コモンモードノイズフィルタとディファレンシャルモードノイズフィルタの選択方法

回路に不要なノイズが発生した場合、エンジニアは正しいフィルタを選択する必要があります。決定はノイズのタイプ、つまりコモンモードかディファレンシャルモードによって異なります。コモンモードノイズは、グランドを基準にして両方のラインに同じように現れます。差動モードのノイズは、2 つのライン間の電圧差として現れます。わかりやすい例としては、2 車線の高速道路があります。コモン モードは、両方の車線が路肩に対して同じ方向に移動することに似ています。差動モードは、反対方向に移動するトラフィックに似ています。適切なノイズ フィルターの選択は、存在するノイズの種類を特定することから始まります。その識別により、適切なフィルター ソリューションが導き出されます。ノイズ フィルタの選択を誤ると、ノイズの問題が悪化したり、未解決のままになったりする可能性があります。したがって、効果的な回路設計には、これら 2 つのノイズ タイプを理解することが不可欠です。

コモンモードノイズとディファレンシャルモードノイズ

コモンモードノイズの定義

コモンモードノイズは、共通グランドを基準とした両方の信号ライン上の同一の電圧変動として現れます。このタイプのノイズは、両方の導体で同じ位相と振幅を共有します。外部の電磁干渉とグランド ループが最もコモン モード ノイズを生成します。

歩道のたとえは、コモンモードノイズを明確に示しています。歩道を同じ方向に並んで歩く 2 人の人物は、2 本の信号線を表しています。地面そのものが歩道の役割を果たします。両方の人が歩道に対して一緒に移動すると、コモンモードノイズの動作が反映されます。両方のラインは、グランドに対して同じ不要な信号を伝送します。

差動信号は、信号の完全性を維持するためにコモンモード除去に依存します。 2 本のワイヤが差動ペアとして近くに配線されると、外部 EMI により両方のラインにほぼ同じノイズ電圧が誘導されます。受信機は一方の信号をもう一方の信号から減算し、同一のノイズ成分をキャンセルします。このキャンセルにより、元の電圧差が保存されます。コモンモードノイズは、受信機の CMRR 能力を超えると問題になります。 CMRR 値の範囲は 40 ～ 60 dB で、ノイズは 100 ～ 1000 倍に減衰します。

トレースの非対称性により、除去効果が低下します。 100 ps ビット周期の 10 Gbps 信号の場合、最大許容スキューは約 10 ps です。 FR-4 材料上の約 2 mm のトレース長の不一致により、このスキューが発生します。この不一致により、コモンモードノイズが差動ノイズに変換され、信号の完全性が低下します。

グランド ループは、別の重要なコモン モード ノイズ源を生成します。産業用データ収集システムでは、複数のセンサー端子、アナログ入力コモン、およびシールド グランドを同じ電源のマイナスに接続すると、グランド ポイント間に複数の導電パスが作成されます。この構成により、AC 主電源グランド電位差からの循環電流が信号グランドに結合することが可能になります。その結果は、接地点間の電圧オフセットの変化として現れます。エンジニアは、グランド ループ結合からの 4 ～ 20 mA 信号で約 1 mA のピーク ツー ピーク ノイズ、0 ～ 5 V センサー出力で約 50 mV のピーク ツー ピーク ノイズを観察しました。適切な接地技術により、このようなループの形成を防ぎます。

接地ループは、接地システム内の 2 点間に複数の導電パスがある場合に発生します。物理的に離れた 2 つの電源のコモンを接続すると、大きな導電ループが形成されます。このループはアンテナのように機能し、産業環境から電気ノイズを拾います。コモンレールを流れるこの電流により、システム内の異なる接地点間に変動する電圧オフセットが生じます。

ディファレンシャルモードノイズの定義

ディファレンシャルモードノイズは、2本の信号線間の電圧差として存在します。このタイプのノイズは、各回線とグランドの間ではなく、回線全体に発生します。ほとんどの差動モード ノイズは、回路自体内のスイッチング電流によって発生します。

同じ道を互いに向かって歩いている 2 人の人物は、明確な類似性を示しています。個体が反対方向に動くとき、それらの相対運動により個体間に差が生じます。同様に、差動モードのノイズは 2 つの導体間に測定可能な電圧差を生じます。

DC-DC コンバータは、重大な差動モード ノイズを生成します。次の表は、一般的な特性をまとめたものです。

100 µH シリーズ インダクタは、10 ～ 18 dB のノイズ低減を実現します。適切に設計された外部フィルター板により、ほぼ完全な削減が達成されます。これらの周波数特性を理解することは、エンジニアが適切なフィルタリング コンポーネントを選択するのに役立ちます。これらのコンバータ用のフィルタを設計するエンジニアは、効果的なノイズ抑制を達成するために、この周波数範囲に対処する必要があります。

コモンモードチョークの仕組み

バイファイラー巻線とフィールドキャンセル

コモンモードチョークは、単一の磁気コアに並べて巻かれた 2 つのコイルを使用します。この構造はバイファイラー巻きと呼ばれます。 2 つの巻線は同じ巻数を持ち、同じコア材料を共有します。コアの材質はチョークの周波数性能を決定します。フェライト コアは高周波ノイズを効果的にブロックしますが、より狭い周波数範囲で動作します。粉末金属コアはより広い周波数範囲を処理しますが、より多くのエネルギーを蓄積する可能性があり、発熱やインダクタンス損失につながる可能性があります。どのコア材料も、過熱したりインダクタンスを損失したりすることなく、繰り返しの電流変動に耐える必要があります。

バイファイラー配列により、顕著な磁気挙動が生じます。差動モード信号の場合、必要な電流が 2 つの巻線を逆方向に流れます。これらの逆向きの電流は、互いに完全に打ち消し合う磁場を生成します。炉心の正味磁束はほぼゼロのままです。このキャンセルによって超低 DC 抵抗が生成され、最小限の損失で目的の信号を通過させることができます。コモンモードノイズの場合、電流は両方の巻線を同じ方向に流れます。磁場は互いに強め合い、コア内に強力な磁束を生成します。この強化された磁場は、ノイズをブロックする高インピーダンスを生成します。

基本原理:差動信号の場合、必要な電流が反対方向に流れ、磁界が互いに打ち消し合うため、信号は歪みなく自由に流れることができます。対照的に、コモンモードノイズ電流は同じ方向に流れ、その場を強化し、ノイズを遮断する高い抵抗を生成します。

ノイズに対しては高いインピーダンス、信号に対しては低いインピーダンス

コモンモードチョークのインピーダンス動作は、電流の方向に完全に依存します。以下の表は、この関係をまとめたものです。

バイファイラー巻線により、漏れインダクタンスが意図的に最小限に抑えられます。巻線を並べて配置すると、漂遊磁界が減少します。この低い漏れインダクタンスにより、差動モードのインピーダンスが低くなります。この設計の選択は、データライン チョークにとって重要であることがわかります。これにより、差動モード信号が最小限のインピーダンスで通過できるようになり、立ち上がり時間の劣化を回避し、ジッターを防ぐことで信号の完全性が維持されます。対照的に、部分巻線は主電源フィルタの差動モード減衰のために漏れインダクタンスを増加させますが、バイファイラチョークはこの目的には役立ちません。

このターゲットを絞った抑制により、コモンモードチョークは差動ペアや電力線にとって理想的なものになります。チョークは、必要な差動信号には影響を与えずに、不要なコモンモードノイズのみをフィルターします。エンジニアは、伝送されるデータの歪みを心配することなく、これらのコンポーネントを信号線と直列に配置できます。

ディファレンシャルモードインダクタの仕組み

単一コイルと直列インピーダンス

ディファレンシャルモードインダクタは、磁気コアに巻かれた単一コイルを使用します。インダクタは電力線と直列に配置されます。この構造は、すべての高周波電流に対してインピーダンスを示します。ディファレンシャルモードノイズとコモンモードノイズは両方ともある程度の減衰を受けます。インピーダンスは周波数とともに増加します。

飽和電流によって実際の動作限界が決まります。

飽和電流 (I_sat) のフィルタリングへの影響:動作電流が飽和しきい値を超えると、コアが飽和し、インダクタンスが急激に低下します。このインダクタンスの崩壊は、差動モードインダクタのノイズ減衰能力を直接低下させます。したがって、安定したフィルタリング性能を維持するには、回路のピーク電流を超える飽和電流を選択する必要があります。

自己共振周波数は、効果的なフィルタリングに上限を設けます。

10 mH コモンモード チョークは、200 kHz の自己共振周波数 (SRF) を示します。この周波数を超えると、チョークはインダクタではなくコンデンサのように動作します。 1MHzを超えるノイズ用のフィルタを設計する場合、コンポーネントの誘導性動作がSRFを超えると失われ、高周波スイッチングノイズのフィルタリングが無効になるため、インダクタの周波数特性を慎重に考慮する必要があります。

SRF は巻線間容量に依存し、通常は 0.5 ～ 5 pF です。この静電容量はインダクタンスと並列共振回路を形成します。 SRF を超えると、インピーダンスは容量性になります。 SRF は動作周波数を少なくとも 3 倍超える必要があります。 100 MHz のフィルタには、300 MHz を超える SRF を備えたインダクタが必要です。

ラインリップルとスイッチングノイズのフィルタリング

ディファレンシャルモードインダクタは汎用フィルタとして機能します。一部のコモンモードノイズをフィルタリングできますが、その主な目的は、ディファレンシャルモードリップル電流とスイッチングノイズをブロックすることです。 DC-DCコンバータは大きなリップル電流を生成します。

リップル電流の低減は設計上の選択を表します。

·標準リップル電流は、平均出力電流の20 ～ 40%として選択されます。

·一般的な開始点は30%で、ΔIL = 0.3 × IL で表されます。

·この範囲は設計ガイドラインであり、固定された物理的な制限ではありません。

標準的な設計目標は 30% のリップル電流です。 5 A 出力の場合、これは ΔIL = 0.3 × 5 A = 1.5 A を意味します。リップルを低減すると出力品質がさらに向上しますが、より大きなインダクタが必要になります。リップルが増加するとインダクタンスは減少しますが、ピーク電流ストレスが増加します。 30% の値は、バランスのとれたデフォルトを提供します。

インダクタは、飽和することなくピーク電流を処理する必要があります。ピーク電流は、平均出力電流にリップル電流の半分を加えたものに等しくなります。 30% リップルの 5 A 出力の場合、ピーク電流は 5.75 A に達します。飽和電流定格はこの値を超える必要があります。

ノイズフィルターの選択: 主要なパラメーター

騒音源を特定する

ノイズ フィルター選択プロセスの最初のステップでは、ノイズのタイプを特定する必要があります。エンジニアは 2 本の信号線の間、および各信号線とアースの間のノイズを測定します。スペクトラム アナライザは、この特性評価に最も効果的なツールを提供します。

オペレーターは体系的な手順に従います。まず、中心周波数、帯域幅、振幅、時間的挙動、および変調特性を測定して干渉の特徴を調べます。次に、ノイズ源を分類します。丸い周波数の連続波信号は、発振器またはクロックを示唆します。電力線周波数に側波帯がある信号は、電力線関連のノイズを示します。広範囲にわたるノイズのこぶは、スイッチング電源または LED ドライバからの広帯域干渉を示唆しています。最後に、ニアフィールドプローブを使用して、電源、デジタル回路、ケーブルなどの疑わしいソースの近くで信号を嗅ぎます。信号はソース自体で最も強くなります。

解像度帯域幅の調整が重要であることがわかります。概要を簡単に把握するには、広い解像度帯域幅から始めます。疑わしい信号が現れたら、分解能帯域幅を狭めて、密集した信号を解決します。発振器の漏れや CW スプリアスなどの非常に狭帯域の信号の場合は、正確な周波数を測定するために利用可能な最も狭い分解能帯域幅を使用します。

差動プローブは、接地基準を必要とせずに 2 点間の電圧差を測定します。このプローブはコモンモード信号を拒否するため、ノイズの多い環境で低レベル信号を捕捉するのに非常に効果的です。プローブのコモンモード除去を検証するには、オペレータは差動入力を短絡し、両方のプローブの先端を回路内の同じ点に接続します。テストプローブ出力の振幅を入力信号の振幅で割ると、CMRR が得られます。 CMRR プロット上のいくつかの周波数でこの実験を繰り返すと、周波数範囲全体のパフォーマンスが検証されます。

ノイズがグランドに対して両方のラインに同じように現れる場合、ノイズのタイプはコモンモードです。ノイズが 2 つのライン間の電圧差として現れる場合、ノイズの種類は差動モードです。この区別により、正しいフィルターの選択が決まります。

インピーダンス、電流、サイズの評価

コモンモードチョークの場合、特定のノイズ周波数でのインピーダンスによってフィルタリングの有効性が決まります。インピーダンスは、ターゲットのノイズ周波数で十分に高くなければなりません。自己共振周波数は、対象となる最高ノイズ周波数を超える必要があります。

定格電流は、熱暴走のない連続動作に対応する必要があります。連続 RMS 電流は、アプリケーションの定格電流内である必要があります。インダクタンスの安定性を確保するには、温度上昇を制限内に抑える必要があります。

安定したフィルタリング性能を維持するには、回路のピーク電流を超える飽和電流を選択する必要があります。連続動作の場合、動作電流は定格電流を超えてはならず、高温では定格を下げる必要がある場合があります。

DC 抵抗によって電力損失が決まります。 I²R 損失は、RMS 電流の 2 乗と DCR の積に等しくなります。漏れインダクタンスは設計によって異なり、場合によっては差動モード フィルターとして機能します。エンジニアはこのパラメータを慎重に制御する必要があります。

差動インダクタの場合、飽和電流と DC 抵抗が主な選択基準となります。インダクタはピーク電流で飽和してはなりません。 DCR は、電力損失と発熱を最小限に抑えるために十分に低く保つ必要があります。

パッケージ サイズとコストにより、ノイズ フィルタの選択が完了します。表面実装デバイスはコンパクトな PCB レイアウトに適しています。スルーホールトロイダル設計には、さまざまなトレードオフがあります。コア材料のフェライトと粉末金属の選択は、コストと性能の両方に影響します。電流が大きくなると、より大きなワイヤゲージが必要になるため、巻数が減り、インピーダンスが低くなります。最適化された巻線技術により、大電流設計の銅フィルファクターを向上させることができます。ノイズ フィルターの選択プロセスでは、アプリケーションの制約に対してこれらすべてのパラメーターのバランスを取る必要があります。

適切なフィルターの選択は、明確なプロセスにより簡単になります。エンジニアはまずノイズの種類を特定する必要があります。線間、または各線とアース間にノイズが発生するかどうかを測定します。この 1 つの測定により、ノイズ フィルター選択パス全体が決まります。

簡単なチェックリストが決定の指針となります。

1.線間および各線とアース間のノイズを測定します。

2.グランドを基準にして両方のラインで同一のノイズが発生するようにコモン モード チョークを選択します。

3.ライン間の電圧差として現れるノイズに対して、差動モード インダクタを選択します。

4.ノイズ周波数、定格電流、物理的サイズでのインピーダンスを確認します。

これら 2 つのノイズ タイプを理解すると、複雑な選択が論理的な決定に変わります。この区別をマスターしたエンジニアは、自信を持って効果的なフィルターを選択します。

よくある質問

コモンモードチョークはディファレンシャルモードノイズも除去できますか?

コモンモードチョークは、その漏れインダクタンスを通じて最小限の差動モードフィルタリングを提供します。この浮遊インダクタンスは設計によって異なり、バイファイラ巻線チョークでは意図的に低く保たれます。ディファレンシャルモードを大幅に減衰させるには、エンジニアは漏れだけに依存するのではなく、コモンモードチョークと別個のディファレンシャルモードインダクタを組み合わせる必要があります。

間違ったタイプのフィルターが取り付けられている場合はどうなりますか?

コモンモードノイズの問題のためにディファレンシャルモードインダクタを取り付けても、ノイズはほとんど解決されません。インダクタはコモンモード電流に対してある程度のインピーダンスを示しますが、そのシングルコイル設計にはコモンモードチョークを有効にするフィールド強化メカニズムがありません。ノイズは持続し、回路は干渉を受け続けます。

飽和はフィルターのパフォーマンスにどのような影響を与えますか?

電流が飽和しきい値を超えると、コアは磁気特性を失います。インダクタンスは急激に低下し、フィルタはノイズの効果的な減衰を停止します。エンジニアは、回路のピーク動作電流を超える飽和電流定格を持つコンポーネントを選択する必要があります。

フィルタの選択は電力線とデータ線で異なりますか?

はい。電力線フィルタは、連続的な大電流を処理し、飽和電流と熱性能を優先する必要があります。データ ライン フィルタは信号の完全性を維持することに重点を置き、波形の歪みを避けるために最小限の差動モード インピーダンスを必要とします。コモンモードチョークは両方の用途に役立ちますが、選択基準では設置状況に応じて異なるパラメータが重視されます。

パフォーマンスを向上させるために複数のフィルターを組み合わせることができますか?

エンジニアは、両方のフィルター タイプを 1 つの設計に組み合わせることがよくあります。コモンモードチョークとディファレンシャルモードインダクタの組み合わせにより、包括的なフィルタリングソリューションが作成されます。このアプローチは両方のノイズ タイプに同時に対処します。ノイズ フィルターの選択プロセスでは、組み合わせたインピーダンス特性を評価して、フィルターが意図しない相互作用なしに連携して動作することを確認する必要があります。