PCBのEMI、EMS、EMC：定義と設計のヒント

PCB設計において、EMC（電磁両立性）とは、過剰な干渉を発せず、かつ周囲環境から過度に影響を受けない基板を実現することです。EMI（電磁干渉）とは、その不要な干渉そのものを指し、EMS（電磁両立性）とは、外部からの干渉に対する基板の感受性を指します。EMCを実現するには、主にレイアウトの問題、すなわち、しっかりとしたグランドプレーン、小さな電流ループ、連続したリターンパス、適切なデカップリング、そして適切なフィルタリングが重要です。このガイドでは、これら3つの用語を分かりやすく解説し、干渉の発生源を説明し、製品の互換性と規格への準拠を維持するためのPCB設計手法とテスト方法を概説します。

EMI、EMS、EMC：定義と相違点

これら3つの用語は関連しているものの、それぞれ異なるものであり、混同すると要件が混乱する原因となる。

簡単に言うと、EMC（電磁両立性）は、基板が電磁干渉（EMI）をほとんど発生させず、かつ周囲のEMIにも耐えられる（優れた耐性、低いEMS）場合に達成されます。電磁干渉を発生しないことと、周囲の影響を受けないこと、この2つの条件が両方とも満たされなければなりません。静かだが壊れやすい基板、あるいは頑丈だがノイズが多い基板は、電磁両立性を満たしていません。

プリント基板上のEMIの原因は何ですか？

干渉は電流と電圧の変化によって発生するため、最も速く、最も鋭い信号が最大の干渉源となる。

• 高速スイッチングエッジ。 急激な電圧および電流の変化には、放射される高周波エネルギーが含まれている。
• 電流ループ。 電流のループはすべてアンテナとして機能します。ループが大きいほど、放射する信号も受信する信号も大きくなります。
• 時計と倍音。 周期的なクロック信号は、クロック周波数とその高調波において強いエネルギーを生み出す。
• スイッチング電源。 スイッチングレギュレータは、放射ノイズと伝導ノイズの両方において、局所的に大きなノイズ源となる。

繰り返し出てくるテーマは電流ループです。放射や電磁波感受性の問題のほとんどはループ面積に起因します。ループが小さいと、送信性能も干渉受信性能も低下します。そのため、EMC設計の多くは、帰還電流の流れを制御することに重点が置かれており、これは高速設計においても共通する課題です。

放射と耐性：EMCの2つの側面

コンプライアンスには二つの側面があり、設計においてはその両方に対応しなければならない。

排出量

放出とは、製品から発せられる電磁干渉（EMI）のことで、放射放出（空間を通して放出される電磁干渉）と伝導放出（ケーブルや送電線に沿って放出される電磁干渉）として測定されます。規制では、製品が放出できる電磁干渉の量を制限し、他の機器に悪影響を与えないようにしています。

免疫

耐性とは、その裏返しです。製品は、静電気放電、高速過渡現象、放射電界などの外部妨害にさらされても、正常に動作し続けなければなりません。優れた耐性とは、感受性が低いことを意味します。ソリッドグランドや小型ループなど、多くのレイアウト上の選択肢は、放射と耐性の両方を同時に改善するため、EMC設計の基盤となるものであり、後付けの考慮事項ではありません。

EMIを低減するためのPCBレイアウト技術

EMCの勝敗は、ほとんどが盤上での勝負にかかっている。ごく少数のテクニックが、その勝敗の大部分を左右する。

スタックアップとリターンパスの役割

最も強力なツールは、各信号層の隣に連続した基準面を設けることです。これにより、帰還電流は信号の真下を可能な限り小さなループで直接流れます。この基準面を分割したり、信号をギャップを越えて配線したりすると、帰還電流は迂回を余儀なくされ、大きなループが形成されて放射が発生します。各ICの近くに配置されたデカップリングコンデンサも、電力供給ループに対して同様の役割を果たします。これらの選択は、PCB製造時に設定されるレイアウトとスタックアップに反映され、まさに設計レビューで検証される対象となります。

EMC設計におけるよくある間違い

EMC障害のほとんどは、いくつかの繰り返し発生するレイアウトエラーが原因であり、それぞれに明確な解決策が存在する。

注目すべきは、どの修正策も同じ基本原則に基づいているということです。すなわち、帰還電流を小さく連続したループに維持し、局所的にデカップリングを行い、シールドを適切に接地することです。レイアウト段階でこれらのミスを避けることは、コンプライアンス試験機関で放射能の測定結果を追い求めるよりもはるかにコスト効率が良いのです。

プリント基板のシールドとフィルタリング

レイアウトだけでは不十分な場合、シールドとフィルタリングによってさらに制御層を追加できます。

• ボードレベルのシールド。 騒音の多い場所や敏感な場所に設置された金属製の缶は、電磁場を遮断または封じ込める。
• フィルタリング。 入出力ラインおよび電源入力部のフィルタは、伝導ノイズの出入りを遮断します。
• インピーダンス制御と低損失材料。 クリーンでよく一致する信号は放射が少なく、 低損失基板 適切な 高周波材料 迅速な設計を支援します。

遮蔽はそれ自体が奥深いテーマですが、原理は単純です。除去できないエネルギーを封じ込め、本来の経路を遮断するのです。遮蔽とフィルターは優れたレイアウトを補完するものであり、レイアウトそのものに取って代わるものではありません。

EMC規格および適合性（FCC、CISPR、CE）

ほとんどの製品は販売前にEMC規制を満たす必要があり、適用される規格は市場と製品の種類によって異なります。

具体的な制限値や試験方法は様々ですが、基本的な構造は共通しています。つまり、放出する電磁波の上限値と、耐えなければならない最低限の妨害レベルが定められています。どの規格が適用されるかを早期に把握しておくことは設計に大きく影響します。なぜなら、適合性試験に不合格になった後にEMC対策を施すのは時間と費用がかかるからです。

EMC試験方法

適合性は試験によって証明され、それはEMCの両面を反映している。

• 放射性放出物。 製品が特定の周波数範囲にわたって宇宙空間に放射するエネルギーを測定します。
• 伝導性排出物。 製品が電源線と信号線に送り返すノイズを測定します。
• 免疫検査。 製品を静電気放電、高速過渡バースト、サージ、および放射電界にさらして、正常に動作し続けることを確認してください。

基板の不具合は、多くの場合、上記のような基本的な点に対処することで修正できます。具体的には、リターンパスの強化、デカップリングの追加、プレーンギャップの縮小、シールドやフィルタの取り付けなどです。設計段階でこれらの問題を特定する方が、テストに失敗した後に対処するよりもはるかにコスト効率が良いため、EMCは最終的なハードルではなく、設計段階における入力要素として扱うのが最適です。

EMC対策を施したPCBの設計方法

EMC規格に合格するための最も確実な方法は、最初のレイアウト決定段階からEMCを考慮した設計を行うことです。

• スタックアップを計画する つまり、すべての信号には隣接する連続した参照面が存在する。
• ループは小さく保つ クロック、スイッチングノード、および高速信号用。
• すべてのICを分離する 電源ピンの近くにコンデンサを配置する。
• ボードを分割する そのため、ノイズの多い部分（スイッチャー、無線機など）は、ノイズの少ない部分から分離されている。
• 入出力フィルタリングとシールドを計画する レイアウトが確定される前。

これらの決定は設計段階ではほとんどコストがかかりませんが、後から変更するには多大な費用がかかります。事前に決定しておけば、製造工程全体を通して、信頼性の高いPCBアセンブリと量産につながります。発熱量が多く、EMC要件も高い基板の場合は、メタルコアアセンブリなどの基板も考慮に入れる必要があります。

EMCとは、静音性と堅牢性を兼ね備えた基板を意味します。そのためには、ソリッドプレーンによる電流ループの制御、デカップリング、連続的な帰還経路、適切なシールドとフィルタリングを行い、放射および耐性試験で検証する必要があります。設計段階からEMC対策を講じることで、規格への準拠は自然と実現します。Highleap Electronicsおよび当社の製造・組立能力については、こちらをご覧ください。

よくある質問

EMI、EMS、EMCの違いは何ですか？

EMC（電磁両立性）は、機器が環境下で許容できない妨害を引き起こしたり受けたりすることなく動作することを目標とする総合的な目標です。EMIは機器が発する不要な干渉であり、EMSは外部干渉に対する機器の感受性です。互換性のある製品は、EMIの発散が少なく、かつ優れた耐性（低いEMS）を備えています。

プリント基板上のEMIの原因は何ですか？

電流と電圧の変化：高速スイッチングエッジ、クロック信号とその高調波、スイッチング電源、そして特にアンテナとして機能する電流ループ。ループが大きいほど、放射と受信の度合いが高くなります。ほとんどのEMI問題は、ループ面積と帰還電流経路の制御に帰着します。

最も重要なEMC設計技術は何ですか？

各信号層に隣接して連続した基準（接地）プレーンを設けることで、帰還電流は信号の真下を最小のループで流れるようにする。このプレーンを分割したり、ギャップを横切って配線したりすると、大きな帰還ループが発生し、放射が発生する。ソリッドプレーンと最小限のループ面積が、ほぼすべての要素の基盤となっている。

デカップリングコンデンサはEMC対策に役立ちますか？

はい。各ICの電源ピンの近くに配置されたデカップリング（バイパス）コンデンサは、過渡電流を局所的に供給し、電源供給ループを縮小して、本来であれば放射されるノイズを低減します。また、電源を安定化させ、放射ノイズと耐性を向上させます。ピンの近くに配置することが、コンデンサの値と同じくらい重要です。

EMC対策としてシールドは必須ですか、それともレイアウトだけで対応できますか？

適切なレイアウト、堅牢なプレーン、小さなループ、デカップリング、そして制御されたインピーダンスによって、シールドなしでも多くのEMC問題を解決できます。シールドとフィルタは、レイアウトだけでは不十分な場合、例えばノイズの多い無線セクションやI/Oラインなどにおいて、制御性を向上させます。これらは適切なレイアウトに取って代わるものではなく、それを補完するものです。

満たすべきEMC規格は何ですか？

適用規格は市場と製品によって異なります。米国ではFCC Part 15が放射エミッションを規制し、欧州ではEU EMC指令（CE）が放射エミッションと耐性を規定しています。CISPRは広く使用されている放射エミッション制限値を定め、IEC 61000シリーズは耐性試験を定義しています。設計に影響を与えるため、適用可能な規格を早期に特定することが重要です。

EMCはどのように検証されますか？

放射エミッションと伝導エミッションの両面をテストすることで、製品が放出する電磁波を測定し、イミュニティテストでは静電放電、高速過渡現象、サージ、放射電界などを適用して、製品が正常に動作し続けることを確認します。故障は通常、リターンパスの強化、デカップリングの追加、プレーンギャップの閉鎖、シールドやフィルタの追加によって修復されます。

グランドプレーンに隙間があると、なぜEMIが発生するのでしょうか？

帰還電流は本来、信号配線の真下を流れるはずですが、基準面のスロットや分割によってその経路が遮断され、電流はギャップを迂回せざるを得なくなります。この迂回によって大きな電流ループが形成され、効率的に電流が放射されるため、ノイズが拾われやすくなります。高速PCBレイアウトにおける重要な手法である、信号配線の下の基準面を連続させることで、この問題を回避できます。