スイッチング電源における ノイズの抑制対策

1 1

スイッチング電源における ノイズの抑制対策

2016

年

月

日 群馬大学 客員教授

落合政司

2 2

序章 スイッチング電源について

2.

スイッチング電源のノイズ発生源

2.1

メインスイッチの電圧

2.2

メインスイッチやダイオードによって発生する高周波の振動電圧

スイッチングトランスのリーケージフラックス

2.4

平滑コンデンサに生じるノイズ電圧やブリッジ整流ダイオードのノイズ

出力コンデンサに生じるノイズ電圧（リプル電圧）

＜第

章，第

章 演習問題＞

3.

^{伝導ノイズの対策方法}

3.1

共振形コンバータ

3.2

スナバーの効果的な利用

3.3

ソフトリカバリーダイオード及びショットキーバリアダイオード

フェライトビーズ（ビーズコア）や

形フィルターの活用

3.5

スイッチングトランスの静特性

スイッチングトランスのコアアース

プリント配線板の配線等

3.8

ラインフィルター回路

ホットエンドの浮遊容量

キャンセル法

＜第

章 演習問題＞

内容

3

4. 輻射ノイズの対策方法

4.1

基本的な対策

共振形コンバータ

4.3

メインスイッチへの並列コンデンサの追加

出力ダイオードへの並列コンデンサの追加

配線の短縮とシールド線・より線の利用

フェライトビーズ（ビーズコア）の活用

部品や匡体の電磁シールド

＜第

章 演習問題＞

5.

参考文献・図書

付録

ＥＭＣとは

付録

電子機器のＥＭＣ体系図 付録

の審議体制

付録4. EMC規格の種類と考え方

付録

に関する国際規格と各国の規格

付録

テレビに関する高周波

規格 付録

スイッチング電源の原理と設計 付録

対称波の高調波電圧

付録

スイッチングレギュレータの構成

内容

3

4

表0．１ シリーズレギュレータとスイッチング レギュレータの比較

序章：スイッチング電源について

シリーズレギュレータ スイッチングレギュレータ

効率 低い 30～80%程度 高い 85～97%程度

大きさ・重さ 大きい，重い 小型，軽い

部品点数 少ない 多い

安定度 良好 普通(シリーズレギュレータより劣ります)

変動率S 小さい シリーズレギュレータより大きい

ノイズ ない 大きい（放射ノイズ，伝導ノイズともに大きい）

出力電圧 入力電圧以下 入力電圧以上も可能

出力

インピーダンス

小さい シリーズレギュレータより大きい

出力リプル電圧 小（10mV以下） 大（大きさは出力電流と出力コンデンサのイン ピーダンスで違ってきます）

過渡応答速度 早い シリーズレギュレータより遅い(減衰時定数：降

圧形で200μs程度)

ワイドレンジ入力対応 困難 可能

信頼性 部品点数が少なく，高い 普通（部品点数が多い分シリーズレギュレータより劣る）

絶縁 困難(大きな電源トランスが必要になります) 容易

o i

o

E D

D E

S E



 



  ²

4 2

1

R h

R E

S E

fe i

o 



 

4 2

1

R h

r Z R

fe

 ^o

o o

o Z

R r D

E

Z Z 0.287

1

1 ²





 



 



 

交流電源の内部抵抗 :

0164 .

0 r

r Z 

5

+

i_B1

出力電圧 Eo 入力電圧

Ei

熱

I_O Q1

v_CE1

R₁

R₂ R₃

R₄

Q₂

v_BE2

V_Z D_Z

r

+

i_B1

出力電圧 Eo 入力電圧

Ei

熱

I_O Q1

v_CE1

R₁

R₂ R₃

R₄

Q₂

v_BE2

V_Z D_Z

r

時間 t

電圧V

出力電圧 Eo 入力電圧Ei

ここの部分はトランジスタの熱として捨てる。

この部分を負荷に供給する。

) 1 . 0 ( )

(

) (

o o i

o o o

i c

I E E

I E r I E P















・トランジスタの損失

図0.2 リシリーズレギュレータとその入出力電圧

序章：スイッチング電源について

6

tr t_f

Ton T_off

t

T

Q Q i v ,

Pr P_on P_f

IP

VQP

VQ

IP

PQ

0 t0

0

vQ

iQ

   

6

2 on rms

Q f

P QP r

P Q

on SW

Q

R i

t I V t

I f V

P P

P

 





 







・スイッチの損失

図0.3 リンギングチョーク形コンバータの出力トランジスタ損失

序章：スイッチング電源について

図

．

降圧形コンバータにおける出力電圧の変動率

  ^帰還量

・降圧形コンバータ

タの変動率

・シリーズレギュレー

: )

4 . 0 / (

1

) 3 . 0 ( 0164

. 11 0

200 36

2 2

4 2

1

 

 _{o o}

o o i

o

fe i

o

E D

D E

R Z D

D E

S E

k k R

h R E

S E

 



 



 

 



 

 

 

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

0 20 40 60 80 100 120

β=0.1 β=0.2

E_o(V)

S D 0.5

7 0164

.

 0 S

シリーズレギュレータ

序章：スイッチング電源について

Ei D C Ro EEoo

Q L

＋ I_o

スイッチのオン期間 一周期間，

時比率，

: :

, :

,

on

on

T T

T D T

D 

8

1 ．ノイズの種類と発生源

輻射ノイズ

ノイズ 伝導ノイズ ノーマルモードノイズ コモンモードノイズ ノーマルモードノイズ

コモンモードノイズ

・ノイズは伝搬経路によって伝導ノイズと輻射ノイズに分類できます。その内，伝導ノイズ は主に商用電源線を伝わって伝導するノイズを，輻射ノイズは空中に電磁波として放出 されるノイズをいいます。

・また，ノイズはノーマルモードノイズとコモンモードノイズに分けることでできます。伝導ノ イズの場合，大地アースを基準としたときの

両極間のノイズの差をノーマルモードノイ

ズ，加算された

両極のノイズをコモンモードノイズといいます。

図

ノイズの種類

9 V2

V1 Vb

Va

Vb Va

V₁

V₂

大地アース

1 ．ノイズの種類と発生源

図1.2 ノーマルモードノイズとコモンモードノイズ（伝導ノイズ）

※実際にはノーマルモードノイズは を，コモンモードノイズは を測定しています。

 ^/2

1 Va Vb

V  

 ^/2

2 Va Vb

V  

b

a V

V V₁  

b

a V

V V₂   V₁

：ノーマルモードノイズ，

V₂

：コモンモードノイズ，

10

1 ．ノイズの種類と発生源

・輻射ノイズにもノーマルモードノイズとコモンモードノイズがあります。

・導体や金属に電流が流れると誘導電磁界を生じるほか，電磁波を輻射します。

・この内，導体や導線などからのノイズの輻射は導体や導線が基準電位（グラウンド）に対して 電位を 持つ事によって発生します。このノイズをコモンモードノイズといい，ダイポールアンテ ナモデルからの輻射ノイズに相当します。

・基板に構成された回路に電流が流れるとループが構成されます。ここからもノイズが発生し ますが，このノイズがノーマルモードのノイズになります。ノーマルモードのノイズは，ループ アンテナモデルからの輻射ノイズに相当します。

r c

e( )

Ic

E

In

r n

e( )

E

(a) コモンモードノイズ (b) ノーマルモードノイズ

図の中で，I_Cはコモンモードのノイズ電流，e(r)_Cはコモンモードのノイズ電圧（基準電位に対する電位），I_nはノーマル モードのノイズ電流，e(r)_nはノーマルモードのノイズ電圧，Eは放射された電磁波による電界の最大になる向き を意味しています。

図

輻射（放射）ノイズ

11

２．スイッチング電源のノイズ発生源

2.1

メインスイッチの電圧

・スイッチング電源においては，メインスイッチが高速でスイッチング動作（オン・オフ）をします。

その結果，

◆

フライバック形コンバータなどの矩形波絶縁形コンバータではオフ期間にメインスイッチに 矩形波のスイッチング電圧が，

◆

また，トランスの二次側にも変圧された矩形波のスイッチング電圧が発生します。

・このとき，矩形波電圧に含まれているスイッチング周波数と同じ周波数の基本波と高調波 電圧がノイズ源となります。

・図2.1 にフライバック形コンバータを，メインスイッチ電圧を含む動作波形を図2.2に示してい ます。

図

フライバック形コンバータ

Eo Ei

C Ro

D T

＋ Io

Q

動作状態 1 2

Ｑ on off Ｄ off on

表

フライバック形コンバータの動作状態

12 iQP

0 V_G

V_L

0 V_Q

一次励磁電流

i_Q

i_D 0

0

0

o off

L I

T I  T IP

　　　　 2

t0 t_{1 T}

0

t

i off

QP E

T V  T

n I_L n

E_i/

iP

 Eo

２．スイッチング電源のノイズ発生源

ゲート電圧

スイッチ電圧

トランス 二次側電圧

スイッチ電流

ダイオード電流

図

フライバック形コンバータ の動作波形

VL

VQ

※V_QとV_Lの向き

Ton

:

1 2:T_off

LP P

VLP_

13

２．スイッチング電源のノイズ発生源

クタンス トランスの励磁インダ

， トランスの巻線比，

，

， 時比率

スイッチのオフ期間，

スイッチのオン期間，

間，

スイッチ動作の一周期 出力電流，

， スイッチのピーク電流

トランスの二次側電圧 スイッチ電圧，

出力電圧，

入力電圧，

: :

, :

: :

: :

:

: :

: :

) 4 . 2 2 (

1 1 2

) 3 . 2 1 (

1

) 2 . 2 1 (

) 1 . 2 (

2 1 1

2

P off

on off

on

o QP

P LP QP

o i

P on i o

P on i o

off QP

i i

off o

QP i P

LP

i　 i　

off i

off on i

o i

QP

i　 i

off on o

N L n N T n

D T

T D T

D T

T

T I

i

V V

E E

L T E n

I D L

T E n

I T

i T

n E D n

E T

E T n

E n

V V

D E E

T E T

T E T

nE E

V

n E D E D

T T N E N



 



 









 













 











 











14

・スイッチがオフすると急激にスイッチ電圧V

が立ち上り，浮遊容量C

を通して接地線に電流

が流れ込みます。このときの電流

は式

となります。

・このノイズ電流は接地線から電源インピーダンス安定回路網

を通って電源回路に帰り ます。図

を見てください。

・このときに

の測定端子（

両端）の電圧がコモンモードの伝導ノイズとして測定され ます。また，コモンモードのノイズとして輻射されます。

・したがって，

を少なくしノイズを減らすためには，以下のことが必要になります。

①スイッチ電圧

の波形を台形波にし，

を小さくする。

②

のドレインと接地間の浮遊容量

を少なくする。

特に①は，V

に含まれる高調波電圧も減らすことができ非常に有利になります。

・なお，浮遊容量

は，

◆ MOSFETのケース－放熱器－接地線の間で形成される浮遊容量と，

◆

スイッチングトランスの一次巻線と二次巻線間の容量

が主になります。使用するMOSFETやトランスの巻数やボビン構造等によって変わり ますが数百

程度になると推定されます。

２．スイッチング電源のノイズ発生源

です。

ただし，

3 2

1 2

1 1/ 1/

) 1 5 . 2 (

S S

S S

Q S

CS C C C C

dt C dV I

I

I      

15 アクロスザライン・コンデンサ：Xコンデンサ

ラインバイパス・コンデンサ：Ｙコンデンサ

：J55013のLISNも同じ。

a極

b極

+ +

2 50H

2

1F  0.1F 2

2 50 : 2 1









Ω 測定時

k ノイズ

) (Line impedance stabilization network LISN

CISPR

1

CS 2

CS

3

CS

Ground Frame

I1 I₂

CG

ICS

図

メインスイッチ電圧によるコモンモードノイズの発生メカニズム

※ノイズを測定するときは電源インピーダンス安定回路網の抵抗は50Ωに切り替えます。

また，図において浮遊容量C_G，C_S，C_S1，C_S2には次の関係にあります。C_G＞＞C_S，C_S1，C_S2

なお，フレームグラウンドとは，電気・電子機器の金属アースやシャーシのグラウンドを意味します。

２．スイッチング電源のノイズ発生源

16

２．スイッチング電源のノイズ発生源

・ここで，矩形波と台形波の高調波電圧を比較してみましょう。

・図

に示す矩形波電圧と台形波電圧を式

のようにおき，フーリエ展開すると式

と 式

になります。

・また，このときの矩形波電圧と台形波電圧の高調波電圧の比

を求めると式

となりま す。なお，メインスイッチのノイズ電流は浮遊容量を通って流れるために，矩形波電圧と台 形波電圧は交流として扱い以上の式を求めました。

T

2

P

VQ_

Toff

0

t VQ

2 T

VQ

T

2

P

VQ_

 Toff

0

 ^{2 t}

T

図

メインスイッチの電圧波形

17

 

 

 

ようになります。

ーリエ展開すると次の 同様に台形波電圧をフ

ます。

は最終的に以下となり り，矩形波電圧

が奇数のときだけであ が存在するのは

いて求めます。

る。先ず，矩形波につ と置きフーリエ展開す

) 7 . 2 ( 1

2 1sin 2

2 1

sin 0 cos sin

2 cos 2

2 2

2 2 2 2

1 cos

cos 1

cos sin cos

2 sin 2

2 2

) 6 . 2 ( cos

sin

1 .

Re

. Re

2 2

0 2

0 2

2 2

0 2

0 2

1 0

t n n

V V

V n

a

n t n n

t n T

tdt V V n

tdt T V n

b T

n V n

V n

n n

n T

V

n t n n

t n T

tdt V V n

tdt T V n

a T

t n b

t n a

b V

n QP c

Q

c Q n

T

T T

QP

T T

T QP QP

n

QP QP

QP

T

T T

QP

T T

T QP QP

n

n

n n

Q

 







 





















 







 



















 

 

 









 





 

 

 

 

  

















 

 

 













 

 















２．スイッチング電源のノイズ発生源



 T n n  



 



 2

nが奇数のとき、nが偶数のときはゼロになる。

18

   

   

 

はゼロになります。

た，

に以下となります。ま

は最終的 となる。

は奇数次だけであり，

対称波であるために

ようになります。

ーリエ展開すると次の 同様に台形波電圧をフ

n

n QP

QP

T T QP

T

T QP

T QP

QP n

τ T T QP T

T

τ T τ QP

τ QP QP

T τ T

T τ T τ QP

T T τ

QP QP

τ T

T τ τ QP

T τ

QP QP

n

b

a n

n

n n n

T V n

n n

n T

V

n t n T

V

n t n n

t n t

T V n

t n T

V n

t n n

t n t

T a V

tdt T n

tdt V τ n

t T

tdt V T n

tdt V τ n

t T

V

tdt n τ t

V tdt T

V n dt T

ｔ n τ V T

tdt n τ t

V tdt T

V n tdt T

ｔ n τ V a T

2 )

1 1 ( 1 cos

1 cos

2 cos sin

4 cos

cos

sin 2 cos

cos sin

2 cos

sin 2 sin

sin 2 sin

2 sin sin 2

2 sin 2

2 2

2 sin sin 2

2 sin 2

2 2

2 2

2

2 2 2

0 2

2 2

2 0

2 2

2 2

0

2 2 2















 

 



 



 











 



 

 

 



 



 



 



























 























 

  

  









































































 







２．スイッチング電源のノイズ発生源

T

2

P

VQ

 Toff

0



t

2

Q T

V



 

 



 2

)

( T

t f t

f

対称波の定義

19

２．スイッチング電源のノイズ発生源

 

 

   

sin 0

cos 2 sin

sin cos

2 sin

cos 2 cos

cos 2 cos

2 cos cos 2

2 cos 2

2 2

2 cos cos 2

2 cos 2

2 2

2 sin sin

2 sin 4

4

4 cos sin

4 cos

2

2

2 2 2

0 2

2 2

2 0

2 2

2 2

0

2 2 2

2 2

2

2

 

 

 



 



 

 

 

 



 



 

































 



 



 







 























 

  

  





 





























































 





















T T QP

T

T QP

T QP

QP

τ T T QP T

T

τ T τ QP

τ QP QP

T τ T

T τ T τ QP

T T τ

QP QP

τ T

T τ τ QP

T τ

QP QP

n

QP QP

QP

QP QP

n

n t n T

V

n t n n

t n t T V n

t n T

V n

t n n

t n t T V

tdt T n

tdt V τ n

t T

tdt V T n

tdt V τ n

t T

V

tdt n τ t

V tdt T

V n tdt T

ｔ n τ V T

tdt n τ t

V tdt T

V n tdt T

ｔ n τ V b T

n V n

n V n

n n T

V

n n T

V n

n n

n T

a V

20

２．スイッチング電源のノイズ発生源

   

 

   

   

 

 

となります。

は と，その比

矩形波電圧の比を取る ここで，台形波電圧と

) 9 . 2 1 (

2 1 2 sin 1

1 2

1 2 2 sin

1 1

2

1 2 sin 1

2 2 sin

) 8 . 2 1 (

2

1 2 sin 1

2 2 sin

1

1 1

2 .

Re .

1 . 2



 

































 



 





 







 

n

n P n Q

P Q c

Q Tra Q n

n n

P Q Tra

Q

n n

n

t V n

n

t n

V n V

R V

R n

t n

V n V





















以上より，台形波のスイッチ電圧は式(2.8)になります。

・

の計算結果を図

に示しています。

・それらから，立ち上がり・立下り時間を大きくすると，矩形波に対する台形波の高調波電圧 の発生比率を少なくすることができます。

・その比率は周波数が高くなるほど小さくなります。台形波にすることにより，特に高周波の ノイズを低減することができます。

訂正

21

２．スイッチング電源のノイズ発生源

0.001 0.01 0.1 1

100 1000 10000 100000

τ=0.1μS τ=0.5μS

) (kHz f

Rn

率 比 生 発



の点

  2

図

矩形波に対する台形波の高調波電圧の発生比率

22

２．スイッチング電源のノイズ発生源

・スイッチングレギュレータは

コンバータと制御回路

基準電圧，比較回路，増幅回路，

時比率制御回路もしくは周波数制御回路

から成り，

コンバータのスイッチ

の時比 率

，もしくは周波数を制御し出力電圧

を一定にします。

・これらはパルス幅制御方式及び周波数制御方式といいます。

※周波数制御方式はスイッチング周波数制御方式やバルス周波数制御方式ともいいます。

※時比率D：オン期間の一周期間に対する比率，D=Ton/T，デューティレシオともいう 。

・パルス幅制御方式は周波数を一定にして，時比率

を変化させることで出力電圧を一定に なるように制御します。

・一方，周波数制御方式では周波数を変化させることにより，出力電圧を一定になるように制 御します。

・スイッチングレギュレータ（スイッチングコンバータ）にはいろいろな方式があります。これら を表2.2に示しています。

図

制御方式によるスイッチングレギュレータの分類

スイッングレギュレータ パルス幅制御方式

（PWM（pulse width Modulation）方式）

周波数制御方式

（FM（frequency modulation ）方式）

22

23 スイッチ

素子数

発振方式/

制御方式 主な用途

非共振形

（矩形波）

コンバータ

チョッパ 方式 非絶縁形

降圧形

（buck形，ｶﾚﾝﾄｽﾃｯﾌﾟｱｯﾌﾟ形）

一石式 他励式/PWM方式 DC-DC コンバータ 昇圧形

（boost形，ﾎﾞﾙﾃｰｼﾞｽﾃｯﾌﾟｱｯﾌﾟ形）

昇降圧形

（buck-boos形，極性反転形）

絶縁形

リンギングチョーク形

（RCC,自励式ﾌﾗｲﾊﾞｯｸ形） 一石式 自励式/FM方式

AC-DC コンバータ フライバック形

（ｵﾝｵﾌ形，他励式ﾌﾗｲﾊﾞｯｸ形） 一石式

他励式/PWM方式 フォワード形（ｵﾝｵﾝ形）

プッシュプル形（ｾﾝﾀｰﾀｯﾌﾟ形）

多石式 ハーフブリッジ形

フルブリッジ形 共振形

コンバータ 絶縁形

電流共振形 多石式

他励式/ FM方式 AC-DC コンバータ

電圧共振形 一石式

部分共振形 一石式 自励式/ FM方式

２．スイッチング電源のノイズ発生源

表

スイッチングコンバータの代表的な回路方

出展：落合政司，「スイッチング電源の原理と設計」，オーム社，2015年

24

２．スイッチング電源のノイズ発生源

・表

の中で周波数制御

方式であるリンギングチョーク形コンバータや電流 共振形コンバータは，出力電力や入力電圧が変動すると動作周波数が変化する ために，ノイズの周波数も変化します。

・ノイズを評価するときは，ノイズが最大になる条件で行うように注意してください。

+

R₈

T

R₇

R₆ R₅

R₄

R₃ R₂

D₄

D₃ D₂

Q₃ Q₂

Q

C₁

C₂ R₁

D

R_o C+

E_o

E_i

I_o

図

リンギングチョーク形コンバータ

・自励式で発振器がない。

・周波数制御により出力電圧を一定にする。

・動作電流が三角波⇒必ず臨界モードで 動作するために電流不連続現象は発生 しない。

・ 負荷で周波数が変動する。

・ Eiが変化するとEoを一定にするようD が変化する。

基準電圧，比較器 誤差増幅，ドライブ回路