ノイズ｜製品知識｜デンゲン技術の今を伝える COSEL+（プラス）

（1）ノイズの発生

ノイズとは、目的とする電圧・電流・信号以外の不要な電圧・電流・信号のことをいいます。
ノイズは大きく自然現象が原因で発生するものと、人が作った機器を原因として発生するものに分類されますが、電源において問題となるのは主に自然由来の落雷や静電気と、人為的なノイズです。
人為的なノイズには、ネオンサインやスイッチによって生じる放電ノイズと、半導体素子の動作に伴って発生するスイッチングノイズがあります。
スイッチング電源は大きな電力を高速でスイッチングするため、電源自身がノイズを発生しやすい構造になっています。
そのため、スイッチング電源を使用する際には、電源そのものが発生するノイズに加え、外部から侵入するノイズの双方に対して適切な対策を講じる必要があります。

（2）ノイズの伝達

ノイズの伝わり方は、磁界や電界、電波などによって空間を通って伝搬する放射ノイズと、導体を通じて伝わる伝導ノイズに分類されます。スイッチング電源から発生するノイズは、主に以下の経路で伝達します。

a.　磁界による伝達

主な発生源はトランスやチョークコイルで、スイッチング周波数に同期した磁界が発生します。この磁界は、直接的に磁気的な影響を与えるほか、電磁誘導によって導体に起電力として現れ、結果として伝導ノイズを引き起こす場合があります。

b.　電界による伝達

高電圧の振幅を持つインバータ周辺の部品や回路パターンから発生します。電圧振幅は、AC100V入力の電源で約350V、AC200V入力の電源では350～700V程度となります。発生した電界は、発生源と周囲の導体との間に存在する静電容量（浮遊容量）を介して伝達します。

c.　電波による伝達

電界と磁界が直交して伝わるものが電波で、減衰が少なく遠距離まで到達します。
このため、ラジオやテレビなどの無線機器に影響を与えることがあります。
電波が発生するには電界と磁界が同時に存在する必要があり、アンテナの役割を果たす導体が必要です。
スイッチング電源においては、回路パターン、シャーシ、入力ケーブル、出力ケーブルなどがその役割を担います。
アンテナには特性インピーダンスや長さなどで決まる放射効率があり、これが最適になると電波が効率よく放射されます。
一般に、回路パターンは短くシャーシにも近いため放射効率が低く、電波放射は小さくなります。
一方、入力ケーブルや出力ケーブルは長く、かつ大地から距離があるため、放射効率が高く強い電波を放射します。
電界強度を測定する際、3m法など近距離での測定では、電磁ノイズ・電界ノイズ・電波ノイズを同時に測定することになるため、10m法や30m法で得られる測定値が、理論値と一致しない場合があります。
また、シールドルームでの測定においては、電磁ノイズの磁束がシールドルーム外壁を伝わってしまい、測定値に誤差を生じることもあります。

d.　伝導による伝達

導体を通して伝わる伝導ノイズには、以下の2種類があります。
　・ノーマルモードノイズ：電源や信号線の＋と－の間を流れるノイズ
　・コモンモードノイズ：電源や信号線の＋－と大地（シャーシなど）との間を流れるノイズ
コモンモードノイズは伝搬の過程で一部がノーマルモードノイズに変換され、システム誤動作の原因となることがあります。

電源の出力ノイズはオシロスコープで測定しますが、このときノーマルモードノイズとコモンモードノイズを同時に測定していることになります。
ノーマルモードノイズはプローブの先端で電圧として検出されますが、コモンモードノイズはプローブのグランド線に電流として流れ、グランド線とシールド線に生じる電圧降下が測定値として表示されます。
このとき、グランド線のインダクタンスはシールド線に比べて大きいため、グランド線に生じる電圧が測定が支配的になるため、グランド線を短くするとノイズ電は小さく測定されます。

入力側の雑音端子電圧の測定も同様に、ノーマルモードノイズとコモンモードノイズを同時に測定していることになります。

（3）ノイズ対策：電源自身で発生するノイズに対して

a.　磁界ノイズ対策

磁界に弱い磁気記憶装置や微弱信号を扱っている信号線は電源から離すか、金属板でシールドを施してください。
また、磁束は巻き線と直角方向に大きく出ますので、トランスやチョークコイルの方向を確認の上、部品や配線経路を設定するのも有効です。

b.　電界ノイズ

電源内部の高電圧が振幅している部分はシャーシに近く、浮遊容量が大きいため、一般的には外部へ大きな妨害を与えることはほとんどありません。

c.　伝導ノイズ（出力側）対策

基本的には、配線を太く短くすることで十分であり、特別な対策が不要な場合が多くあります。
ノーマルモードノイズ、コモンモードノイズのどちらも、コンデンサまたはローパスフィルタを挿入することで低減できます。
ただし、スイッチング電源のノイズには高周波成分が含まれるため、空間を介して直接負荷へ伝わったり、接地方法によってはまったく効果が出ない場合もあります。理想的には、電源と負荷を同一シャーシに取り付けることが望ましいです。もし電源と負荷が別シャーシになる場合は、インダクタンスを持つ電線で接続するのではなく、金属板で接続してください。
これは、シャーシを安定した基準電位とし、ノイズ源である電源とノイズを受ける負荷を、そのシャーシに対して低インピーダンスで接続することにより、ノイズの影響を最小化するためです。

d.　伝導ノイズ（入力側）対策

電源で発生したノイズが入力側へ出ていかないよう、電源には入力側にノイズフィルターが内蔵されています。
このフィルターの効果を損なわないために、入力線と出力線は近づけず、必ず離して配線してください。
また、入力線が電源からの放射ノイズを拾わないよう、入力ケーブルは電源本体から距離を取り、シャーシに沿わせて配線することが推奨されます。
さらに、電源からのノイズをより小さくしたい場合や、入力ケーブルの取り回しが長くノイズを拾いやすい場合には、システム筐体の入り口に別途ノイズフィルターを追加することが有効です。

e.　EMI対策

雑音端子電圧

電源自身が発生するノイズに加え、負荷側で発生したノイズが電源を通って入力側へ出ていきます。
電源単体が規格に適合していても、前述の a〜d の基本事項が守られていないと、規格値を超えることがあります。
複数の電源を使用する場合や、設置環境の制約で a〜d の対策を十分に行えない場合、あるいは負荷からのノイズが大きい場合は、システムの入り口に別途ノイズフィルターを設置してください。

雑音電界強度

前述の（2）a〜cで説明したとおり、電波として放射される主なノイズ源は、システム外へ引き出される入力ケーブルや信号線などのケーブルが主となります。これを防ぐためには、まずノイズを伝達させないための基本事項（ケーブル配置・接地・距離確保など）を守ることが最も重要です。その上で規格を満足できない場合には、ノイズフィルターやデータラインフィルターなど、各種のEMI対策部品を使用して追加対策を行ってください。
また、筐体が金属製でない場合は、金属板や金属フィルムを用いて外部にノイズを出さない方法も有効です。

（4）ノイズ対策：外部からのノイズに対して

電源の入力には、放電ノイズや、L負荷および大電力機器をON/OFFした際に発生するインパルスノイズ（一般的には数百Vから 3000V 程度）が侵入します。
これらのノイズに対しては、サージアブソーバとノイズフィルターを併用することで効果的に防止できます。
ノイズフィルターだけで対策する場合、フィルターのコイル巻線間で放電が発生したり、巻線間の静電容量を介してインパルスが素通りしてしまう可能性があります。そのため、ノイズフィルターが耐えられる最大入力パルス電圧を必ず確認しておく必要があります。
なお、スイッチング電源に内蔵されているノイズフィルターは、一般に 1000V 程度の耐圧ですので、お客様装置の要求仕様に応じて、外付け部品を併用してください。