解することは，設計段階でのノイズ抑制に直結する重要な観点です．

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 櫻井 秋久
  • 1982年　九州大学大学院総合理工学研究科修了
  • 1982年　日本アイ・ビー・エム株式会社入社．通信端末の製品開発，数値シミュレーションを応用したEMC 製品設計技術の研究，開発に従事
  • 2005年　IBM ディスティングイッシュド・エンジニア，技術開発センター長
  • 2010年　数値気象予測などIBMの基礎研究成果を活用したソリューション開発に従事
  • 2020年　同社退社
  • 2021年　株式会社システムデザイン研究所・顧問，山形大学ナスカ研究所教授．iNARTE EMCマスタ・デザイン・エンジニア
  • クレムソン大学の電気・コンピュータ工学の名誉教授，LearnEMCの社長．MITでBSEE，パデュー大学でMSEE，ノースカロライナ州立大学でPh.D.を取得．IBMで7年間エンジニアを務め，ミズーリ大学ローラ校で17年間教員を務めた後，2006年にクレムソン大学に入社
  • クレムソン大学の車両エレクトロニクスのミシュラン教授として，クレムソン車両エレクトロニクス研究所を設立し，車両エレクトロニクス，電磁適合性，ディジタル・シグナルインテグリティの研究プロジェクトを監督し，授業を担当．
  • 同氏が運営するウェブサイト“LearnEMC”では，自動車，航空宇宙，民生用電子機器の各業界で働くエンジニアを対象に，EMCに関する指導，コンサルティング，設計支援を行っている．
  • 電気電子学会(IEEE)フェロー，Applied Computational Electromagnetics Societyフェロー，IEEE Electromagnetic Compatibility Society Past-President．

著書

  1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング．

参考文献

  1. ［PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾1【微分・積分】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾2【フーリエ解析】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  9. Pythonではじめる 数値解析入門 [Vol.1 Pythonの開発環境をインストールする]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  10. Pythonではじめる 数値解析入門[Vol.2 グラフ描画ライブラリ“Matplotlib”で2次元のグラフを描く]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．