解析事例電磁界解析を活用した基板と筺体のEMI抑制設計 1 はじめに昨今、電子機器に関して E M C （ E l e c t r o m a g netic Comp a t i b i l i t y ）と呼ばれるノイズの問題が多く発生しています。 E M C とは電磁環境両立性を意味し、電子機器が発するノイズに対する 2 つの考え、 E MI と EMS から成り立ちます。 EMI（Electro Magnetic Interference：エミッション）とは、対象となる電子機器から「放出されるノイズ」で、これを抑制する対策が必要となります。また、ノイズの伝搬形態により、空間を不要電磁波として伝搬する放射エミッションと、基板配線などを通じて信号と一緒に伝搬する伝導エミッションの2種類に分けられます。なお、伝導ノイズが要因となり放射ノイズが発生するケースもあります。 EMS （Electro Magnetic Susceptibility：イミュニティ）とは、対象となる電子機器が「外部から受けるノイズ」で、この耐性を高める対策が必要となります。EMIと同様にノイズの伝搬形態により、放射イミュニティと伝導イミュニティに分けられます。EMSの中では、ESD（Electrostatic Discharge）と呼ばれる静電気放電が代表的です。 Mechanical CAE NEWS Vol.22 これらノイズは、電子機器の動作はもちろん人体にも影響を及ぼします。そのためCISPRやVCCIといった国際規膨大な工数を要するため、納期遅延になりかねません。そこで、設計現場では実機の検討前にEMIを検証し、対策格や各国の団体規格により許容されるノイズレベルが定め案を盛り込むことが欠かせません。ANSYS社の電磁界解られており、製品を市場に投入するためには、これらの規析ツールであるHFSSは、電磁界の振る舞いを可視化する格を満足する必要があります。ことにより、設計段階におけるEMI抑制設計に貢献します。 2 EMI抑制設計の必要性 3 ANSYS HFSSによる電磁界解析セットメーカーにとって特に課題となっているのが、対象 ●解析概要の電子機器が放出するノイズ、つまりEMIの問題です。EMI 過去機種の経験等からノイズの発生源（励振源）、伝搬経は基板、ケーブル、筐体とセット全体を駆動させて初めて問路、放射箇所となり得る構造を精査し解析モデルを作成し題が表面化することも多いため、実機での検証段階でその場ます。具体的には、高速動作する基板配線、フレキシブルしのぎの対策が施されるケースも珍しくありません。ケーブル、ヒートシンクや筺体、外部機器に接続するケー CISPR 、VCCI等のEMC規格を満たすためには多数の対ブルなどがEMIが懸念される構造として挙げられます。こ策部品が必要となり、コストアップはもちろん、回路天板（金属）フレキケーブル動作や筐体デザイ～基板1 ンに影響を及ぼす可能性があります。基板2 ～外部機器接続ケーブル天板とシャーシ間すきまありシャーシ（金属）スリットまた、実機のカットアンドトライは図1　セット概略図と解析モデル 29 http://www.cybernet.co.jp/mcae/ 解析事例れらの構造に対し、対象となるEMC規格に準拠した周波数 2層化による、天板とフレキシブルケーブル間にシールドブルのGNDラインを伝わる電流がセット内に戻る経路を範囲や過去機種等で問題が発生した周波数範囲にて電磁界を挿入することが有効な対策と考えられます（図6）。確保する対策が有効と考えられます（図7）。解析を実行します。 952MHzでは、天板とシャーシのすきまからノイズが 276MHzでは、コネクタ周辺のノイズレベルが高く、放射している現象が見られます（図5）。ビスの間隔により外部接続ケーブルからノイズが放射していることがわかり共振が発生していると推測されるため、基板とシャーシ、解析結果から遠方界の電界強度スペクトラム（図2）を確ます（図4）。コネクタと天板の間にある、開口部の電位差シャーシと基板のビス接続を追加し共振周波数をシフトさ認しノイズレベルが特に高い周波数（ピーク周波数）を選定が高いことが要因と推測されます。コネクタと天板、コネせる対策が有効と考えられます。（図8）します。各ピーク周波数の近傍界分布よりノイズの広がる様クタと基板、基板とシャーシ間のGND接続を追加し、ケー ●解析結果と対策案検討子を確認し、ノイズレベルを低減する対策案を検討します。 772MHzでは、励振源の基板配線ともう一方の基板に伝送するフレキシブルケーブルから天板にノイズが伝搬している現象が見られ（図3）、天板との容量結合が推測されます。従って基板配線の内層化とフレキシブルケーブルの 772MHｚ 952MHｚ 276MHｚ図3　電界分布＠772MHz 図4　電界分布＠276MHz 外部機器接続ケーブル天板図5　電界分布＠952MHz 天板天板距離確保基板1 基板2 コネクタ基板1 フレキケーブル図2　3m遠方界電界強度スペクトラム Mechanical CAE NEWS Vol.22 図6　フレキシブルケーブル周辺の対策案 30 シャーシ基板2 基板2 シャーシ図7　外部接続コネクタ周辺の対策案図8　筺体の対策案 http://www.cybernet.co.jp/mcae/ 解析事例ない方法に具現化します。例えば下記の案が考えらます。 4 対策案の効果確認上記の対策を盛り込んだモデルの電磁界解析を実行します。遠方界の電界強度スペクトラム（図9）を確認すると、ピーク周波数だけでなく全周波数帯のフロアレベルが低減 ● ● 分布もノイズレベルが大幅に改善されています（図10 ～ 12）。よって、初期の解析結果から導いた対策案はEMIの抑制に非常に有効と言えます。なお772MHzのピーク周波数が残りますが、これはフレキシブルケーブル長による共振と考えらます。高速動作する基板配線の内層化やフィルタ等の受動部質の向上はもちろんのこと、実機検討の工数削減と対策部品の挿入。品のコスト削減、開発期間の短縮に大きく貢献します。シールド構造のフレキシブルケーブルに変更。または、フレキシブルケーブルの配線経路を天板に近しています。各ピーク周波数におけるセット近傍の電界 ● 策案を導くことができます。これらは、電子機器の設計品お問い合わせ接しないように変更。メカニカルCAE事業部　営業部基板とシャーシ、シャーシと天板間の接続をビスやコ http://www.cybernet.co.jp/ansys/ E-mail: [email protected] お問い合わせンタクト部品等により追加。 ● シャーシに固定するタイプのコネクタに変更。 5 おわりに ANSYS HFSSによる電磁界解析は、EMCサイトで測 ●回路・基板・筺体設計へのフィードバック EMIの抑制効果が得られた対策案を回路・基板・筐体設計にフィードバックし、回路動作や筐体デザインに影響が 772MHｚ定するような遠方界の電界強度スペクトラムを確認することができ、実機で問題となる周波数を予測することができます。また、ノイズの広がりを可視化することにより、対 952MHｚ 276MHｚ図9　対策盛り込み後の3m遠方界電界強度スペクトラム Mechanical CAE NEWS Vol.22 図10　対策盛り込み後の電界分布＠276MHz 図11　対策盛り込み後の電界分布＠772MHz 31 図12　対策盛り込み後の電界分布＠952MHz http://www.cybernet.co.jp/mcae/