3端子フィルタ（電源ライン用貫通型フィルタ）によるDC-DCコンバータ入力ラインのノイズ対策

DC-DCコンバータは近年スイッチング周波数の高周波化に伴いスイッチング速度が高速化しており、基板やIC内部の配線の持つインダクタンスや浮遊容量が入力電流の急激な変化により共振し、高周波ノイズを発生させます。この高周波ノイズは外部回路へ伝導し、セットの異常動作を引き起こす原因となります。本ソリューションガイドではDC-DCコンバータの入力側で発生するノイズに対して、ノイズ対策に有効な低ESLを特徴としている3端子フィルタ（電源ライン用貫通型フィルタ）を使用したノイズ対策の事例をご紹介します。

入力フィルタ基本構成

DC-DCコンバータの入力ラインはスイッチング時の基本周波数からなるN次高調波やスイッチングノイズによる入力電圧変動によって大きなノイズが発生します。このノイズはコモンモードとノーマル(ディファレンシャル)モードがあり、ノイズモードに応じて適切な部品を選定する必要があります。
図１に示した通り、設計初期段階としてはノーマルモードノイズ対策についてはコンデンサとインダクタによって構成されるC+L+Cによるπ型フィルタが配置できるパターン構成が望ましいです。また、コモンモードノイズ対策においてはコモンモードフィルタ(CMF)が有効です。

ノーマル(ディファレンシャル)モードノイズとコモンモードノイズについて

伝導ノイズにはノーマル(ディファレンシャル)モードノイズとコモンモードノイズの2種類があります。ノーマルモードノイズは回路ライン間に発生して逆相に流れ、コモンモードノイズは回路ラインとGNDの間に発生して同相に流れます。ノイズ対策を行う場合はどのモードで発生しているかを確認し、適切な対策部品を使用する必要があります。
ノーマルモードノイズにはインダクタ、コンデンサが使用され、コモンモードノイズにはコモンモードフィルタが使用されます。

各フィルタ構成によるノイズ抑制効果検証の条件

DC-DCコンバータのスイッチング周波数が高周波化になるとFM帯のノイズレベルが大きくなります。通常π型フィルタのコンデンサは2端子コンデンサを使用しますが、低ESLを特徴とする3端子貫通型フィルタを搭載することによりさらなるノイズ抑制が可能です。今回は以下評価内容に関して、３構成のπ型フィルタを比較検証します。
伝導ノイズ電圧法についてはノーマルモードとコモンモードに分離させ、フィルタ効果を比較検証します。
伝導ノイズ電圧法に関しては3構成共にコモンモード対策として弊社コモンモードフィルタを搭載した状態で測定しています。

評価内容

■DC-DCコンバータの条件
入力電圧：12V
出力電圧：5V
スイッチング周波数：2MHz
出力電流：2A
■評価項目
1)π型フィルタの伝達特性(S21)
2)伝導ノイズ電圧法

評価回路

評価構成

ACM7060-701-2PL-TL00

π型フィルタ構成	構成1：フィルタ無し	構成2：コンデンサ(2端子)	構成3：3端子フィルタ(貫通型フィルタ)
配線イメージ
C1	-	3.2mm×1.6mm, 4.7μF,35V	YFFシリーズ 3.2mm x 1.6mm,1μF,100V,6A Feed-Thru接続*
L1	-	2.0mm×1.2mm,220Ω at 100MHz,3A	2.0mm×1.2mm,220Ω at 100MHz,3A
C2	-	3.2mm×1.6mm,4.7μF,35V	YFFシリーズ 3.2mm x 1.6mm,1μF,100V,6A Feed-Thru接続*

*Feed-Thru接続に関しては以下リンクを参照ください。

ソリューションガイド : 3端子貫通型フィルタの実装のポイント

各フィルタ構成によるノイズ抑制効果検証結果

各フィルタ構成によるノイズ抑制効果検証結果から、3端子フィルタ(貫通型フィルタ)は高周波領域で減衰効果が高いことがわかります。

ノイズレベルは通常ノーマルモードがコモンモードを上回ります。
ノーマルモード対策には３端子貫通型フィルタを搭載したπ型フィルタがFM帯を含む幅広い周波数帯域のノイズ抑制に非常に効果があります。

まとめ

DC-DCコンバータは高速スイッチング化に伴い、通常、入力ラインに大きな高周波ノイズが発生します。そのため、特にFM帯を含む高周波ノイズ対策が重要です。
その際、ノイズ対策を行う上でノーマルモードとコモンモードの切り分けが重要であり、ノイズモードに応じて適切な部品選定が必要です。
通常、DC-DCコンバータの入力ラインのノイズはノーマルモードがコモンモードを上回ります。そのため、ノーマルモードに効果的なπ型フィルタの構成を推奨します。
さらに、π型フィルタで使用されるコンデンサに3端子貫通型フィルタを使用することで、高周波ノイズへの抑制効果がいっそう高まります。