Chapter 24
EMC とノイズ対策
この章がなぜ必要なのか——EMC は「製品が出荷できるかどうか」を決めるから.
- 「試作は完璧に動くのに、EMC 試験で落ちた」
- 「30 MHz に大きなピークが出ている。何が原因か分からない」
- 「ESD 試験でリセットする」
- 「対策部品を後から足したが効かない」
EMC 対策は、基板ができてからでは手遅れになることが多い。 だから、原理を知って設計段階で作り込む必要がある。
幸い、EMC の原理は ループ面積とコモンモード電流の 2 つでほぼ説明できる。
この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. コンデンサ（02 章 7 節）、ダンピング抵抗（02 章 6 節）、フェライトビーズ（02 章 5 節）、ほぼゼロ（04 章 4 節）、オペアンプ（05 章）、制御（06 章 6 節）、水晶（09 章 2 節）、非線形（10 章 5 節）、アナログ入力（12 章 5 節）、ホットループ（16 章 6 節）、配置（16 章 3 節）、後述（18 章 3 節）、コネクタ直近（19 章 7 節）、プルアップ（19 章 7 節）、外部コネクタ（19 章 7 節）、I2C（20 章 1 節）、コモンモード（20 章 5 節）、バスハング（20 章 9 節）、リンギング（20 章 3 節）、差動（20 章 1 節）、直列抵抗（20 章 7 節）、配線（20 章 7 節）、インダクタンス（22 章 6 節）、EMI（23 章 3 節）、最も効果的（23 章 5 節）
1. EMC の枠組み
EMC = Electromagnetic Compatibility（電磁両立性）
| 分類 | 内容 |
|---|---|
| EMI（エミッション） | 出さない。他の機器に迷惑をかけない |
| EMS（イミュニティ） | 受けない。外来ノイズで誤動作しない |
さらに経路で分ける。
| 伝導（Conducted） | 放射（Radiated） | |
|---|---|---|
| エミッション | 電源線・ケーブルに乗って出る（150 kHz〜30 MHz） | 空間に飛ぶ（30 MHz〜6 GHz） |
| イミュニティ | 電源線から入る（BCI、EFT、サージ） | 空間から入る（RS） |
主な試験
| 試験 | 規格 | 内容 |
|---|---|---|
| 放射エミッション（RE） | CISPR 32 / 11 | 3 m or 10 m の距離で電界強度を測る |
| 伝導エミッション（CE） | CISPR 32 / 11 | 電源線を LISN 経由で測る |
| ESD | IEC 61000-4-2 | 接触 ±4〜8 kV、気中 ±8〜15 kV |
| EFT / バースト | IEC 61000-4-4 | 電源・信号線に高速パルス列 |
| サージ | IEC 61000-4-5 | 1.2/50 µs、雷サージ模擬 |
| 放射イミュニティ（RS） | IEC 61000-4-3 | 3〜10 V/m の電磁波を当てる |
| 伝導イミュニティ（CS） | IEC 61000-4-6 | ケーブルに RF を注入 |
| 電圧ディップ | IEC 61000-4-11 | 電源の瞬断 |
どの規格が適用されるかは製品による.
民生（CISPR 32 クラス B）は産業（クラス A）より 10 dB 厳しい。 車載（CISPR 25）はさらに厳しく、医用・航空はまた別。
開発の最初に、適用規格と限度値を確認すること。 規格の詳細は改訂されるので、必ず最新版の原典で確認する。
2. 放射の原理——2 つのアンテナ
ディファレンシャルモード放射
信号電流と、そのリターン電流が作るループが放射する。
| 変数 | 影響 |
|---|---|
| \(A\)（ループ面積） | 比例。半分にすれば 6 dB 下がる |
| \(f^2\)（周波数の 2 乗） | 周波数が 2 倍なら 12 dB 増 |
| \(I\)（電流） | 比例 |
対策は明確: ループ面積を減らす。 これが 23 章の「リターン電流を信号の真下に流す」の意味である。
コモンモード放射——実は本命
ケーブルや筐体に、同じ向きの電流が流れると、 それがダイポールアンテナとして放射する。
\(L\) はケーブル長。
決定的な事実: コモンモードのほうが遥かに効率よく放射する.
同じ電界強度を出すのに必要な電流:
モード 必要な電流（1 m ケーブル、30 MHz、3 m 距離、40 dBµV/m） ディファレンシャル（10 cm² ループ） 数十 mA コモンモード（1 m ケーブル） 数 µA 3〜4 桁の差がある。
放射エミッションで落ちる原因の大半は、 ケーブルに乗ったコモンモード電流である。
コモンモード電流はどこから来るか
つまり: GND の電位が揺れることが元凶である。
| GND を揺らすもの | 対策 |
|---|---|
| リターン電流がプレーンの狭い場所に集中 | プレーンを切らない（23 章） |
| 大電流のスイッチング（DC-DC、モータ） | ホットループ最小化（15 章・22 章） |
| IC の同時スイッチング（SSN） | デカップリング（16 章） |
| ビアのインダクタンス | ビアを増やす、短くする |
| ケーブルの接続点が悪い | 後述 |
3. エミッション対策
原則の優先順位
上から順に効果が大きく、コストが安い。
| 順位 | 対策 | 効果 |
|---|---|---|
| 1 | ループ面積を減らす（配置・層構成・GND プレーン） | ◎ 根本的 |
| 2 | \(t_r\) を遅くする（ドライブ強度、ダンピング抵抗） | ◎ 高調波が激減 |
| 3 | 不要な高速信号を作らない（クロックを下げる、必要な時だけ動かす） | ◎ |
| 4 | ケーブルの接続部でコモンモードを止める（コモンモードチョーク、コンデンサ） | ○ |
| 5 | フィルタ部品を足す（フェライトビーズ、LC） | ○ |
| 6 | シールド（筐体、シールドケース） | ○ コストが高い |
| 7 | スペクトラム拡散 | △ 数 dB |
\(t_r\) と高調波の関係
矩形波のスペクトルは、2 つの折れ点を持つ。
\(f > 1/(\pi t_r)\) で −40 dB/dec に折れる。
| \(t_r\) | 折れ点 |
|---|---|
| 1 ns | 318 MHz |
| 2 ns | 159 MHz |
| 5 ns | 64 MHz |
| 10 ns | 32 MHz |
\(t_r\) を 1 ns → 10 ns にすると、折れ点が 318 MHz → 32 MHz に下がる。 100 MHz での振幅が 20〜30 dB 下がる。
これが最も安く効く対策である.
- MCU の GPIO スルーレート設定を「遅い」に
- ダンピング抵抗（22〜33 Ω）を入れる
- クロック出力が不要なら止める
部品代ゼロで 20 dB 改善することがある。 ただし タイミングが成立する範囲で（12 章）。
フェライトビーズ
02 章のとおり、特定の周波数で抵抗になる部品である。
| 使い方 | 注意 |
|---|---|
| 電源ラインのノイズ遮断 | DC 抵抗による電圧降下。定格電流を確認 |
| 信号ラインのエッジ鈍化 | 信号品質とのトレードオフ |
| ケーブルのコモンモード除去 | コモンモードチョークのほうが適切なことが多い |
フェライトビーズの落とし穴（再掲・重要）.
ビーズは低周波ではインダクタである。 後段のコンデンサと LC 共振を起こし、特定の周波数で電圧が持ち上がる。
\[ f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \]\(L = 1\) µH、\(C = 10\) µF なら \(f_0 = 50\) kHz。 ここで Q 倍のピークが立つ。
対策: 抵抗を数 Ω 直列に入れる、または ESR のあるコンデンサを使う。
「ビーズを入れたらノイズが増えた」は本当に起きる。
コモンモードチョーク
差動信号は通し、コモンモード成分だけを阻止する。
- 差動電流（逆向き）→ 磁束が打ち消し合う → インダクタンスが見えない
- コモンモード電流（同方向）→ 磁束が加算 → 大きなインダクタンスで阻止
| 用途 | 内容 |
|---|---|
| USB / Ethernet / CAN / LVDS | 差動信号のコモンモード除去。信号品質を落とさず効く |
| AC 電源入力 | ラインフィルタの主要素子 |
| ケーブル出口 | 最も効果的な位置 |
差動ペアを持つケーブルには、ほぼ必ず入れる価値がある。
ケーブルの扱い——最重要
コモンモード放射の主犯はケーブルである。
| 対策 | 内容 |
|---|---|
| ケーブルは基板の 1 箇所にまとめる | 別々の場所から出ると、基板が「ダイポールの中心」になって最悪 |
| コネクタ部で GND をしっかり落とす | シェルを GND プレーンに多点接続 |
| コモンモードチョークをコネクタ直近に | 遠いと、その間の配線がアンテナになる |
| Y コンデンサ（GND-筐体間） | 高周波を筐体に逃がす。安全規格品を使う |
| シールドケーブル | シールドを 360° で 落とす。ピグテール（1 点接続）は高周波で効かない |
| 未使用線を GND に落とす | 浮いた線がアンテナになる |
「ピグテール」がなぜ駄目か.
シールドを細い線でまとめて 1 点に落とすと、 その細い線が 数十 nH のインダクタンスを持つ。
100 MHz で \(Z = 2\pi f L = 2\pi \times 10^8 \times 30\times10^{-9} = 19\ \Omega\)。
シールドの意味がなくなる。 コネクタのシェル全周で落とすこと。
シールド
| 効果 | 内容 |
|---|---|
| 電界シールド | 導体で囲えばよい。薄くても効く |
| 磁界シールド | 低周波では高透磁率材料（パーマロイ）が要る。難しい |
| 隙間が命 | 開口の最大寸法が波長の 1/20 を超えると漏れる |
\(\lambda/20\) の目安:
| 周波数 | 波長 | 許容開口 |
|---|---|---|
| 100 MHz | 3 m | 15 cm |
| 500 MHz | 60 cm | 3 cm |
| 1 GHz | 30 cm | 1.5 cm |
| 3 GHz | 10 cm | 0.5 cm |
ケーブルが貫通していると、シールドの効果はほぼ失われる （ケーブルがノイズを外に運び出す）。 貫通部でフィルタするか、シールドをケーブルのシールドに繋ぐ必要がある。
放射エミッションの要因を見る
ループ面積・立ち上がり時間・周波数・ケーブル長を変えて、 放射レベルがどう変わるかを見る。限度値との関係も表示する。
4. イミュニティ対策
ESD
最も身近で、最も壊れやすい。
| 侵入経路 | 対策 |
|---|---|
| コネクタのピン | TVS をコネクタ直近に（16 章） |
| 押しボタン・タッチ部 | TVS + 直列抵抗、ガードリング |
| 筐体の隙間 | 沿面距離、放電経路を制御して GND に逃がす |
| 基板端 | GND ガードリング、部品を端から離す |
ESD 対策の考え方: 「止める」のではなく「逃がす」.
ESD は数 A のパルス（立ち上がり 1 ns 未満）である。止められない。
意図した経路（TVS → GND → 筐体）で流す。 意図しない経路（IC の中）を通らせないようにする。
1 ns の立ち上がりに対しては、配線 1 cm（10 nH）でも数 V〜数十 V の 電圧が発生する。だから TVS は放電点に極めて近く、 GND への経路を最短にする必要がある。
| ESD で誤動作する場合の対策 | 内容 |
|---|---|
| リセットピンの保護 | NRST に 100 nF + プルアップ。ノイズで意図せずリセットされる |
| 水晶の保護 | ガードリング。発振が止まると復帰しない |
| ソフトの堅牢化 | ウォッチドッグ、レジスタの定期再設定、状態の妥当性検査 |
| I2C バスハング対策（20 章） | 実装しておく |
EFT / バースト
電源線や信号線に、ns 幅のパルス列を注入する試験。
| 対策 | 内容 |
|---|---|
| 電源入力に X/Y コンデンサ + コモンモードチョーク | |
| 信号線に RC / フェライト | |
| ケーブル出口でのフィルタ | |
| ウォッチドッグ | 誤動作からの復帰 |
放射イミュニティ（RS）
外部から 3〜10 V/m の電磁波を当てられる。
| 弱点 | 対策 |
|---|---|
| 高インピーダンスのアナログ入力 | RC フィルタ、シールド、配線短縮 |
| 長いケーブル | コモンモードチョーク、シールド |
| オペアンプの整流検波 | 入力に RC フィルタ。RF がオペアンプの入力段で整流されてオフセットになる |
| リセット・割り込みピン | フィルタ |
オペアンプの RF 整流——気づきにくい故障モード.
オペアンプの入力段のトランジスタは非線形（06 章の指数関数）。 RF が入ると整流されて DC オフセットに化ける。
「RF を当てるとセンサの読み値が数 % ずれる」という形で現れ、 波形を見ても何も起きていないように見える。
対策: 入力に 数百 Ω + 数百 pF の RC、 または RF イミュニティを謳ったオペアンプ（EMI 耐性強化（EMI-hardened）品）を使う。
5. トラブルシューティング
放射エミッションで落ちたとき
手順:
- どの周波数かを特定する
- 周波数から発生源を推定する
| 周波数 | 疑うもの |
|---|---|
| 数百 kHz〜数 MHz とその高調波 | DC-DC のスイッチング |
| 水晶／クロックの周波数とその奇数倍 | クロック配線、クロック出力 |
| 8 MHz、16 MHz、48 MHz の倍数 | MCU のシステムクロック、USB |
| 数十 MHz の広帯域 | 高速信号のエッジ、リンギング |
| 特定の 1 本だけ鋭いピーク | 発振（09 章の意図しない発振） |
- ケーブルを外して測る → 改善するならコモンモード（ケーブル対策） → 改善しないなら基板からの直接放射（レイアウト、シールド）
- フェライトコアをケーブルにクリップして測る → 改善するならコモンモード確定
- 近傍界プローブで基板上を探す → どの部品・配線が出しているか
応急対策と恒久対策.
応急（試験場で） 恒久（設計に戻す） ケーブルにフェライトコア コモンモードチョークを基板に 銅テープでシールド 筐体設計、GND 強化 クロックを下げる 必要なクロックの見直し ダンピング抵抗を追加 最初から入れる コンデンサを追加 レイアウト改善 応急対策で通しても、次のロットで再発する。 原因を特定して設計に反映すること。
イミュニティで落ちたとき
- どの試験・どのレベル・どのピンで落ちるかを特定
- 落ち方を分類する
| 落ち方 | 意味 |
|---|---|
| リセットする | 電源またはリセットピン |
| ハングする | バスハング（I2C）、ソフトの状態異常 |
| 値が狂う | アナログ経路、ADC、通信のビット化け |
| 壊れる | ESD/サージ経路の保護不足。最も重大 |
- 注入点から侵入経路を追う
- フィルタと保護を追加、またはソフトで復帰できるようにする
6. 設計段階のチェックリスト
| # | 項目 | 章 |
|---|---|---|
| 1 | GND プレーンが連続しているか | 23 |
| 2 | 高速信号がプレーンの切れ目を跨いでいないか | 23 |
| 3 | ケーブルは基板の 1 箇所から出ているか | 24 |
| 4 | コネクタのシェルが GND に多点接続されているか | 24 |
| 5 | 差動ケーブルにコモンモードチョークがあるか | 24 |
| 6 | 外部コネクタの各線に TVS があるか | 16 |
| 7 | GPIO のスルーレートは必要最小か | 19 |
| 8 | クロック信号にダンピング抵抗があるか | 23 |
| 9 | 水晶周りが最短・ガードされているか | 09 |
| 10 | DC-DC のホットループが最小か | 15 |
| 11 | デカップリングが IC 直近にあるか | 16 |
| 12 | アナログ入力に RC フィルタがあるか | 17 |
| 13 | リセットピンにフィルタがあるか | 24 |
| 14 | ウォッチドッグが有効か | — |
| 15 | I2C バスハングからの復帰があるか | 20 |
| 16 | 対策部品の place holder（未実装パッド）を置いたか | — |
16 番の実務的な価値.
基板を作るとき、必要ないかもしれない対策部品のパッドを あらかじめ置いておく（0 Ω で短絡しておく）。
- フェライトビーズ用（0 Ω 実装）
- ダンピング抵抗用（0 Ω 実装）
- コンデンサ用（未実装）
- コモンモードチョーク用（0 Ω × 2 実装）
EMC 試験で落ちたとき、基板を作り直さずに対策できる。 部品代はほぼゼロ、効果は絶大である。
まとめ
| ポイント | 内容 |
|---|---|
| EMC の 4 象限 | エミッション／イミュニティ × 伝導／放射 |
| ディファレンシャル放射 | \(E \propto I A f^2\)。ループ面積を半分にすれば 6 dB 下がる |
| コモンモード放射 | \(E \propto I_{CM} L f\)。µA レベルで限度値を超える。放射で落ちる主因 |
| 元凶 | GND の電位が揺れること。それがケーブルに伝わる |
| 対策の優先順 | ループ面積 → \(t_r\) → 不要な信号を作らない → ケーブル → フィルタ → シールド |
| \(t_r\) の効果 | 折れ点が \(1/(\pi t_r)\)。1 ns → 10 ns で 20〜30 dB 改善 |
| フェライトビーズ | 後段の C と共振してノイズが増えることがある。抵抗でダンプ |
| コモンモードチョーク | 差動は通し、コモンだけ止める。差動ケーブルには必ず検討 |
| ケーブル | 1 箇所から出す。シェルを多点接続。ピグテールは無効 |
| シールド | 開口が \(\lambda/20\) を超えると漏れる。貫通ケーブルで効果が消える |
| ESD | 止めずに逃がす。TVS はコネクタ直近、GND 経路最短 |
| RF 整流 | オペアンプの入力で RF が DC オフセットに化ける。入力 RC が必須 |
| 切り分け | ケーブルを外して改善するか → コモンモードかどうかが分かる |
| 設計の保険 | 対策部品のパッドを 0 Ω で置いておく |
次章では、これらの問題を実際に測って見つける方法を扱う。 測り方を間違えると、ないノイズが見える。