スイッチング電源は、エネルギー効率が高く、小型で高出力を実現できるため、現代の電子機器に広く採用されています。しかし、その動作原理上、スイッチング周波数に起因する電磁ノイズが発生しやすく、EMC（電磁両立性）対策が不可欠です。

本記事では、スイッチング電源の電源ラインに発生するノイズの種類や原因を分析し、EMC試験を通過するための具体的なノイズ低減手法について詳しく解説します。

スイッチング電源のノイズ問題

スイッチング電源は、電力変換効率が高い一方で、高速なスイッチング動作が原因となり、ノイズが発生しやすい特性を持っています。本章では、スイッチング電源に関連するノイズの種類と、それがEMC試験に与える影響について詳しく解説します。

電源ノイズの種類

スイッチング電源で発生するノイズは、大きく「伝導ノイズ」と「放射ノイズ」の2種類に分類されます。

伝導ノイズは、電源ラインを通じて伝わるノイズのことで、特に高周波成分が多く含まれるため、EMC試験の対象となります。電源回路やグラウンド経由で他の回路に影響を及ぼすことがあるため、適切なフィルタリングが不可欠です。

一方、放射ノイズは、電源回路の配線や部品から空間へ放射されるノイズのことを指します。これは、高速スイッチング動作によって生じる電磁波や、適切でないPCBレイアウトによる影響が原因となります。シールドや適切なレイアウト設計が、放射ノイズ低減の鍵となります。

EMC試験と電源ノイズの関係

EMC試験では、スイッチング電源が発生するノイズが国際規格（CISPR、IEC、FCCなど）に適合しているかどうかが評価されます。特に、伝導ノイズと放射ノイズの規定値を超えてしまうと、試験に不合格となり、製品の市場投入が困難になります。そのため、試作段階でのノイズ測定と対策の実施が非常に重要です。

電源ノイズの主な発生原因

スイッチング電源におけるノイズ発生のメカニズムを理解することは、適切な対策を講じる上で重要です。本章では、スイッチング電源がノイズを発生させる主な原因と、それが回路全体に与える影響について詳しく説明します。

スイッチング電源の動作原理とノイズの関係

スイッチング電源は、MOSFETやIGBTなどの半導体スイッチを高速でオン・オフすることでエネルギー変換を行います。この動作によって急激な電流・電圧変化が生じ、ノイズが発生します。

特に、高速スイッチングによって発生する高周波成分は、電源ラインや周囲の配線に影響を与え、EMC試験で問題となることが多いです。スイッチング周波数の適切な選定や、スロープ制御（スイッチングの立ち上がり・立ち下がり時間の調整）によって、ノイズレベルを抑制できます。

磁気ノイズと電流リップル

スイッチング電源のインダクタやトランスから発生する漏れ磁束は、周囲の回路に影響を与える磁気ノイズの原因となります。また、電流リップルは、スイッチング電流が変動することで発生し、回路内の動作安定性を損なう可能性があります。

磁気ノイズの低減には、適切な磁性材料を用いたシールドの適用や、インダクタの配置の最適化が有効です。また、電流リップルの抑制には、大容量の低ESRコンデンサの配置が推奨されます。

EMC対策の基本

スイッチング電源によるノイズを抑制するためには、フィルタ設計が不可欠です。ここでは、フィルタの基本構成と、コンデンサやインダクタを活用した具体的なノイズ対策について解説します。

コンデンサによる高周波ノイズの除去

高周波ノイズの抑制には、適切なコンデンサの選定と配置が重要です。

セラミックコンデンサは、高周波成分の吸収に優れ、ノイズの抑制に効果的です。特に、電源ラインに並列接続することで、高周波ノイズを効果的に吸収できます。電解コンデンサは、低周波リップルを抑えるために使用され、電源ラインの安定化に寄与します。さらに、フィードスルーコンデンサは、伝導ノイズを効果的に除去する役割を果たします。

インダクタを活用したノイズ抑制

インダクタは、電流変動を抑えることでノイズを低減する役割を果たします。特に、コモンモードチョークは、伝導ノイズを抑えるために効果的です。フェライトコアは、高周波ノイズを吸収し、回路内のノイズレベルを低減します。また、DC-DCコンバータ用の適切なインダクタを選定することで、電源の安定化と電流リップルの低減を図ることができます。

低ノイズ設計の実践的アプローチ

スイッチング電源のノイズを抑えるためには、フィルタ設計だけでなく、PCBレイアウトやグラウンディングの工夫も重要です。設計段階で適切なレイアウトを採用することで、不要なノイズを最小限に抑えることができます。本章では、ノイズを低減するための実践的な設計手法を詳しく紹介します。

電源回路のレイアウトとグラウンディング

PCB設計において、電源ノイズを抑えるためには、適切なグラウンディングとレイアウト設計が必要です。

グラウンドプレーンを一体化することで、リターン電流の経路を最短にし、ノイズ発生を防ぐことができます。信号線と電源線の適切な配置も重要であり、クロストークを抑えるために信号線と電源線を分離することが推奨されます。また、電源パスの最適化により、電源の安定性を確保し、不要なノイズの発生を防ぐことができます。

フィルタリングとシールド技術の応用

ノイズを抑えるためには、フィルタリングとシールド技術の適用が有効です。フェライトビーズは、高周波ノイズを吸収し、回路内のノイズレベルを低減するのに役立ちます。シールドケースを導入することで、外部ノイズの影響を遮断し、EMC対策を強化できます。さらに、適切なフィルタの組み合わせを用いることで、最適なノイズ抑制効果を得ることが可能になります。

まとめ

スイッチング電源のノイズ対策は、フィルタ設計やレイアウトの工夫によって大幅に改善できます。特に、コンデンサやインダクタを適切に選定・配置し、回路の最適化を図ることが重要です。また、EMC試験に合格するためには、試作段階でのノイズ測定と対策が不可欠です。電源ノイズの抑制手法を理解し、適切な対策を実施することで、高品質な電子機器の設計が可能となります。