スイッチング電源のノイズ対策——伝導ノイズをモードで分け、フィルタは載せた状態で決める

なぜスイッチング電源はノイズを出すのか

スイッチング電源は、半導体のスイッチを高い周波数で入り切りして電圧を変える。小さく、軽く、効率が高いので多くの電子機器に使われているが、二宮の解説は、スイッチング電源はスイッチング時のサージやノイズの発生という問題を本質的に含んでいるとしている^[2]。スイッチング時の電圧や電流の急な変化に伴ってサージやノイズが生じ、それが伝導ノイズや放射ノイズとして機器の外に伝わって電磁干渉の問題を起こす。これらのノイズの限度値は国際規格の CISPR や国内の VCCI の規格で決められている、と同じ解説は述べている^[2]。

国内で電気用品として売る製品には、法令の要求もある。電気用品の技術上の基準を定める省令は、第 4 章「雑音の強さ」の第 18 条で、電気用品は通常の使用状態において放送受信及び電気通信の機能に障害を及ぼす雑音を発生するおそれがないものとすると定めている^[5]。同じ省令の第 17 条は、電気的・磁気的・電磁的妨害によって安全機能に障害が生じることを防止する構造であることも求めている^[5]。ノイズの問題は、規格の試験に通るかどうかだけでなく、法令の要求とも結び付いている。

伝導ノイズの二つのモード

電源線に乗るノイズは、2 本の電源線の間を行き来するノーマルモード（ディファレンシャルモード）と、2 本の線が同じ向きに流れて筐体や大地を通って戻るコモンモードに分けて考える。二宮の解説は、伝導ノイズの中でも特にコモンモードノイズは等価的に大きなループ電流を作ることが多く、それが放射ノイズの原因にもなると述べている^[2]。

コモンモードの電流が流れる道は、回路図には描かれていないことが多い。同じ解説は、スイッチの素子と筐体の間には放熱器などを通じて寄生容量ができると説明している^[2]。スイッチの電圧が急に変わるたびに、この寄生容量を通じて筐体側へ電流が流れ、それがコモンモードノイズの出どころになる。放熱器の取り付け方や筐体との距離を変えたらノイズが変わった、というのはこの経路が効いているからである。

どちらのモードが主かを先に確かめる

埼玉県産業技術総合センターの研究は、市販のスイッチング電源 2 種類（スイッチング周波数 52 kHz のチョッパ型と 100 kHz の他励フライバック）から元のノイズ対策部品を外し、擬似電源回路網（LISN）との間に X コンデンサ（100 nF）とコモンモードチョークコイル（18 mH）を付け替えて、10 kHz〜30 MHz の雑音端子電圧を測っている^[1]。一方の電源では X コンデンサのほうがよく効き、ノーマルモードが主だと判断できた。研究のまとめは、容量の大きな X コンデンサとインダクタンスの大きなコモンモードチョークを使うことで、ノーマルモードが主か、コモンモードが主か、両者が混ざっているかの判断が可能になったとしている^[1]。

同じ研究は、ほかにも三つのことを示している。チョークとコンデンサの並び順を変えて試すことで、測る対象の電源が高いインピーダンスか低いインピーダンスかを判断できること。対策部品の効き目とカタログの値の差は、対象の電源のインピーダンスの違いで生じること。スペクトラムアナライザのゼロスパン（周波数を固定して時間方向の変化を見る使い方）でノイズの強さの周期を見ると、ノイズの発生原因が把握できること^[1]。

社内で試すなら、この考え方がそのまま使える。対策部品をいきなり量産の設計に入れるのではなく、まず大きめの X コンデンサとコモンモードチョークを別々に付けて、どちらで下がるかを見る。下がった周波数が、スイッチング周波数の倍数に並んでいるか、もっと高い周波数で広がっているかも見る。前者はスイッチングの基本波と高調波、後者はスイッチの切り替わりの急な変化や、寄生容量を通る電流に関係していることが多い。

フィルタは部品単体の特性どおりには効かない

伝導ノイズの対策は L と C のフィルタで行うのが一般的だが、ここに落とし穴がある。富山高等専門学校の西島の研究は、フライバック方式の AC-DC コンバータ（スイッチング周波数 60 kHz・出力 12 V・32 W）で、X コンデンサ、コモンモードチョークコイル、一次側と二次側のグラウンドの間のコンデンサの定数を変えて伝導ノイズを測っている^[3]。

表の結果は同じ論文による^[3]。コモンモードチョークを大きくしたのに、基本波の周波数ではかえってノイズが増える範囲があった。論文は、筐体（フレームグラウンド）に対する寄生容量を含めた等価回路を作り、チョークと寄生容量の合計（約 1 000 pF と見積もり）の直列回路のインピーダンスが 60 kHz で最も小さくなるのが 7 mH のときで、そのときノイズが最大になることを示している。そして、スイッチング電源に搭載したフィルタの減衰特性はフィルタ単体の特性とは異なることを実験で確かめたとしている^[3]。

実務の教訓は二つある。一つは、フィルタの定数を「大きいほど効く」と決めないこと。もう一つは、カタログの減衰特性ではなく、実際に電源に載せた状態で測って決めることである。埼玉県の研究も、対策部品の効果とカタログの値の差は対象の電源のインピーダンスの違いで生じると結論している^[1]。

X コンデンサを大きくすると待機電力が増える

ノーマルモードに効く X コンデンサにも制約がある。同じ論文の質疑応答で著者は、国際安全規格では感電の防止のため AC を切った後 1 秒以内に初期値の 37 % 以下まで放電することが求められ、放電用の抵抗との時定数を 1 秒未満にする必要があると説明している。X コンデンサを大きくすると放電抵抗を小さくしなければならず、その損失が待機電力として常に消費される。65 W 級のアダプタの例で、0.47 μF で 30 mW を超え、0.33 μF なら 20 mW になるため、0.33 μF で対策する電源が多くなってきているという^[3]。ノイズの対策は、安全規格や待機電力の要求と一緒に決める必要がある。

150 kHz より低い周波数のノイズ

西島の論文は、伝導ノイズは国際規格で 150 kHz〜30 MHz の範囲で適否を判断してきたが、電力線通信でスイッチング電源やインバータのノイズが原因でスマートメーターが誤動作した例が報告され、150 kHz 以下も規制の対象にする議論が IEC で進められていると述べている^[3]。これは 2020 年の論文の時点の状況で、その後の規格の動きは最新の情報で確かめる。これまでは最も強い基本波を 150 kHz 未満に置くことで規制の範囲を避けられたが、150 kHz 以下まで対象になると基本波から対策が必要になり、低い周波数ほど L や C の定数（サイズ）が大きくなる、とも指摘している^[3]。

低い周波数の対策の手として、スイッチング周波数をわずかに揺らしてエネルギーを分散させる周波数拡散がある。同じ著者の続報は、拡散のパラメータを最適化することで、150 kHz 以下の帯域に含まれる基本波のノイズで 10 dB 以上の低減効果が得られることを明らかにしてきたとしている^[4]。これは著者の実験条件での結果で、どの電源でも同じ値になるわけではない。

出すノイズと、受けるノイズの両方を見る

スイッチング電源のノイズは、外に出すだけでなく、電源線から入ってきたノイズを負荷側の回路へ通してしまう向きもある。西島の続報は、従来の研究は電磁両立性のうち出す側（エミッション）に限ったものが多く、受ける側（イミュニティ）は詳しく研究されていないと指摘している^[4]。抵抗負荷で評価すると、ノイズが負荷に通っても出力電圧が正常なら不合格にならないが、実際の電子機器をつなぐと信号系への影響で誤動作が起き、抵抗負荷の評価と結果が一致しないこともあり得るとしている^[4]。

電源単体の試験に通ったから製品でも大丈夫、とは言えない。製品に組み込んだ状態で、出すノイズと受けるノイズの両方を確かめる。電源のノイズが同じ基板の計測回路に入っている疑いがあるときは、アナログ回路のノイズ対策の切り分けも合わせて行う。空中に出るノイズが問題になっているなら放射ノイズの対策、モーターを回すインバータが発生源ならインバータのノイズ対策を参照してほしい。

発生源そのものを静かにする手

フィルタで止める前に、出る量を減らす手もある。二宮の解説は、ZVS（ゼロ電圧スイッチング）や ZCS（ゼロ電流スイッチング）などのソフトスイッチング技術が、サージの発生を抑える一般的な方法として知られているとし、アクティブクランプ回路は損失の低減とノイズの低減の両方に有効だと述べている^[2]。同じ解説で紹介されている回路の比較では、二つのスイッチの電位が逆向きに等しく変わるため、放熱器を通じた寄生容量の電流が打ち消し合う構成で、コモンモードの伝導ノイズが従来の形より 30 dB 程度低かったという^[2]。

こうした回路方式の変更は、電源の設計そのものに関わる。購入した電源ユニットを使っているなら、電源の選定や仕様の段階で、ノイズの規格への適合を製品に組み込んだ状態でどう確かめるかを仕入先と決めておく。

社内で切り分ける手順

1. どの周波数で外れているかを並べる。 規格の試験結果から、外れている周波数と量を書き出す。スイッチング周波数の倍数に並んでいるかを見る。2. モードを分ける。 大きめの X コンデンサとコモンモードチョークを別々に試し、どちらで下がるかを見る^[1]。3. 寄生容量の経路を疑う。 コモンモードが主なら、スイッチの素子と放熱器、放熱器と筐体のつながり、一次と二次の間の容量を見直す^[2]。4. 定数を振って測る。 フィルタの定数を一点だけでなく何点か振って測り、増える範囲がないかを確かめる^[3]。5. 製品に組んだ状態で確かめる。 電源単体と製品の状態で結果が違うことがあるので、最後は製品の状態で測る。6. 記録を残す。 試した部品と定数、配置、結果を一行ずつ残す。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

擬似電源回路網やスペクトラムアナライザ、暗ノイズの低い測定場所が社内にない、対策を足しても規格に収まらない、150 kHz 以下の低い周波数まで見たい、という場合は、測定と対策の検討ができる専門の会社に頼む。西島の研究のように、150 kHz 以下を測るには暗ノイズに埋もれずに測れる測定の場所が要る^[3]。頼む中身は、伝導ノイズの測定とモードの分離、フィルタの定数と配置の検討、寄生容量を含めた経路の解析、対策品の前後比較に分けると伝えやすい。

どこから測ればよいか決めかねていれば、電源ノイズの切り分けを相談できます。

結果を受け取るときは、対策の前後が同じ配置・同じ負荷・同じ測定場所で測られているかを確かめる。フィルタは電源のインピーダンスと寄生容量で効き方が変わるので^[1][3]、条件の違う結果を並べても判断できない。

よくある質問

市販の電源ユニットなら、ノイズの対策は電源の側で済んでいますか

電源ユニットが単体で規格に適合していても、製品に組んだ後の配線、筐体、接地で結果は変わる。フィルタの効き方も、つないだ相手のインピーダンスで変わる^[1]。製品の状態で測って確かめる。

チョークコイルを大きなものに替えたのに、悪くなりました

寄生容量と共振して、特定の周波数でかえってノイズが増えることがある。研究でも、チョークを 7 mH まで大きくする間は基本波のノイズが上がった^[3]。定数を振って測り、増える範囲がないかを確かめる。

周波数拡散を使えば規格に通りますか

周波数拡散は、エネルギーを分散させて特定の周波数のピークを下げる方法で、条件によっては 10 dB 以上の低減が報告されている^[4]。ただし、拡散のパラメータによって効き方が変わり、電源や測定の条件でも結果が違う。他の対策と組み合わせて、測って決める。

まとめ

スイッチング電源は、スイッチングの急な変化そのものがノイズの出どころになる。伝導ノイズは、まずノーマルモードとコモンモードのどちらが主かを、X コンデンサとコモンモードチョークの効き方で分ける。コモンモードは放熱器や筐体との寄生容量を通って流れる。フィルタは部品単体の特性どおりに効かず、定数を大きくして悪くなる範囲もあるので、電源に載せた状態で定数を振って測る。150 kHz 以下の低い周波数、待機電力や安全規格との両立、受ける側のノイズまで含めて見る必要があるときは、測定の場所と設備をもつ専門の会社に切り分けを頼む。

出典・参考資料

1. EMC ノイズ対策手法の評価と適用方法に関する研究（小澤一郎ほか／埼玉県産業技術総合センター研究報告 第 5 巻／2007 年）
2. 最近のスイッチング電源技術（二宮保／パワーエレクトロニクス研究会論文誌 28 巻／2003 年）
3. スイッチング電源に搭載した EMC フィルタの伝導 EMI ノイズ低減効果に関する検討（西島健一／パワーエレクトロニクス学会誌 45 巻／2020 年）
4. スイッチング電源ノイズと EFT/B ノイズが及ぼす負荷側への影響に関する検討（西島健一／パワーエレクトロニクス学会誌 46 巻／2021 年）
5. 電気用品の技術上の基準を定める省令（平成二十五年経済産業省令第三十四号）（e-Gov 法令検索（デジタル庁）／第 17 条・第 18 条）

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