放射ノイズ（EMI）対策の進め方——試験の不合格から周波数とケーブルで出どころを絞る

この記事は、自社の製品や装置が放射エミッションの試験で限度値を超えた、または出荷前の確認で余裕が少ないと分かった、という技術者・品質担当に向けて書く。試験そのものの指定のしかた（どの規格・どのクラスを仕様書に書くか）はEMC 試験の指定で扱った。工場の設備でインバータを動かしたときの誤動作はインバータのノイズ対策、車に積む機器は車載機器の EMC 対策で扱う。ここでは、製品の筐体とケーブルから空間に出る電磁波が多すぎるときに、出どころをどう絞り、外に何を頼むかに絞る。電源回路の中のスイッチングの話はスイッチング電源のノイズ、計算で電磁界を求める話は電磁界解析にゆずる。

まず「どの規格の、どの数字を、どこで超えたか」を書き出す

放射エミッションの限度値は、製品の種類ごとに規格で決まっている。パソコン、テレビ、プリンタ、AV 機器のようなマルチメディア機器については、国際無線障害特別委員会（CISPR）の CISPR 32 があり、国内では情報通信審議会が 2015 年 12 月に答申している^[2]。この規格は、機器の端子から出る妨害波と、機器の筐体から出る放射妨害波の両方について、限度値と測り方を決めている^[2]。旧来の情報技術装置の規格（CISPR 22）と放送受信機の規格（CISPR 13）を統合したもので、放送受信機（旧 CISPR 13 の範囲）については、テレビ単体ではなく、つないで使う機器を一斉につないだ状態で測る「システム測定」に変わった^[2]。

国内向けの情報技術装置などでは、VCCI 協会の自主規制がこの規格に沿って運用されている。機器は使われる環境で「クラス A」と「クラス B」に分かれ、クラス B は主に住宅環境で使う機器で、放送受信機はクラス B とされている^[3]。クラス A は、クラス B 以外のすべての機器である^[3]。適合確認の試験は VCCI 協会に登録された測定設備で行うことになっている^[3]。

どの数字を超えたかを読むときに、まず確かめたいのは測定距離と設備である。CISPR 32 の答申素案の表から、1 GHz までの放射エミッションの限度値を抜き出すと次のとおりである^[1]。

表の値は、CISPR 32 第二版答申素案の表 A.2（クラス A）と表 A.4（クラス B）による^[1]。受信機の帯域幅は 120 kHz で、全周波数範囲にわたって、表の 4 つの項目のうち 1 つだけを当てはめると書かれている^[1]。つまり、30〜230 MHz は 10 m 法、230 MHz から上は 3 m 法、のように混ぜて合否を決めることはできない。また、1 GHz を超える周波数の限度値は、クラス A・クラス B とも別の表に決まっている（表 A.3・表 A.5）。クラス B では 1〜3 GHz と 3〜6 GHz で平均値と尖頭値の両方を見る^[1]。不合格の報告を受けたら、次の項目を 1 枚に書き出す。

1. 適用した規格とクラス
CISPR 32 か、別の製品規格か。クラス A かクラス B か。EMC 試験の指定で書いたとおり、エミッションはイミュニティとは別の規格で決まる。

2. 設備と距離
上の表のどの行で判定したか。社内の簡易測定と試験所の結果を比べるときに、ここが違っていると比べられない。

3. 超えた周波数と超えた量
1 本の鋭いピークか、幅の広い山か。どの周波数に何 dB 超えたか。

4. 偏波とターンテーブルの向き、アンテナの高さ
CISPR 32 は、正式測定で最も高い放射レベルを決めるときに、アンテナの水平・垂直の偏波、機器とつないだ機器とケーブルを 360 度回すこと、アンテナの高さ（オープンサイト・半無響室では 1〜4 m）を考えると定めている^[1]。最大になった向きと偏波は、出どころの当たりを付ける材料になる。

5. 測ったときの動作モードと接続
何をつなぎ、どの動作をさせていたか。ケーブルの本数と引き回し。

放射の出どころは、まずケーブルから疑う

製品から放射が出るとき、まず疑う場所はケーブルである。モータ駆動システムを扱った成蹊大学の研究報告では、放射ノイズを出す主なものとして、入力側と出力側のケーブルを流れる高い周波数のコモンモード電流を挙げている^[4]。その対策として、シールドケーブルにすれば大きく減らせるが、航空機のようにコストや重さの面でフィルタで済ませたい用途もある、とも書いている^[4]。コモンモード電流とは、信号の行きと帰りの線を同じ向きに流れる電流のことで、ケーブル全体がアンテナのように働く。

なぜケーブルにコモンモード電流が流れるのか。九州工業大学の研究成果の報告は、電子機器の中のプリント基板やそれにつながるケーブルでは、信号伝送系や電源系で流れるコモンモード電流が不要な電磁放射の原因になっているとしたうえで、差動伝送線路では平衡度が変化する点にコモンモード電位差が生じ、これがコモンモード電流を励振することを定式化し、実験で確かめたと書いている^[5]。同じ報告は、電源系については、MOSFET の近くの寄生容量まで考えてインピーダンスの平衡をとると、コモンモード電流を減らせることを示している^[5]。

この 2 つから、社内で見るべき場所が決まる。ケーブルの根元の、基板とコネクタがつながるところ、グラウンドの幅や形が変わるところ、信号の行きと帰りの線の形がそろっていないところである。部品を足す前に、どのケーブルが効いているかを確かめる。

社内で出どころを絞る手順

試すことは 1 回に 1 つだけにする。2 つ同時に変えると、どれが効いたか分からなくなる。毎回、同じ周波数のピークが何 dB 動いたかを記録する。社内に電波暗室がなくても、機器から一定の距離にアンテナや簡易のプローブを置き、ピークの相対的な増減を見ることはできる。限度値に対する合否は、社内の簡易測定では決めない。

1. ケーブルを 1 本ずつ外す
外して動作に影響しないケーブルから外す。外したときにピークが大きく下がれば、そのケーブルが放射しているか、そのケーブルの先の機器が出している。

2. ケーブルの長さと引き回しを変える
同じケーブルを短いものに替える、床からの高さや向きを変える。ピークの周波数や大きさが動けば、ケーブルがアンテナとして効いている見込みが高い。

3. ケーブルの根元にフェライトコアを仮に付ける
効けば、そのケーブルのコモンモード電流が原因と考えられる。仮の確かめとして使い、恒久の対策にするかは後で決める。

4. 動作モードを変える
表示の解像度、通信の速度、モータの回転数などを変え、ピークの周波数が動くかを見る。動けば、そのクロックやスイッチングの周波数が元になっている。

5. 筐体のすき間とふたを確かめる
ケーブルをすべて外してもピークが残るなら、筐体の継ぎ目や開口から出ていないかを見る。

試験所に出す前に「事前測定」で最悪の条件を見つけておく

CISPR 32 は、正式な測定の前に「事前測定」をしてよいと定めている。目的は、機器が最も高いレベルを出す周波数を決め、正式測定に使う試験条件を選ぶことである^[1]。正式測定では、事前測定で許容値に対して最も振幅の大きいエミッションが出た条件を使い、事前測定をしていない場合は、最大振幅が予想される条件とその理由を試験成績書に書くことになっている^[1]。

答申素案は、事前測定で変えてみたほうがよい試験条件として、動作モード、電源電圧、試験配置、システム内のモジュールの数と配置、取り付けたケーブルの数、ケーブルとつないだ機器の位置を挙げている^[1]。また、事前測定は、計器に過負荷がないよう注意すれば、プリセレクタを持たないスペクトラムアナライザで行うことができる、とも書いている^[1]。社内で簡易に測る場合も、この並びで条件を変えてみると、試験所で初めて最悪の条件に当たる、という事態を減らせる。

システム測定になったことにも注意が要る。放送受信機については、つないで使う機器を一斉につないだ状態で測るように変わった^[2]。ほかの機器でも、つないで使う機器と一緒に測る構成になることがある。自社の機器単体では余裕があっても、つないだ相手の機器のケーブルや電源から出たものが合計で超えることがある。どの機器とつないで測るかを、試験所と前もって決めておく。

対策は「電流を作らない・流さない・出さない」の順で考える

出どころが絞れたら、対策の方向を決める。順に見ると、手戻りが少ない。

コモンモード電流を作らない

基板の上で、信号の行きと帰りの線の形をそろえ、グラウンドの幅や形が途中で急に変わらないようにする。九州工業大学の報告が示すとおり、平衡度が変わる点がコモンモード電流の発生点になる^[5]。電源の回路では、スイッチング素子の近くの寄生容量まで含めてインピーダンスの平衡をとる考え方がある^[5]。この段階の変更は基板の作り直しになるので、試作の早い時期に確かめておくほど費用が小さい。

ケーブルに流さない

基板の外に出る前に、コネクタの近くでコモンモードの電流を止める。コモンモードチョークやフェライトコア、フィルタがこれに当たる。成蹊大学の報告のように、入力側と出力側の両方にケーブルがある機器では、両方にフィルタが要ることがある^[4]。

出さない

シールドケーブルにする、筐体の継ぎ目をふさぐ、といった対策である^[4]。ここで気を付けたいのは、試験で使ったケーブルや筐体の状態が、実際の製品と同じかどうかである。試験でシールドケーブルを使って合格したなら、出荷する製品や取扱説明書でも同じ条件をそろえる必要がある。この点はEMC 試験の指定の「適合のための条件は、自社の設置にも持ち込まれる」で扱った。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

社内の切り分けで出どころが絞れない、対策を入れても数 dB 足りない、設計を変える前に効果を見積もりたい、という場合は外に頼む。頼む先は主に 3 つに分かれる。1 つ目は、電波暗室で正式測定や事前測定をする試験所である。2 つ目は、近くの磁界や電界を測って、基板やケーブルのどこが出しているかを探す測定である。3 つ目は、基板やケーブルの電流から放射を計算する電磁界の解析である。どれを頼むにしても、次のものをそろえて渡し、受け取るものを先に決めておくと、見積と日程が早く決まる。

頼む前に、何を決めたいのかを一文にしておく。「次の試験で合格したい」なら事前測定と対策の確かめまで、「基板を作り直す前に効く場所を知りたい」なら出どころの特定と解析まで、と頼む範囲が変わる。限度値に対する最終の合否は、登録された設備での正式測定で決まる^[3]。

不合格の周波数と構成が分かっていれば、そのまま相談に使えます→ 放射ノイズの切り分けを相談する

よくある質問

社内で 3 m の距離で測った結果と、試験所の 10 m の結果を比べてよいですか

そのままは比べられない。CISPR 32 の表では、同じクラスでも 3 m 法の限度値は 10 m 法より 10 dB 高く決められている^[1]。また、全周波数範囲にわたって 1 つの項目だけを当てはめることになっている^[1]。社内の測定は、対策の前後でピークがどれだけ動いたかを見るために使い、合否は同じ設備・同じ距離で決める。

クラス B にするかクラス A にするかは、どう決めますか

VCCI 協会の区分では、クラス B は主に住宅環境で使う機器、クラス A はそれ以外のすべての機器である^[3]。工場の中だけで使う装置でも、事務所や住宅で使われる可能性があるなら、どちらで届け出るかを営業や顧客と決めておく。クラス A の機器には、決められた文言やマークを表示することになっている^[3]。

フェライトコアを付けたら合格しました。このまま量産してよいですか

付けた位置と部品を図面と組立手順に入れ、試験のときと同じ状態で量産できるようにする。コアの位置がずれたり、別の部品に替わったりすると効き方が変わる。根本は、コモンモード電流が生まれる場所^[5]を基板の次の改版で直すかどうかを、費用と日程で決める。

まとめ

放射ノイズの対策は、試験報告書から規格とクラス、設備と距離、超えた周波数と量、偏波と向きを書き出すところから始める^[1]。出どころはまずケーブルを流れるコモンモード電流から疑い^[4]、その電流は信号線の平衡が崩れる点で生まれる^[5]。社内ではケーブルを外す・替える・動作モードを変えるで絞り、事前測定で最悪の条件を見つけておく^[1]。それでも足りなければ、試験の構成と記録を渡して、測定と解析を外に頼む。

あわせて、アナログ回路のノイズ対策、センサのノイズ対策も参照してほしい。

出典・参考資料

1. 「国際無線障害特別委員会（CISPR）の諸規格について」のうち「マルチメディア機器の電磁両立性－エミッション要求事項」CISPR 32 第二版答申素案（情報通信審議会 資料 6-5-2／2015 年 7 月 23 日）
2. 電波利用環境委員会報告概要 国際無線障害特別委員会（CISPR）の諸規格のうち マルチメディア機器の電磁両立性－エミッション要求事項－（情報通信審議会 情報通信技術分科会 資料 114-1-1／2015 年 12 月 11 日）
3. 自主規制の流れ、内容、適用範囲（一般財団法人 VCCI 協会）
4. 高橋翔太郎「モータ駆動システムにおける磁気部品を統合した入出力コモンモード電流抑制法」2021 年度 研究助成 研究報告書（公益財団法人永守財団／2022 年 11 月）
5. 松嶋徹「電子機器の信号系および電源系に生じるコモンモードノイズの統合的な低減設計法」研究成果報告書（科学研究費助成事業 若手研究(B) 15K18052／2017 年度）

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