電子機器の設計において、コモンモードノイズはEMC対策の重要な課題の一つです。特に高周波回路やスイッチング電源を用いる機器では、このノイズが動作の安定性を脅かす要因となることが少なくありません。本記事では、コモンモードノイズの基本概念、発生原因、影響、および対策方法について詳しく解説します。
コモンモードノイズとは？
電子機器において、コモンモードノイズは避けて通れない課題です。特に、高速通信機器や電源回路では、適切な対策を施さないと誤動作や通信エラーが発生する可能性があります。ここでは、コモンモードノイズの基本的な定義と影響について詳しく説明します。
コモンモードノイズの定義
コモンモードノイズ（Common Mode Noise）とは、電子機器の信号線や電源線を流れるノイズの一種で、基準電位（グラウンド）に対して同方向に流れるノイズ成分を指します。これに対して、信号線間に発生するノイズはノーマルモードノイズと呼ばれます。
コモンモードノイズが及ぼす影響
コモンモードノイズが過大になると、以下のような問題が発生します。
- EMC試験の適合不可（放射エミッションや伝導エミッションの規格値を超過）
- 信号品質の劣化（通信エラーやデータ転送の失敗）
- 誤動作（特に医療機器や産業用ロボットに影響）
- 周囲機器への干渉（他の電子機器の動作に悪影響を与える）
コモンモードノイズの発生原因
コモンモードノイズの発生を防ぐためには、まずその原因を理解することが重要です。本章では、代表的な発生メカニズムと外部環境の影響について詳しく説明します。
代表的な発生メカニズム
コモンモードノイズがどのように発生するのかを理解することは、適切な対策を施す上で重要です。以下に、主な発生メカニズムについて解説します。 コモンモードノイズは、主に以下のメカニズムによって発生します。
- グラウンドループの形成
- 異なるグラウンド電位間に電流が流れ、コモンモードノイズが発生
- シールド接続の不適切さが影響する
- 浮遊容量による結合
- 電源トランスやPCB上のパターン間の浮遊容量を介してノイズが誘導
- 高周波成分が容易に漏洩する
外部環境の影響
電子機器は、外部環境からの影響を受けやすく、コモンモードノイズの原因となることがあります。ここでは、電源ラインや電磁波の影響について詳しく見ていきます。 外部環境もコモンモードノイズの発生に大きく関与します。
- 電源ラインの影響
スイッチング電源が発生する高周波成分がノイズ源となることが多い。 - 電磁波の影響
近隣の機器や無線通信機器からの電磁波が誘導される。
コモンモードノイズの対策方法
コモンモードノイズを低減するためには、適切な設計と部品の選定が欠かせません。本章では、効果的な対策方法として、グラウンド設計の最適化とノイズフィルタの活用について解説します。
グラウンド設計の最適化
適切なグラウンド設計は、コモンモードノイズ対策の基本です。設計ミスがあると、意図しないノイズ経路が形成され、問題が深刻化することがあります。ここでは、効果的なグラウンド設計のポイントを紹介します。 コモンモードノイズ対策には、適切なグラウンド設計が不可欠です。
- スターグラウンドの採用
- グラウンド電位差を低減し、ノイズ発生を抑える
- シールドの適切な接地
- ケーブルや筐体のシールドを適切に接続し、不要なノイズの放射を防ぐ
ノイズフィルタの活用
コモンモードノイズを抑制するために、ノイズフィルタは非常に有効です。ここでは、具体的なフィルタの種類とその効果について説明します。 コモンモードノイズ低減には、ノイズフィルタを適切に配置することが有効です。
- コモンモードチョークの使用
- 電源ラインや信号ラインに挿入し、コモンモードノイズを減衰
- Yコンデンサの活用
- グラウンドと電源ライン間に配置し、高周波ノイズをバイパス
FAQ
コモンモードノイズに関するよくある質問とその回答を紹介します。ノイズ測定方法や対策部品の選び方など、実際の設計に役立つ情報をまとめました。
コモンモードノイズを測定する方法は？
コモンモードノイズの測定には、スペクトラムアナライザやEMI測定器を用います。一般的には、差動プローブを使用して、信号線間のノイズ成分と区別して測定します。
コモンモードチョークの選び方は？
- 使用周波数帯域を考慮する
- インピーダンス特性を確認する
- 適切な定格電流を選定する
設計時に注意すべきノイズ対策のポイントは？
- PCBレイアウトの最適化（グラウンドパターンの配置を工夫）
- 適切なシールドとグラウンド接続
- スイッチング電源回路の適切な配置
まとめ
本記事では、コモンモードノイズの発生原因とその対策について解説しました。適切なグラウンド設計、ノイズフィルタの活用、外部環境の影響を考慮した対策を行うことで、電子機器のEMC性能を向上させることができます。