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2011年3月10日 (木)

EMIフィルターを考える

EMIフィルターとは
コンピューターやデジタル機器でのクロック周波数などの高調波がテレビや携帯電話の電波などに悪影響を与えないように不要な周波数帯域をカットしたり、外部に漏れないようにするための部品で、最近は携帯電話向けに小型で表面実装のものが多く使われているが、EMIフィルターの種類・構成別にどんな所に使うと効果的か考えてみます。
ハード的には
Emi_f_sgm 構造的にはセラミックコンデンサーとよく似ていますが、異なる点はGND用の端子がサイドに出ている点です。両端の端子を使って信号を伝送させ、そのラインとGND間にコンデンサーを構成する構造が一般的です。それでは種類別に見てみましょう。
1)分布定数型20110310_111253
 これは通過ラインをインダクターにして、両端またはインダクター内にGNDとのコンデンサーを付けて、ちょうとローパスフィルターを構成するものです。従来のフェライトビーズ+コンデンサーに比べて急峻なフィルタ特性を作れますので、伝送信号の帯域を広くとってかつ高調波を落とせますので、高速デジタル信号ラインなどに使われます。しかしながら内部電極を使ってインダクターを構成するので、電流は200mA程度しか流せませんので、主に信号系の用途に限られます。周波数特性は主にコンデンサーの値で決まります。
2)3端子コンデンサー型20110310_111802
 通常のセラミックコンデンサーの片側電極を伝送ラインに使い、反対側をGND電極にした構造で、通常のコンデンサーよりも低いインピーダンスを持っているのが特徴です。減衰特性はコンデンサーと同じく、容量に応じて最小インピーダンスの周波数が変わりますので、減衰したい周波数に合わせて容量を選ぶ必要があります。コンデンサーの内部電極を伝送に使うので 1〜4A 程度流せますので、電源などの用途に向いていますが、周波数特性がフラットな部分が少ないので信号ラインでは低速の信号ラインに限定されます。
3)CR型20110310_112627
 容量成分だけでなく、伝送ラインに抵抗成分を持たせ、ノイズを抵抗とコンデンサーのフィルタで減衰させるものです。内部抵抗は 10Ω から 100Ω程度とあまり大きくはありませんので、高速信号の伝送ラインに使用して高調波の高い成分にある不要なノイズを減衰させることが出来ます。 信号ラインの他に電流の少ないクロック発振器のデカップリングや、固定周波数のクロックの高調波を取り除きたい場合などに有用です。
ソフト的には20110310_113955
EMIフィルターで重要な点は、適した素子の選定もありますが実装上の問題が大きいと考えます。GND端子の直近にスルーホールビアを設けて(できれば両側に)裏面GNDに繋ぎます。さらに繋ぐGNDもできるだけ電源側あるいはノイズ源側に持ってゆくことで、GNDに流れるノイズによる電流を伝送側に漏らさない設計が重要です。

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