JP5264700B2

JP5264700B2 - 電子機器

Info

Publication number: JP5264700B2
Application number: JP2009297137A
Authority: JP
Inventors: 幸輝吉原; 慎矢西; 謙吾吉岡; 正人小山; 睦島嵜
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: JP2011139229A

Description

この発明は、電子機器、特にコモンモード電圧に起因する電流の位相を調整する機能を備える電子機器に関するものである。

電子機器においては、その内部で発生する不要電磁波ノイズや、外部から伝搬して電子機器の内部に侵入する外来ノイズが機器障害を引き起こす要因として大きな問題となっている。そのため電子装置の内部で発生する不要電磁波ノイズＥＭＩ（Electromagnetic Interference；電磁波妨害）の発生を防止したり、ＥＭＳ（Electro Magnetic Susceptibility；外来ノイズ耐力）を確保したりするＥＭＣ（Electromagnetic Compatibility；電磁波両立性）設計が重要となっている。ＥＭＩが他の使用電子装置に影響を及ぼさないように、日本ではＶＣＣＩ（Voluntary Control Council For Interference by Data Processing Equipment Office Machines）、米国ではＦＣＣ（Federal Communications Commission）、欧州ではＥＮ（European Norm）が決めた各種規格によって規制されている。

ＥＭＩは、ノーマルモード（normal mode）とコモンモード（common mode）によるものに大別されるが、ノーマルモード電流Ｉ_ｎｏｒ［Ａ］による放射電界強度Ｅ_ｎｏｒとコモンモード電流Ｉ_ｃｏｍ［Ａ］による放射電界強度Ｅ_ｃｏｍは、それぞれ以下の簡易式で示される。但し、ｄは観測点までの距離［ｍ］、ｆは周波数［Ｈｚ］、Ｌは線路長［ｍ］、Ｓは線路間の距離［ｍ］を表す。

これら放射電界強度を比較すると、コモンモード電流による放射電界強度Ｅ_ｃｏｍが、ノーマルモード電流による放射電界強度Ｅ_ｎｏｒよりも非常に大きいことが分かる。この理由は次の通りである。

ノーマルモード電流の場合には、信号ラインにリファレンスグランドを基準とした電圧が掛かり、信号ライン上を流れる電流とリファレンスグランドに流れる電流は、互いに逆向きに流れ、遠方では打ち消されるため放射ＥＭＩは小さい。一方、コモンモード電流の場合には、リファレンスグランドに大地を基準とした電圧が掛かり、それぞれのラインに同じ向きの電流が流れるため非常に大きな放射ＥＭＩが発生する。したがって、電子機器のコモンモード電流が外部に伝搬すると、大きな放射ＥＭＩが発生し周囲の電子機器に電波障害を及ぼす可能性が大きい。
電子機器開発において、放射ＥＭＩを抑制するには、電子機器から外部に漏洩するコモンモード電流を如何に小さくできるかが重要な課題の一つとなっている。コモンモード電流による放射ＥＭＩの対策方法としては、一般的にはコモンモードチョークコイルを使用してコモンモード電圧そのものを減衰することによってコモンモード電流を抑制する方法が適用されている。また、これ以外に、調整回路機能を付与することによって、伝送線路接続点におけるコモンモード電圧を低減させる方法（例えば特許文献１参照）や、コモンモードチョークコイルの代替部品として複合コイルの巻線の巻き位置を最適化することでコモンモードノイズとノーマルモードノイズの双方を良好に減衰させる方法（例えば特許文献２参照）などが提案されている。

特開２００８−３１１９６４号公報特開２００７−２１４７８９号公報

従来のコモンモード電流による放射ＥＭＩの対策方法は以上のような技術で行われているが、特許文献１に記載のものは、異なる伝送路構造の接続部におけるコモンモード電位を調整することにより、コモンモード電位の差に起因する不要電磁波輻射を抑制しているが、それぞれの配線に掛かるコモンモード電圧そのものに起因する不要電磁波輻射については抑制することができないという問題がある。
また、特許文献２記載の技術では、複合コイルは複数のコモンモードチョークコイルと同等の効果を得られ、小型化に有効であるが、複合コイルの特性を最適化するためにコストが掛かることと、その効果を実現するための部品構成がコモンモードチョークコイルと同等であり、大きなコストメリットは期待できないという問題がある。概して、発生ノイズを抑制するためのこれまでの対策部品は高価であり製品コストに影響していた。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、電子機器の内部で発生するコモンモード電流を抑制することにより、ＥＭＩを大幅に抑制可能にする電子機器を得ることを目的とする。

この発明に係る電子機器は、外部電源から筺体内の主要回路に電源供給を行うために引き込む電源配線とグランド配線の筺体の引き込み口の前後にＥＭＩ対策用の電流位相調整機能部を備え、この電流位相調整機能部は、電源配線とグランド配線のコモンモード電圧によって筺体の引き込み口付近の電源配線とグランド配線上に流れる電流の位相差を１８０度に設定可能にするインダクタとキャパシタからなる回路構成を持つものである。

この発明によれば、コモンモード電圧に起因するコモンモード電流を抑制または除去することができるようになり、発生するノイズを大幅に抑制することが可能になる。また、従来の対策方法と比較してコモンモードチョークコイル等の特殊なコモンモードフィルタ部品を使用することなく一般的な部品で構成することができるため、製品コストを下げることも可能になる。

この発明の各実施の形態による電子機器と外部配線の部分を示す概観斜視図である。この発明の各実施の形態に係る電子機器の内部配線構造と外部配線を示す透視的斜視図である。この発明の実施の形態１に係る電流位相調整機能部の構成例を示す回路図である。図３の電流位相調整機能部によるコモン電圧に対する構成部品に流れる電流の関係を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係る電流位相調整機能部の他の構成例を示す回路図である。この発明の実施の形態１に係る、さらに他の構成例を示す回路図である。この発明の実施の形態１に係る周波数別の電源接続キャパシタＣ１とグランド接続インダクタＬ２の組み合わせ値を示す説明図である。この発明の実施の形態２に係る電流位相調整機能部の構成例を示す回路図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の各実施の形態に共通な位相調整機能内蔵の電子機器と外部配線の部分を示す概観斜視図、図２は各実施の形態に係る電子機器の内部配線構造と外部配線を示す透視的斜視図である。
図１において、電子機器１００は、筺体の壁に外部から電源供給を受けるための配線接続部１０２を有しており、この配線接続部１０２に外部から電源供給する配線１０３が接続されている。図２に示すように、外部から電源供給を行うための外部電源配線１０３ａと外部グランド配線１０３ｂは、それぞれを受けるための電源配線接続部１０２ａとグランド配線接続部１０２ｂに接続されている。また、電源配線接続部１０２ａとグランド配線接続部１０２ｂには電子機器１００の内部電源配線１０４ａと内部グランド配線１０４ｂが接続されている。内部電源配線１０４ａと内部グランド配線１０４ｂのそれぞれ反対側の端子は、電流位相調整機能部１０１を介して内部電源配線１０４ｃと内部グランド配線１０４ｄに接続されている。また、内部電源配線１０４ｃと内部グランド配線１０４ｄの反対側の端子は、電源供給を受ける電子機器の主要回路１０５が接続されている。ここで、内部電源配線１０４ａ、内部グランド配線１０４ｂ、内部電源配線１０４ｃおよび内部グランド配線１０４ｄは、一般的にはプリント配線板の銅箔などで構成される。

図２の電流位相調整機能部１０１は、例えば図３に示す回路構成を持っている。図３において、電源端子１ａは内部電源配線１０４ａに、電源端子１ｂは内部電源配線１０４ｃに、グランド端子２ａは内部グランド配線１０４ｂに、グランド端子２ｂは内部グランド配線１０４ｄに接続される。電源端子１ａ−１ｂ間には電源接続インダクタＬ１と電源接続キャパシタＣ１が並列に接続され、また、グランド端子２ａ−２ｂ間にはグランド接続インダクタＬ２が接続されている。

図３に示された電流位相調整機能部１０１の電源接続インダクタＬ１、グランド接続インダクタＬ２、電源接続キャパシタＣ１に掛かるコモン電圧に対するコモン電流の関係を図４に示す。電源接続インダクタＬ１のインピーダンスは、電源接続キャパシタＣ１と比較し高いインピーダンスのものが接続され、電源接続インダクタＬ１を直流成分の電流を流す機能として働かせ、電源接続インダクタＬ１とグランド接続インダクタＬ２を流れるコモンモード電圧に起因する電流の位相を、電圧に対し９０度遅らせ、電源接続キャパシタＣ１を流れるコモンモード電圧に起因する電流の位相を、電圧に対し９０度進ませることで、コモンモード電圧に起因する内部電源配線１０４ｃおよび内部グランド配線１０４ｄに流れる電流の位相差を１８０度にして、外部に漏洩するコモンモード電流を抑制することができる。さらに、インダクタとキャパシタそれぞれのインピーダンス成分により電流の大きさも抑制することができる。

電源端子１ａに掛かる大地に対するコモンモード電圧をＥ_１、グランド端子２ａに掛かる大地に対するコモンモード電圧をＥ_２とし、その周波数をω_０、外部電源配線１０３ａおよび外部グランド配線１０３ｂの長さが波長に対して短いとすると、電源端子１ａ−１ｂ間に並列に接続された電源接続インダクタＬ１と電源接続キャパシタＣ１によるアドミタンスＹ_１は（１）式により、流れる電流値Ｉ_１は（２）式により求まる。

同様にグランド端子２ａ−２ｂ間に直列接続されたグランド接続インダクタＬ２によるインピーダンスＺ_２は（３）式により、流れる電流値Ｉ_２は（４）式により求まる。

電源端子１ａ−１ｂ間を流れる電流Ｉ_１とグランド端子２ａ−２ｂ間を流れる電流Ｉ_２の位相差を１８０度とするための条件式はＩ_１＝−Ｉ_２の場合であり、電源端子１ａ−１ｂ間に並列接続された電源接続インダクタＬ１と電源接続キャパシタＣ１、グランド端子２ａ−２ｂ間に直列接続されたグランド接続インダクタＬ２の関係は（５）式により求まる。

但し、電源端子１ａ−１ｂ間に並列接続された電源接続インダクタＬ１に係るインピーダンス成分ω_０Ｌ_１と電源接続キャパシタＣ_１に係るインピーダンス成分１／ω_０Ｃ_１の関係がω_０Ｌ_１>>１／ω_０Ｃ_１であるならば、（５）式は（６）式と変形できる。

電源端子１ａ−１ｂ間に並列接続される電源接続インダクタＬ１と電源接続キャパシタＣ１や、グランド端子２ａ−２ｂ間に直列接続されるグランド接続インダクタＬ２は、電子機器１００の外部から電源供給を受けるための電源配線接続部１０２ａおよびグランド配線接続部１０２ｂの直近となるように配置することが望ましい。

また、電源端子１ａにかかる大地に対するコモンモード電圧Ｅ_１と、グランド端子２ａにかかる大地に対するコモンモード電圧Ｅ_２の大きさの関係をＥ_１＝Ｅ_２とすれば、（６）式を満たすグランド接続インダクタＬ２と電源接続キャパシタＣ１を選択することで、電源端子１ａおよびグランド端子２ａを通じ流れる電流の位相差を１８０度にし、コモンモード電圧に起因するコモンモード電流を抑制することができる。

図３の回路構成において、減衰させたいコモンモード周波数をｆ＝｛１００ＭＨｚ、５００ＭＨｚ、１ＧＨｚ｝とした場合の電源接続キャパシタＣ１とグランド接続インダクタＬ２の組み合わせを図７のグラフで示す。但し、この組合せは（５）式から導出した結果であり、電源接続インダクタＬ１に係るインピーダンス成分は、電源接続キャパシタＣ１に係るインピーダンス成分の１００倍としている。
ｆ＝１００ＭＨｚの場合、コモンモード電圧に起因するコモンモード電流を抑制できる１つの構成は電源接続キャパシタＣ１を１００．０ｐＦ、電源接続インダクタＬ１を２５４．６ｎＨ、グランド接続インダクタＬ２を２８．１ｎＦとすればよい。また電源接続インダクタＬ１、グランド接続インダクタＬ２については、グラフで得られた容量値より大きく、かつ近い値の部品を選択し接続することが望ましい。さらに図３の構成ではインピーダンスは１５．９Ωであり、電流を減衰することができる。

ここで、電流位相調整機能部１０１として、内部電源配線１０４ａ，１０４ｃにインダクタＬ３を直列に、内部グランド配線１０４ｂ、１０４ｄにインダクタＬ４とキャパシタＣ４を並列に接続した構成を図５に示す。これは、図３における電源端子１ａ−１ｂ間とグランド端子２ａ−２ｂ間に接続した対象素子を入れ替えた構成であるが、このように構成しても同じ効果を奏する。
また、電流位相調整機能部１０１として、内部電源配線１０４ａ，１０４ｃにインダクタＬ５とキャパシタＣ５を並列に、また内部グランド配線１０４ｂ、１０４ｄにインダクタＬ６とキャパシタＣ６を並列に接続した構成を図６に示す。これは、図３における電源端子１ａ−１ｂ間に接続した対象素子を、電源端子１ａ−１ｂ間とグランド端子２ａ−２ｂ間の両方に接続した構成であるが、このように構成しても同じ効果を奏する。
さらに、電流位相調整機能部１０１は、図３においては電子機器の内部電源配線１０４ａ、内部グランド配線１０４ｂ、内部電源配線１０４ｃおよび内部グランド配線１０４ｄに接続されているが、代わりに電源配線接続部１０２ａ、グランド配線接続部１０２ｂ、外部電源配線１０３ａおよび外部グランド配線１０３ｂに接続するように構成してもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、外部電源から筺体内の主要回路１０５に電源供給を行うために引き込む電源配線（１０３ａ，１０４ａ，１０４ｃ）とグランド配線（１０３ｂ，１０４ｂ，１０４ｄ）の筺体の引き込み口（電源配線接続部１０２ａ，１０２ｂ）の前後にＥＭＩ対策用の電流位相調整機能部１０１を備え、この電流位相調整機能部１０１は、電源配線（１０３ａ，１０４ａ，１０４ｃ）とグランド配線（１０３ｂ，１０４ｂ，１０４ｄ）のコモンモード電圧によって筺体の引き込み口付近の電源配線（１０４ａ）とグランド配線（１０４ｂ）上に流れる電流の位相差を１８０度に設定可能にするインダクタ（図３の例の場合、Ｌ１，Ｌ２）とキャパシタ（図３の例の場合、Ｃ１）からなる回路構成を持つようにしたので、コモンモード電圧に起因するコモンモード電流を抑制または除去することができるようになり、発生するノイズを大幅に抑制することが可能になる。また、従来の対策方法と比較してコモンモードチョークコイル等の特殊なコモンモードフィルタ部品を使用することなく一般的な部品で構成することができるため、製品コストを下げることも可能になる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係る電流位相調整機能部の構成を示す回路図で、図２における電流位相調整機能部１０１の内部電源配線１０４ｃと内部グランド配線１０４ｄの間にキャパシタＣ７８が接続された構成を示している。
この実施の形態２では、上記実施の形態１の電流位相調整機能部の構成に加え、電源グランド間接続キャパシタＣ７８が接続されることで、電源端子７ａとグランド端子８ａとの間に掛かる電圧がノーマルモードのとき、電源端子７ａとグランド端子８ａとの間に電位差が生じ、電源端子７ａから電源グランド間接続キャパシタＣ７８を通じてグランド端子８ａに電流が流れるようになる。このため、ノーマルモード電圧に起因するノーマルモード電流を減衰することができる。

ここで、上記実施の形態１の電流位相調整機能部１０１を構成するインダクタとキャパシタが持つインピーダンスを大きくすることで、電源グランド間接続キャパシタＣ７８には電流が流れやすくなり、ノーマルモード電圧に起因するノーマルモードの電流を減衰することができる。
また、上記実施の形態１の電流位相調整機能部１０１の構成で、電源端子７ｂとグランド端子８ｂに電源グランド間接続キャパシタを接続するように構成しても、ノーマルモード電圧に起因するノーマルモードの電流を減衰することができる。
また、上記実施の形態１の電流位相調整機能部１０１の構成で、それぞれ電源端子７ａとグランド端子８ａに電源グランド間接続キャパシタを接続し、加えて電源端子７ｂとグランド端子８ｂにも電源グランド間接続キャパシタを接続する構成としても、ノーマルモード電圧に起因するノーマルモードの電流を減衰することができる。

以上のように、この実施の形態２によれば、電流位相調整機能部１０１は、実施の形態１の構成に加え、電源配線とグランド配線１０４ｂの外部電源側端子（１０４ａ−１０４ｂ）間に、当該端子間に発生するノーマルモード電圧に起因する電流を流すキャパシタＣ７８を接続するようにした構成としたので、一般的な部品で構成を用いて、コモンモード電流によって発生するノイズを抑制または除去する実施の形態１の効果に加えて、ノーマルモードの電流によって発生するノイズをも抑制することが可能になる。

１００電子機器、１０１電流位相調整機能部、１０２配線接続部、１０２ａ電源配線接続部、１０２ｂグランド配線接続部、１０３外部配線、１０３ａ外部電源配線（電源配線）、１０３ｂ外部グランド配線（グランド配線）、１０４ａ，１０４ｃ内部電源配線（電源配線）、１０４ｂ，１０４ｄ内部グランド配線（グランド配線）、１０５主要回路、１ａ，１ｂ，３ａ，３ｂ，５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ電源端子、２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂグランド端子、Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ７電源接続インダクタ、Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６，Ｌ８グランド接続インダクタ、Ｃ１，Ｃ５，Ｃ７電源接続キャパシタ、Ｃ４，Ｃ６グランド接続キャパシタ、Ｃ７８電源グランド間接続キャパシタ。

Claims

外部電源から筺体内の主要回路に電源供給を行うために引き込む電源配線とグランド配線の筺体の引き込み口の前後にＥＭＩ対策用の電流位相調整機能部を備え、前記電流位相調整機能部は、前記電源配線と前記グランド配線のコモンモード電圧によって筺体の引き込み口付近の前記電源配線と前記グランド配線上に流れる電流の位相差を１８０度に設定可能にするインダクタとキャパシタからなる回路構成を持つことを特徴とする電子機器。
電流位相調整機能部は、
電源配線上に第１のインダクタと第１のキャパシタを並列に接続し、
グランド配線上に第２のインダクタを直列に接続した回路構成を持つことを特徴とする請求項１記載の電子機器。
電流位相調整機能部は、
グランド配線上に第１のインダクタと第１のキャパシタを並列に接続し、
電源配線上に第２のインダクタを直列に接続した回路構成を持つことを特徴とする請求項１記載の電子機器。
電流位相調整機能部は、
電源配線上に第１のインダクタと第１のキャパシタを並列に接続し、
グランド配線上に第２のインダクタと第２のキャパシタを並列に接続した回路構成を持つことを特徴とする請求項１記載の電子機器。
電流位相調整機能部は、電源配線とグランド配線の外部電源側端子間に、当該端子間に発生するノーマルモード電圧に起因する電流を流す第３のキャパシタを接続した回路構成を持つことを特徴とする請求項２記載の電子機器。
電流位相調整機能部は、電源配線とグランド配線の当該電子機器の回路側端子間に、当該端子間に発生するノーマルモード電圧に起因する電流を流す第３のキャパシタを接続した回路構成を持つことを特徴とする請求項２記載の電子機器。
電流位相調整機能部は、電源配線とグランド配線の当該電子機器の回路側端子間にも、当該端子間に発生するノーマルモード電圧に起因する電流を流す第４のキャパシタを接続した回路構成を持つことを特徴とする請求項５記載の電子機器。
電流位相調整機能部は、電源配線とグランド配線の当該電子機器の回路側端子間に、当該端子間に発生するノーマルモード電圧に起因する電流を流す第３のキャパシタを接続した回路構成を持つことを特徴とする請求項３または請求項４記載の電子機器。