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偶数次と奇数次の比較でわかる！ノイズ放射源の推定


プリント基板EMC Q＆A

偶数次高調波と貫通電流

図1　クロック周波数の偶数次高調波が奇数次よりも強く現れる場合，電源バスを流れるCMOS貫通電流が主な原因．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

プリント基板のEMC設計では，放射エミッションの特性を理解することが重要です． 特にクロック信号の高調波の分布を観察することで，主な放射源を推定できます． クロック周波数の偶数次高調波が奇数次よりも強く現れる場合，電源バスを流れるCMOS貫通電流が主な原因です．

偶数次高調波と貫通電流の関係

CMOS回路では，信号がLレベルからHレベル，あるいはHレベルからLレベルに遷移するとき，電源バスから引き出される電流が同一極性になります． このため，偶数次の高調波が生じます． この現象はデューティ比が崩れたことによるものではありません． 偶数次高調波は電源バーストに起因して発生し，電源バスの貫通電流が励起源になります．

具体的な例として，225MHzの基本クロックを用いたEMIデータでは，150MHzや200MHz付近の偶数次高調波が高いことが観測されます． この場合もデューティ比の不具合ではなく，CMOSのオンオフ遷移に伴う貫通電流が原因です．

平行平板共振と放射ノイズ

電源バスを流れる貫通電流は，プリント基板の電源面とグラウンド面間の平行平板構造を励起します． この平行平板構造は共振周波数をもつため，特定の周波数帯で放射ノイズが増幅されます． 偶数次高調波が強くなる場合，この共振構造の影響を考慮する必要があります．

平行平板共振による放射ノイズは，基板の構造，配線の長さ，電源・グラウンド面の面積などで決まります． 設計段階でこれらの要素を評価することにより，不要な放射ノイズの発生を抑制できます．

放射源推定の手法

  1. 偶数次高調波が強い場合：電源バスのCMOS貫通電流を疑う
  2. 奇数次高調波が優勢な場合：クロックやデータ線の信号遷移が影響
  3. 高調波分布と基板構造を比較して共振周波数を特定
  4. 必要に応じて電源デカップリングやシールドでノイズを抑制

偶数次と奇数次の高調波の比較は，放射ノイズの原因を把握するうえで有効です． 特に電源バスに注目することで，CMOS貫通電流によるノイズの影響を評価できます． これにより，設計段階で適切な対策を講じることが可能です．

〈著：ZEPマガジン〉

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．
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