回路基板(プリント基板)のスロットパターンがノイズのアンテナ?

EMC設計に関する件で、回路基板(プリント基板)のCAD設計時にEMI(不要輻射)を低減するための設計ルールを適用させるため、作成した基板CADに対してEMC設計ルールのチェックを行うチェッカーツールを使った基板設計段階でのEMI対策がEMC関連の文献やハウツー本等で解説されています。

その中で、よく紹介されている”やってはいけないパターン構成”の例として、GNDのベタパターンに形成された細長い余白(ギャップ・スリット・スロット等とも呼びます)パターン上を信号線(GND層の上層に形成)が余白パターンを短手方向に横断していく構成のものがあります。ここではこの構成を”ギャップ跨ぎ”と呼びます。

このギャップ跨ぎに関して私はかつて電磁界解析ツールを使ってEMIの状況を検証したことがあり、余白パターンの有り・無しの解析結果を比較すると有りの場合EMIは10dB以上のレベルで悪化していました。そのため注意すべき構造であることは理解できました。しかし、そのSimモデルを作成している時に思ったことは、実際の基板CAD作成時にGNDのベタパターンを細長く切り欠いて余白パターンを形成する蓋然性は殆どなく、またその余白パターン上に信号配線が形成される蓋然性は更にない、ということでした。尚、この”ギャップ跨ぎ”は一般的に呼ばれる”GND跨ぎ”、”電源跨ぎ”(この回避方法については別途WD-PartII”で紹介します。)とは別のものであって、ギャップの長手方向の両端でパターンが繋がっている形状(スロット)であるものとしています。

蓋然性に乏しい、誰でも回避しようとするだろうパターン構成に何故EMC関連の文献やハウツー本はその解説にスペースを割くのでしょうか?また、EMI悪化の原因として”スロットアンテナ”が形成されるためとの説明が必ずあります。この”スロットアンテナ”の説明についても違和感を覚えます。

そもそもスロットアンテナは上述のスロットの長手方向の長さが放射する周波数の半波長を必要とします。また、スロットの長手方向の長さは放射する電波の磁界成分の半波長を必要とするので、回路基板を構成する誘電体による波長短縮も受けません。そのため、例えば1GHzの電波が放射されるためにはスロットの長手方向の長さは150mmとなります。こんなに長いスロットが基板のGND層に形成される可能性は極めて低いでしょう。まして、MHz帯のEMIでスロットアンテナが原因となることは無いでしょう。

私が”ギャップ跨ぎ”の構造を電磁界解析した時はスロットアンテナが形成される形状で解析したわけではなく、スロットは周波数の半波長に比べてかなり短い長さで検討しましたが、EMIの悪化は確認できました。このEMIの悪化はスロットアンテナによる効果ではなく電磁波が空間に向かって出ていく条件が偶然揃ってしまうためなのです。(それがアンテナではないかと言われるかもしれませんが、スロットアンテナの原理とは違うということです。)それは”ノイズ(電磁波)が何故放射されるのか?”の真因となるものです。コモンモード等は全く関係ありません。(コモンモード関係はこちらをご参考に。)

詳細につきましては、当社のセミナー“EMC設計 MBDでDX! 技術&学術”で解説いたします。ノイズ放射のメカイズムを理解できます。

EMI対策の決め手?近傍界スキャナ

EMI(機器の不要輻射)の課題を解析する一つの方法として、機器の動作している回路基板の上空を電界又は磁界プローブで電磁場を測定する近傍界スキャンという方法があります。この方法は1990年代位からEMIの解析装置(近傍界スキャナ)として販売されるようになり、かつてのエレショー等で発表された当時は今まで見ることのできなかったノイズを初めて可視化することを可能としたので、EMC技術者にとっては将に画期的な装置でした。

この近傍界スキャナの測定結果はノイズの周波数の状況を画像で回路基板に重ねて表示してくれるため、回路基板上でのノイズの分布状況や、信号ライン等からの伝送状況等を分かりやすく観測することができました。こういったデモを見せられたセットメーカーのEMC技術者は、もしノイズが見えるようになったらより良いEMI対策ができると希望を膨らませ、近傍界スキャナの導入を上司に強く頼み込んだことでしょう。

近傍界スキャナの導入をEMI対策に上手く取り入れられたEMC技術者もいたでしょう。しかし、そうはいかなかったEMC技術者もいたのではないでしょうか。むしろ、そうはいかなかったEMC技術者の方が多いのではないでしょうか。

何故なら、近傍界スキャナの測定結果の解釈と測定後のアクションについてはEMC技術者が自身の見識で判断しなくてはならない、という問題があるからです。

先ず、近傍界スキャナの測定結果の解釈についてですが、近傍界という意味をよく理解する必要があります。即ち、電磁波は放射源からλ/2π(約1/6波長)未満の距離では近傍界で、λ/2πを超える距離において遠方界となり、この遠方界において電磁波として伝搬します。それに対し近傍界は誘導界とも呼ばれ、コンデンサやコイル、電極パターン等の周囲の電界・磁界が主として観測される領域であって電磁波ではないのです。もし、基板とプローブの距離を5cm程度の距離で測定しているとしたら、1GHz(波長30cm)の以上の周波数は電磁波になりますが、MHz帯は電磁波ではないということになります。

人によっては近傍界が遠方界へと変化していくものと思われている方もいるようですが、コンデンサやコイル、電極パターン等は、遠方界を持たず近傍界のみを形成しています。コンデンサやコイル、電極パターン等が容易にアンテナにならないのはそれらが遠方界となる電磁界要素を持たないからです。

そのため、近傍界スキャナで近傍界となるノイズ周波数帯を測定してもそれはただ電磁界の分布状況を示しているだけで、ノイズの放射源を示しているわけではないのです。例えば、ノイズ源に関係するICの周辺とかそのICに接続する信号ラインにはノイズの周波数の集中が見られます。しかしそれはある意味当たり前(ノイズ成分を含む信号を扱っている)のことであって測定しなくても予測がつくものです。

次にその測定結果を基に新たなEMI対策として何をするか?ということになるのですが、測定しなくても予測がつく結果となっていたら次なる対策を立てるのはかなり難しいでしょう。そもそも予想が付く位なら先に対策を打っているでしょう。

ではEMI対策現場で近傍界スキャナでの測定を行うメリットは何なのでしょうか?

機器の回路基板はそれを支持する金属の筐体(フレーム)があり、更に基板間を接続する幾つかのケーブルがある状態で動作しています。その時の電磁界の分布は回路基板単体の動作状態に比べると異なる電磁界分布になることが予想され、そのためノイズの放射要因も複雑になると考えられます。

EMI対策の現場で期待される近傍界スキャナですが、それを使わないで済むような事前のEMC設計に注力すべきです。

事前のEMC設計に向けて当社は”PD適用”、”SD適用”、”WD提案”をユーザー様に向けてご用意しております。是非ご検討ください。

※関連ページ

  14. 電磁波における遠方界と近傍界。EMC対策では重要です。

EMC設計とは/EMC対策とは

EMC設計は、EMC対策という言葉より後の時代になって出てきた言葉です。電子機器の不要輻射や伝導ノイズについては、1980年代頃から本格的に規制されるようになりました。それ以前から、各種無線機やラジオ、テレビの周波数帯への妨害となる違法電波の取締は行われていました。これに対し電波の送受信をしない電子機器からの意図しない電磁波ノイズの放出に関して、当時はアナログの電子機器が主流の時代だったので電子機器はノイズの影響を受け易く、”ノイズの垂れ流し許されない”という思いで多くのエレキ技術者がノイズ対策に取り組んでいたと思います。

しかしながら、この意図しない電磁波ノイズの放出(EMI)を低減させるのは当時のエレキ技術者にとって必ずしも容易なものではなく、EMIを低減することを主な目的とした電子機器の調整をEMC対策というようになったと思います。当時は設計した電子機器を先ず試作して、実際に評価(動作確認の後にEMIの測定)を行って、EMIのレベルが規制値を超えるか否かを”出たとこ勝負”的に評価して、運悪く規制値を上回ってしまうとEMC対策部品を”とっかえひっかえ”で電子機器に後付けして何とか規制値以下にすることを必至になって行っていました。この活動は明らかに”対策”であって、”設計”するという雰囲気はありませんでした。つまり、EMC対策とは、特にEMIにおいてノイズレベルを規制値以下にするために実際の機器に直接調整・修正を行う活動でした。

このような機器への後付け調整を行うEMC対策のリスクを改善したいと考えるのが自然の流れで、機器の試作評価前にEMC対策を行うことが検討され、そのためにノイズ低減のための方策の研究が進み、EMI対策の効果を事前に見積もる試みもなされてきました。こういった活動は以前のEMC対策とは異なるので、EMC設計と呼ぶようになったと思います。あるセミナーで某大学の教授も”これからはEMC対策ではなくEMC設計をする時代だ”と、約10年前に言っておられました。即ち、EMC設計とは製作前の機器のEMC評価を設計段階(デジタルデータの段階)で見積もり且つ、ノイズ規格値以下に調整して機器の製作後のEMCリスクを低減する活動であり、将にDX(Digital Transformation)時代におけるEMCの究極形態なのです。

EMC設計はまだまだ発展半ばです。現在、いくつかのツールベンダーは回路基板CADに対してEMCルールチェッカーで検証、或いは電磁界解析ツールで解析、といったEMC設計を提案しています。これに対しセットメーカーの商品化プロセス(機器の企画→設計→試作→量産)にとって、そういったツールの適用・運用がマッチしないとう状況もあります。セットメーカーとしては商品化の時間軸が最優先されるので”後戻りはない・させない”、という勢いで商品化プロセスは進みます。回路基板CADの作成プロセスも同様で、EMCチェッカーの結果や解析結果をCADデータに十分反映できず(反映させるは時間的損失を伴うため)、結局チェックツールや電磁界解析ツールは使われなくなったりします。

こういった残念なEMC設計にならないように当社は”PD適用”、”SD適用”、”WD提案”をユーザー様に向けてご用意しております。是非ご検討ください。

※関連ページ

      2. ICの電源ライン、パスコン最適化に当社のPD適用。

      3. 信号ラインのダンピング抵抗、当社のSD適用のSimモデルで抵抗値を設定。

      5. 回路基板におけるEMC設計の実践と検図。当社のWDを提案。

      10. EMC設計、レガシー3D-SimからMBD (1D-CAE)へDX!

      公開技術資料 

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AI、EMC対策にも進出

数年前から、「機器のEMC対策にAI(Artificial Intelligence)を導入してみよう」、という話がちらほら聞かれていました。その背景の一つといて、機器のEMC評価・対策の現場を担ってきた熟練技術者の勘や経験を若い世代の技術者に伝承させていくためのツールとしての期待があったようですが、それ以上に、「誰でもEMCの仕事ができるようにする」、という要求の方が大きいでしょう。

私の現場での経験の中でも、若いEMC技術者が担当した機器でEMCの問題が起きて、なかなか解決できない状況の時に、百戦錬磨の熟練EMC技術者が出てきて、何とかEMCの問題を解決していった、ということが何回かありました。また業界的にも、「EMC対策は長年の勘と経験がものをいう」、と言った傾向があります。

ただ、今になって考えると、熟練EMC技術者はEMC問題に対する観察の仕方と、それに対する対処方法の選択に慣れていただけで、若いEMC技術者はまだそれに慣れていなかっただけではないかと思われます。確かに、そういったEMC対策技術の習熟に長い時間が掛かるので、それを補うために”AI”を、と考えられたのかもしれません。しかし、これはあくまでEMC問題発生に対する対処法であって、根本的なEMC対策ではないのです。

では根本的なEMC対策とは何でしょうか?それは、機器の回路設計の段階でのEMC設計として課題となるノイズを低減させておくことです。このEMC設計は回路シミュレーションで事前に検証が可能です。それがちゃんと実施されていないために、前出の熟練EMC技術者は本来であればしなくていい施策を機器に行っていたのかもしれない、とも考えられるのです。しなくてもよかったEMC対策のためのAI適用になっているとしたら、誰しも無駄なAI適用と思うでしょう。

最近、AIエンジンを搭載したEMC対策ツールがツールベンダーから出てくるようになりました。その詳細については説明文レベルでしかわかりませんが、実際の機器のEMIを測定結果からその原因を蓄積した(inputした)過去の測定データを参照してEMIの原因特定を補佐するといったもののようでしたが、その対策方法については提案してくれないようでした。これでよいという技術者もいるのでしょう。ただ、私の経験としては、原因不明のノイズ放射ということはあまりなく(大概ノイズ源は特定される)、どうすれば実機に後付けで効率よくノイズ放射を低減できるかが問題でしたので、対策方法を提案(それもスマートな)してくれないのは残念だなと思いました。AIをEMC対策に導入するのであれば、EMC評価前にリスクと事前の対処を提案できるものであってほしいと思います。

そもそもセットメーカーの関係者であれば、設計機器のEMCのリスクは事前にある程度予想がついている筈です。ただ、それを知りながら大した対策を取らないまま(担当者の認識不足の場合もあります)試作まで進めて、やっぱり問題になった、ということが結構あったように思います。こういったことはAIを使うまでもなく、事前にできる検討をしておくことが、根本的なEMC設計になるでしょう。その事前にできる検討ツールとして、当社の”PD適用”、”SD適用”をご検討頂きたいです。