高信頼性アプリケーション向けのEMIフィルタリング
アマンダ・アイソン
電磁干渉 (EMI) または電気ノイズは、携帯電話から太陽フレアに至るまであらゆるものによって発生し、正確な信号伝送を困難にする可能性があり、騒がしい部屋で明確な会話をしようとするのと同じくらい困難になります。電子回路の信号の明瞭さを改善するために、デバイス設計者は EMI 抑制フィルターに注目します。
効果的な EMI フィルタリングは、独自の EMI を生成するデバイスや環境内で EMI に敏感なデバイスを含む、ほとんどすべての現代の電子デバイスに必要であり、低電力信号を利用し、高信頼性のアプリケーションで特に重要です。厳格な信号忠実度の要求。高信頼性 EMI フィルタは、パフォーマンス要件を常に満たすか上回るように設計されており、故障のコストが高いあらゆる業界にとって非常に重要です。たとえば、多くの医療、軍事、防衛アプリケーションは、患者や兵士の安全を確保したり任務を成功させるために必要な信号の正確な送受信を行うために、信頼性の高いフィルターに依存しています。高信頼性フィルタは、ノイズの多い環境での低電力信号に対する感度が要件となる計測器などの多くの商用アプリケーションでも重要な役割を果たします。
図1： EMI フィルタリングの基本概念。
フィルタリングのプロパティ
EMI フィルタの主な目的は、特定の信号の選択された周波数の送信を抑制することです。ほとんどの場合、不要な高周波ノイズをブロックしながら低周波信号を通過させる単純なローパス フィルターで十分です。カットオフ周波数は、フィルターが信号の一部を減衰し始める周波数であり、通常、信号振幅が公称通過帯域値より 3 デシベル (dB) 低い点として定義されます。フィルターのキャパシタンスとインダクタンスの値は、目的のカットオフ周波数と周波数応答を達成するために慎重に選択されます。
挿入損失値は、送信信号の強度に対する挿入信号の強度の比を指し、通常はデシベルで表され、フィルタの有効性の主要な特性です。対象となる周波数範囲の理想的な挿入損失は 0dB で、他のすべての周波数では無限大です。ただし、フィルタは複雑なデバイスであり、寄生インダクタンス、寄生容量、部品の共振、回路の共振などの外部影響を受け、理想的な性能を実現できません。フィルターが設計および製造されると、ユーザーは広範囲の周波数にわたってその挿入損失を分析し、その性能エンベロープを正確に把握できます。
フィルタの効率に影響を与えるその他の特性には、等価直列抵抗 (ESR)、散逸率 (DF)、および Q 係数が含まれます。 ESR が低いということは、フィルターが適切に設計されており、動作中に多くのエネルギーを消費しないことを示しています。フィルタリングされたコンデンサの ESR とリアクタンスの両方を考慮する Low DF は、その逆であるため、別の 1 つです。Q 係数は、一部の業界でフィルタの品質を示すためにも使用されます。
回路の選択
EMI フィルタリングには、単一の接地コンデンサから最大 3 つの要素を含む回路まで、いくつかの異なる回路構成が使用されます。理想的な選択は、デバイスのインピーダンスなど、フィルターが使用されるデバイスの固有の特性や特性によって異なります。
表1： EMIフィルタ回路選択オプション。
図2： 平衡50Ωの全負荷での複数のフィルタ構成の挿入損失対周波数
コンポーネントと回路の共振を考慮したシステム。
電圧定格
効果的なフィルタリングを行うには、EMI フィルタの性能をコンデンサの性能と一致させる必要があります。セラミック誘電体の非常に薄い層を使用して導電層を互いに分離し、電気の自由な流れを防ぐセラミック コンデンサは、1,600VDC を超える電圧に耐えるように設計できます。したがって、フィルタの設計者は、各コンデンサの固有の性能要件に最も適した適切な誘電体材料と寸法を選択する必要があります。
フィルタは、各回路の AC または DC 電圧条件に合わせて設計およびテストする必要もあります。 DC フィルタの定格は AC フィルタの定格と同じではないため、フィルタが高 DC 電圧に耐えられるかどうかは、必ずしも高 AC 電圧にさらされたときの性能を予測するものではなく、またその逆も同様です。たとえば、AC 定格のフィルタは、無効電流加熱による過熱や損傷を防ぐために静電容量値が低いことがよくありますが、植込み型除細動器で採用されているような、短く不規則な電圧のバーストが発生することが予想される DC 定格のフィルタは、コンデンサの完全性を確認するためにパルス電圧テストを受けてください。
適切に設計されたフィルタは、適切な電圧に耐えられるだけでなく、コンデンサの漏れ電流にも耐えます。この電気の流れを完全に防ぐコンデンサを構築することは不可能ですが、フィルタの設計者は適切な材料を選択することで漏れ電流を軽減し、デバイスの性能への影響を最小限に抑えることができます。
複数のフィルターされたライン
複雑な電子デバイスでは、多くの場合、複数の信号線または電力線でのフィルタリングが必要になります。それらを相互に絶縁する 1 つの方法は、複数のフィルタを内蔵し共通アースとして機能する特殊な金属フェルールを使用し、ピンを絶縁したままケースを接続することです。
単一の EMI フィードスルー フィルタは通常、円盤状と呼ばれるドーナツ型のコンデンサとして構成され、その内径と外径がケースとリード線の接続点として機能し、コンデンサの極として機能します。スペースが重要な用途では、複数の円盤状コンデンサをコンデンサ アレイと呼ばれる単一のセラミックに統合し、デバイス統合用のフィードスルーに取り付けることができます。これらのタイプのフィルター付きフィードスルー アセンブリは、最小の物理体積で最高濃度のフィルターを提供し、高密度と最小体積が真の競争上の優位性をもたらす埋め込み型医療機器や、商用および軍用コネクタのフィルタリングによく使用されます。
経験豊富なフィルタ メーカーは、完全にテストされ組み立てられたフィードスルーおよびコンデンサ アレイをカスタムの形状とサイズで開発して、より困難なデバイス設計へのシームレスなシングルステップ統合を促進して、コンポーネントの損傷や取り付けエラーの可能性を減らすこともできます。アレイに統合できるコンデンサの数に厳密な制限はありませんが、量が増えるとコストが増加します。
システムの統合とインストール
特定の用途に合わせて、さまざまなケース サイズとリード長をご用意しています。たとえば、スペースや重量に制限がある用途には小型フィルターが利用でき、既存のケース サイズが理想的に適合しない場合にはカスタム設計も利用できます。一部のシステムでは、フィルタが湿気やその他の汚染物質に対して堅牢な耐性を示すこと、ガスの漏れを防ぐ気密シールの採用、またはセラミックの加熱に伴う通常の絶縁抵抗の低下などの環境変数を考慮することも必要です。慎重に材料を選択し、設置方法を選択することで、これらの特性を実現し、コンポーネントの寿命にわたる性能低下を防ぐことができます。
最適なパフォーマンスを得るには、フィルタは十分に接地された導電性エンクロージャなどの EMI シールドに取り付ける必要がありますが、デバイス設計者はさまざまな取り付けオプションから選択できます。はんだ付けは最もコンパクトなオプションの 1 つで、最終アセンブリにはんだ付けされる際の熱に耐えるように設計されており、優れたレベルの気密性も提供できます。その他のオプションとしては、ネジ山があり、六角形の頭を持つボルト型フィルターなどがあります。円筒形フィルタ。内部容積が最も大きく、Pi フィルタや T フィルタなどの複雑な回路を 1 つのパッケージに収容できます。そしてネジ式フィルター。すべてのフィルター スタイルには、ガスの放出を防ぐためにコンポーネントの両端を気密シールするオプションがあります。
設置中および設置後のフィルターの完全性を保護するために、追加の措置を講じることもできます。たとえば、はんだ接合部を完全なはんだ付け温度にさらす前に予熱すると、不必要な熱応力の印加を回避でき、フィルター ケースを優しく取り扱うと機械的変形を防ぐことができます。
テストと検査
フィルターのパフォーマンスがミッションクリティカルである場合、フィルターの選択は、関連する特性について 100% テストされたものに限定する必要があります。標準的な高信頼性部品は、フィルタの信頼性をさらに確保するために、電気的および視覚的検査と追加のテストシーケンスを受けます。また、電気的、機械的、熱的試験の手順と結果について非常に具体的な要件を規定する US-MIL 規格もいくつかあります。ほとんどのセラミックは亀裂が伝播する傾向が高いため、機械的不安定性の兆候があるセラミック部品は通常、早い段階で故障します。ストレステストを実施した信頼性の高いフィルターやコンデンサーにより、将来トラブルの原因となる不良部品を排除しています。
AVX Corporation は、多数のアプリケーションに必要な信頼性を提供するために、いくつかの異なるレベルのテストを提供しています。 R レベルのテストは、標準的な商用テストよりも厳格で、ストレス下でのフィルターの性能をシミュレートするために設計されたさまざまなテストが含まれます。 B クラスおよび S クラスのテストには、X 線検査 (部品の内部構造を非破壊的に検査するために X 線で画像化するプロセス) など、R レベルよりも包括的なテストが含まれます。グループ A とグループ B は、ロット内の異なるテスト レベルを指します。グループ A テストは、生産されたすべてのロットに対して実行され、100% の部品に対して実行されるテストと、サンプルに対してのみ実行されるテストが含まれます。グループ B 試験は通常、サンプルに対して実行され、広範な寿命試験が含まれます。宇宙レベルの部品、またはグループ B テストによる S クラスの部品は、EMI フィルタで達成可能な最高の信頼性レベルの XNUMX つを表します。
表2： AVX の R レベル テスト手順では、すべての部品が示されている順序でこれらのテストを受けます。
R レベル スクリーニングの概要データは顧客と共有され、検証は製品の出荷に含まれます。
表3： AVX の MIL-PRF-28861 認証のグループ A テスト シーケンス。これらのテストは次の場所で実行されます。
顧客がクラス S またはクラス B の信頼性を指定した場合は 100% ベースです。
実際のテスト手順はフィルターのメーカーや特殊なデバイスの要件によって若干異なる場合がありますが、多くの場合、MIL-PRF-28861、MIL-PRF-31033、MIL-STD-202、MIL-STD-220、およびその他の仕様に概説されているテストが含まれます。 。経験豊富なフィルターメーカーが、各用途に最適なテスト計画を特定し、実行します。
コストと製造上の考慮事項
回路の複雑さ、電圧と電流の定格、サイズ、温度抵抗などのフィルターの仕様、さらに望ましい信頼性レベルとそれを達成するために必要なテストの量はすべて、フィルターのコストにさまざまな程度の影響を与えます。これらの要素の多くはデバイス レベルの要件によって決まりますが、経験豊富なメーカーがフィルタ機能に大きな影響を与えることなくコストを削減できるフィルタ設計の側面もいくつかあります。高品質の製品を妥当なコストで作成できるようにするために、コストとパフォーマンスのトレードオフについては設計段階で徹底的に議論する必要があります。
材料のオプションが異なると価格と機能が大きく異なる可能性があるため、適切な材料の選択はコストの重要な要素です。たとえば、リード線やコンデンサの終端に白金ではなくパラジウムを使用すると、材料コストを大幅に削減できますが、設置がより困難になる可能性があります。特定のリード構成とアレイ密度によってもコストが上昇する可能性があります。最適な選択を行うためには、厚さや形状などのコンデンサの寸法を考慮し、組立プロセス環境をよく理解することが重要です。特定の材料オプションが特定の取り付け方法に最適であるため、リード線をはんだ付け、溶接、またはその他の方法で最終デバイスに挿入するかどうかなどの変数が材料の選択に影響を与える可能性があります。場合によっては、デバイス設計者は、より高価で複雑なフィルタ設計を価値あるものにする、設置の簡素化または最適化による大幅なコスト削減の可能性など、フィルタ設計者が得られない洞察を持っていることもあります。
図5： 医療用フィルタ付きフィードスルーの断面図。コンデンサ、リード線、アクティブおよび
地面のジョイントを矢印で示します。
さらに、コンデンサ設計への一見小さな変更が、製造およびデバイス設計プロセスに多大な悪影響を与える可能性があります。たとえば、静電容量のわずかな変化により、コンデンサの完全な再設計が必要になる場合があります。多くのデバイスには完全なカスタム フィルタを必要とする独自の要件がありますが、一部の新しいデバイスでは既存のテンプレートを利用してリード タイムを短縮し、初期量の認定および部品あたりのコストを削減できます。
商用フィルター
市販のフィルターおよびデバイスの規制は、販売される国によって異なる場合があります。たとえば、一部の国では電子機器内の有害物質の濃度を制限し、製造業者に RoHS または同様の基準に準拠するよう要求する場合があります。経験豊富なフィルタ設計者はこれらの要件を熟知しており、はんだの代わりに導電性ポリイミドを使用したり、カドミウムフリーの端子を使用したりするなど、さまざまなオプションについて顧客と話し合うことができます。
電磁放射の放出に関する規則や規制によっても、フィルターの使用を決定することができます。フィルタは、有害な EMI をデバイスから遮断するだけでなく、EMI が漏れて近くにある他の敏感な機器に干渉するのを防ぐこともできます。ほぼすべての国には、デバイスが生成する可能性のある EMI の承認された種類と量を決定する規制があります。
ISO 9001 登録などの認定は、サプライヤーが倫理的な製造慣行に従うことを保証するのに役立ちます。このような種類の品質基準に加えて、多くの国や企業ではサプライヤーの倫理的な選択に関する規制も設けています。倫理フィルターのサプライヤーは、事業を展開する国のすべての労働規制に加え、2015 年現代奴隷法、SA8000、EICC 行動規範、ILO 18000 などのより大きな国際規制にも準拠しています。
航空宇宙および防衛フィルター
航空宇宙および防衛企業向けの製品の製造では、デバイスのパフォーマンス、製造、テストのほぼすべての側面を管理する厳格な規則と規制に準拠する必要があります。防衛企業は多くの場合、サプライヤーの選択と監査の方法に関して厳格な規制に従わなければなりません。特定の米国軍事規格および/または部品を販売するために満たさなければならない他の国の要件に対する認定を受けたサプライヤーの特定のリストが存在する場合があります。たとえば、米国は企業に対し、輸出管理規則 (EAR) や国際武器流通規則 (ITAR) など、該当する輸出コンプライアンス規制を遵守することを義務付けています。航空宇宙および防衛のサプライヤーは、製造している製品のセキュリティと機密性、および製品の使用目的やユーザーに関する情報に関する特定の規制にも従わなければなりません。 AVX は、米国国防総省の一部であるコロンバス防衛供給センターの認定製品リスト (QPL) に含まれています。
医療機器フィルター
医療機器技術は近年、驚くべきペースで進歩しており、機器はますます小型化、複雑化し、場合によっては患者にとって負担がさらに小さくなりました。私たちが住んでいる世界はますますつながっているため、これらのデバイスやその他の機密性の高いデバイスは、環境からの電磁干渉のレベルが増大しています。フィルタリングされていない医療機器は、さまざまな EMI 源から有害な干渉を受ける危険があります。高レベルの精度と信頼性を維持するために、多くの医療機器は EMI フィルターを使用してノイズを最小限に抑え、信号の忠実度を維持しています。医療機器のフィルターには最も厳しい空間要件があることが多いため、一般的にフィルター付きフィードスルー アレイまたは小型円盤状コンデンサーが使用され、少量のパッケージングで高密度の性能を実現します。
埋め込み型医療機器の大部分はバッテリー駆動であるため、機器の寿命を延ばすためにはフィルターの電力を最小限に抑えることが重要です。等価直列抵抗 (ESR) または散逸率 (DF) を測定して最小化すると、不必要なバッテリーの消耗を最小限に抑えることができ、高い絶縁抵抗 (IR) はコンデンサの漏れ電流を最小限に抑えることができます。最新の埋め込み型医療機器は通常、10 年以上持続するように設計された再充電不可能な一次電池を使用します。しかし、信頼性の高いインプラントバッテリー技術は、これらのデバイスに使用される他の多くの電子機器の小型化に追いついていないため、目標とするバッテリーとデバイスの期待寿命を達成するには、電力消費を最小限に抑えることが重要です。
初期のペースメーカーやその他の埋め込み型デバイスは、大量の EMI がデバイスの機能に与える影響のため、磁気共鳴画像スキャン (MRI) と互換性がありませんでした。幸いなことに、多くの埋め込み型デバイスはその後、一定レベルの MRI 曝露に安全に耐えられるまで改良されました。医療機器の設計者が自社の機器が MRI と互換性があることを確認する方法とそのテスト方法は各企業が独自に定めることができますが、常にさまざまな種類のフィルターが必要です。そのため、医療機器業界に供給しているフィルターのメーカーは、これらの試験手順とその後の MRI 曝露がリードの取り付け方法、内部または外部の接地の使用法、その他の特性にどのような影響を与える可能性があるかを慎重に検討する必要があります。
より優れた機能に対する要件に加えて、いくつかの世界的な規制機関は、患者の安全をさらに確保するために、設計から監査、文書化に至るまで、医療機器メーカーとそのサプライヤーに厳しい規制を課しています。そのため、医療機器の設計者は、規制遵守の実績があり、信頼できる製品を備えたフィルターメーカーを選択することが重要です。医療機器の設計者は、可能であれば既存のフィルタ設計を利用することで、埋め込み型機器の認定にかかる時間とコストを節約できるという利点もあります。
最適なフィルター設計は必然的に共同作業のプロセスとなります。 EMI フィルタは、設計対象となるデバイスの設計に多大な影響を及ぼし、同様に影響を受けます。すべてに対応できる万能のソリューションはありません。ほとんどのフィルタは、特定の用途に合わせてカスタマイズまたは完全にカスタム設計されています。フィルタが新しい仕様に合わせて適切に変更されていない場合、動作電圧のわずかな増加など、フィルタの電気要件に対するわずかな変更でも、壊滅的な結果を招く可能性があります。 。したがって、デバイス設計者と EMI フィルタ設計者が協力して、新しい設計のあらゆる側面の要件と制限について明確にコミュニケーションすることが重要です。最適な最終結果に到達するには、静電容量、定格電圧、寸法、気密性、コストなどの要素のバランスを注意深く取る必要があります。
一般に、高信頼性電子デバイス、特に要求の厳しい航空宇宙、医療、防衛市場で使用される電子デバイスに対する厳しい要件により、ますます複雑な EMI フィルタリングの必要性が生じています。この記事で説明した設計上の考慮事項の詳細な説明と、個々のデバイスに固有の性能要件の慎重な検討を通じて、デバイス設計者と EMI フィルタ設計者は協力して、可能な限り最高の信頼性レベルを達成できます。
