電子機器の設計で押えるべきノイズ対策の基本

電子機器の設計において、ノイズ対策は製品の品質や安全性に直結する極めて重要な要素です。ノイズ対策が不十分な場合、誤動作や通信エラー、EMC試験の不適合といった問題が発生する可能性があります。本記事では、ノイズの種類と影響を整理し、基本的な対策手法を詳しく解説します。

ノイズ対策の基礎知識

ノイズ対策を効果的に行うためには、まずノイズの種類や発生メカニズムを理解することが不可欠です。どのようなノイズが電子機器に影響を与えるのかを把握し、適切な対策を講じることが求められます。

ノイズとは？その種類と影響

ノイズとは、電子回路や通信機器の動作を妨げる不要な信号のことを指します。発生源や影響を及ぼす範囲によって分類され、適切な対策を施す必要があります。

ノイズの種類	特徴	主な発生源	影響
伝導ノイズ	電源ラインや信号線を介して伝播するノイズ	スイッチング電源、モータードライバ	信号の誤動作、データエラー
放射ノイズ	空間を通じて電磁波として伝わるノイズ	無線通信機器、高周波回路	近隣の機器への干渉、EMI問題
誘導ノイズ	電磁誘導によって発生するノイズ	送電線、大電流回路	信号のゆがみ、誤動作

これらのノイズが影響を及ぼすと、回路の信号品質が低下し、通信障害や機器の異常動作を引き起こします。

EMC試験とノイズ低減の関係

EMC（Electromagnetic Compatibility）試験は、電子機器が他の機器と共存できるかを評価する試験です。ノイズの放射量や耐性を測定し、各国の規格（CISPR、FCC、VCCIなど）に適合する必要があります。ノイズ低減対策を講じない場合、製品の販売が制限される可能性があるため、設計段階で十分な対策を施すことが求められます。

電源ノイズの対策

電子機器において、電源ノイズは特に問題となる要素の一つです。電源から発生するノイズは回路全体に影響を及ぼし、信号品質の低下や誤動作を引き起こすことがあります。ここでは、電源ノイズを抑えるための基本的な手法を解説します。

フィルタリング技術を活用する

電源ノイズは、主にスイッチング電源やインバータの動作によって発生します。このノイズを低減するために、LCフィルタやフェライトコアを利用する手法があります。

LCフィルタは、インダクタ（L）とコンデンサ（C）を組み合わせた回路を電源ラインに挿入し、高周波ノイズを効果的に除去します。また、フェライトコアは電源ラインや信号線に装着し、高周波成分を吸収してノイズを減少させる役割を果たします。

グラウンド設計の最適化

グラウンド設計は、電源ノイズの影響を抑える上で不可欠な要素です。シングルポイントグラウンドを採用することで、ノイズのループが形成されるのを防ぎ、回路全体の安定性を向上させることができます。

グラウンドプレーンを適切に配置することで、リターンパスを短縮し、不要な電磁波の放射を抑える効果が期待できます。

高周波ノイズへの対策

高周波ノイズは、特に無線通信機器や高周波回路で問題となります。このようなノイズを適切に管理しなければ、信号品質の低下やEMC試験の不適合を引き起こす可能性があります。

シールドケースは、外部からの電磁波の影響を防ぎ、機器内部のノイズ放射を抑えるために用いられます。特に高周波ノイズの抑制には効果的であり、金属ケースや導電性コーティングを施した樹脂ケースを利用することで、EMIを防ぐことができます。

高周波ノイズを最小限に抑えるためには、適切な配線レイアウトが重要です。信号線の長さをできるだけ短縮し、不要な放射ノイズの発生を抑える設計を行うことが求められます。

ノイズを拾いやすい配線を避けるために、クロストークを防ぐ適切なルーティングを施し、信号品質を向上させることも重要です。

EMI対策における設計上のポイント

EMI対策は、電子機器の設計において極めて重要な要素です。適切な設計を行うことで、ノイズの影響を最小限に抑え、製品の信頼性を向上させることができます。

PCB設計におけるノイズ低減テクニックとして、グラウンドプレーンの最適配置が挙げられます。信号のリターンパスを確保し、グラウンドループを防ぐことでノイズの影響を抑えることができます。さらに、差動信号の活用により、ノイズ耐性を向上させることが可能です。

EMC試験での不適合を防ぐためには、シミュレーションを活用することが有効です。代表的なツールには、ANSYS HFSSやCST Studio Suiteがあり、ノイズの発生源を特定し、最適な対策を事前に検討することが可能です。これにより、試作段階でのトラブルを未然に防ぎ、開発コストの削減にも貢献します。

まとめ

ノイズ対策は、電子機器の品質向上や市場適合性を確保するために不可欠です。適切なフィルタリング技術、グラウンド設計、PCBレイアウトを採用することで、ノイズの影響を最小限に抑えることが可能です。設計段階でのシミュレーションを活用し、EMC試験をスムーズにクリアするための対策を講じることが重要です。