基板上の金属シールドは実際どれほどノイズを遮るのか：降圧コンバーターでの検証

この動画はDigiKeyの提供でお送りします。こんにちは。電源の回路や高周波の回路を見ていると、プリント基板の上にこのような金属のケースが実装されている事がたまにあります。これ何なのか気になりませんか。

結論から言うと、金属ケース内にある電子部品を外部のノイズによる誤動作から守ったり、逆に金属ケース内で発生している電磁ノイズを外に出ていかないようにする役割があります。ですが実際どれくらい効果があるのかというのを疑問に思っている人も多いのではないかと思います。そのため今日はこちらの回路を使って、金属で覆うような金属シールドをつけるとどれくらい効果があるのかというのを検証していきます。

その前に今日のスポンサーの紹介です。どうぞ。

皆さん電子部品を入手するとき、どこから購入していますか。今回はDigiKeyを初めて使う人のために、DigiKeyでの部品の選び方を一緒に見ていきたいと思います。今回の動画でも使うMLCCを探します。トップページの検索欄にMLCCと入力して検索すると、検索結果にはセラミックコンデンサと表示されました。ここをクリックします。約51万品目が検索にかかりました。

ただワード検索では検索漏れもありますので、トップページのところから製品、受動部品、コンデンサ、セラミックコンデンサと選ぶと確実です。そうすると約87万品目まで増えます。

私の場合は在庫部品を入手する事がほとんどなので、在庫ありのところにチェックを入れる事が多いです。村田のMLCCを使いたいので、メーカーのところからmurataを選んで、さらに電圧は10～50Vまでシフトを押しながら範囲選択します。そうしますと在庫ありの部品で色々と出てきました。

もちろん部品は1点から購入可能で、6,000円以上買うと送料無料、適格請求書にも対応しているので、個人でも法人でも便利に電子部品の購入が出来ます。皆さんもぜひDigiKeyを使ってみてください。

今回は金属シールドをかぶせる事で外部にノイズが出ていかないのかを検証するため、こちらの回路を作りました。回路としては降圧コンバータです。入力平滑用のキャパシタ、MOSFETのスイッチ、出力のインダクタ、そして出力のキャパシタです。今回電源ICとしては、テキサスインスツルメンツのTPS62841を使っています。

ノイズといってもいろいろあるのですが、今回は放射ノイズ、特に磁束によるノイズがどれくらい減るのかを見てみます。そのため結果が分かりやすく出るように、インダクタの部品選定を工夫しています。このように磁路が完全に閉じていないタイプのインダクタを使うようにしました。磁路が閉じていないので、電流が流れたときにコアから磁束がよく漏れ出てきます。こうする事で金属シールドを載せたときに、ノイズがどれくらい減るのかというのが分かりやすくなるのではないかと予想しています。

載せる金属シールドはスズメッキされた鉄です。厚さは0.3mmです。今回シールドの電位はグラウンドに落としています。ちなみに今回作った回路に使われている部品は、すべてDigiKeyで購入しています。

まずはこちらにあるような近傍界プローブを使って、部品すぐ近くの漏れているノイズを見ていきます。今回はループタイプのものを使う事にしました。近傍界プローブもループの大きいものと小さいものがあるのですが、今回は両方とも使ってみます。

まずはシールドなしの回路に対して、ループの大きい近傍界プローブを使ってノイズを見てみます。このようにプローブを走査するために固定して、プローブを回路の上で動かしてみます。そうするとこのようにノイズの成分が見えています。近づけるだけで回路のどこからどれくらいの強さのノイズが出ているのかというのが分かる便利アイテムです。

オシロスコープを見てみるとノイズが出ているというのが分かるわけですが、この画面の見方はですね、今オシロスコープのFFTモードの結果を表示しています。信号に含まれる周波数成分を見ています。横軸は信号、今回の場合ではノイズの周波数です。1MHz～500MHzを見ています。縦軸はノイズの強度です。このスペクトルが上に伸びているほど、そのノイズの強度は強いという事になります。

今回使っているテキサスインスツルメンツの電源ICのスイッチング周波数は、だいたい1～2MHzくらいです。そこのスペクトルが一番強く立っています。そしてそのn倍の高調波がこのようにポンポンポンポンって出ているわけです。こんな感じで、どこがノイズの成分が強くて、どこからどんな周波数の成分が出ているかというのがよく分かるかと思います。なかなか便利ですよね。

ただ今使っているプローブはループの面積が大きすぎて、回路のどこからノイズが出ているかははっきりとは分かりません。どちらかというと回路全体から出ている磁束を拾っていますね。そのためループ面積の小さな近傍界プローブを使ってみます。そうする事で局所的な磁束を見る事が出来ます。

実際に金属シールドなしの方で局所的な磁束を見てみると、こんな感じですね。少しずつ回路上を走査していっているのですが、どこが一番ノイズが大きいかというのが分かりやすく出ていると思います。これを見てみるとやはり想定していた通り、インダクタの真上が一番ノイズが大きくなっています。ノイズと言っていますが、これは磁束ですね。これはインダクタの磁路が完全に閉じていなくて、漏れ出た磁束が近傍界プローブに鎖交しているからです。

では次に金属シールドを取り付けた回路で同じように試してみます。このように近づけていますが、わかりますでしょうか。信号の強度は大幅に減りましたよね。実際に回路上をこのように走査していますけれども、信号の強度はかなり弱いです。こちらが金属シールドなしの回路、そしてこちらが金属シールドありの回路です。高周波から低周波までかなり減っていますよね。

ただオシロスコープの画面を見ても分かるように、磁束が完全にゼロになったわけではありません。ところどころ残っている成分もあります。プリント基板と金属シールドは完全にくっついているわけではなくて、少しだけ隙間が空いています。そのようなところから磁束が漏れていたり、単純に磁束がシールドを通り抜けているというのもあるかもしれません。

また、ここで1点注意する事がありまして、外部に出ていくノイズ、今回の場合では磁束は減りましたが、ノイズの発生源から出ているノイズの総量が減ったわけではありません。金属シールドをつけた事で外に出ていく分が減っただけです。

ちょっと気になったんで追加で実験をしてみます。今シールドは基板の上側だけに置いたのですが、基板の裏側ですね、そちらはシールドしていません。そのため後ろ側からプローブを当てたときに、どれくらいノイズが出ているのかも見てみます。こんな感じですね。今金属シールドがない回路を見ていますけれども、こんな感じでノイズが出ています。やっぱりインダクタ付近が結構強いです。一番強いところではこれくらいかなというところです。

次は金属シールドありの裏側です。見てみます。そうしますと、基板の上側とはかなり違った結果になっています。普通にノイズが出てきています。だいたい同じぐらいのレベルですね。

こうなってしまった理由については、裏側はシールドされていませんので、そのノイズを近傍界プローブがしっかりと拾っているという事になります。裏面はベタグラウンドにはしてあるのですが、このように金属シールドされていない部分については普通にノイズが抜けてきています。この結果を見てみると、ノイズを外に出さないためには完全にシールドで覆う必要があるのかなと思います。

逆にシールドがあれば外側からのノイズはこの中に入ってこない事になりますので、例えば基板の上側から何かノイズが入ってくる場合には上側にシールドを置けば良さそうですし、逆に裏側からしかノイズが入ってこないような状況であれば裏側にシールドをつければ良さそうです。一番良いのは両面にシールドをつけると、なんか結構効きそうな気がしますよね。

先ほどはこの近傍界プローブを使ってシールドの上の磁束をこのように探っていたわけですが、このシールド周辺やシールドの中で磁束がどうなっているかについて考察していきます。まずシールドがない場合は、インダクタから出ていた磁束はこのように抜けていたわけです。近傍界プローブでインダクタのところに近づけると、きちんと磁束をセンス出来ていました。ですがシールドをつけた事によって、この辺りの磁束の挙動は大幅に変わりました。

今回使ったシールドの材質は鉄です。鉄は強磁性体です。そのためこのインダクタから出る磁束は、シールドをそのまま飛び抜けていかないで、このように鉄の中を通っていきます。このように1周ぐるっと回っていくみたいな、そんなイメージで見てみると、なんか良さそうな考察ですよね。ですがすべての磁束はこの鉄の中を通るのではなくて、やはり一部は漏れていくような磁束もあります。シールドありの回路で近傍界プローブでも磁束を拾っていたのは、多分この成分を拾っていた可能性があります。

またインダクタ以外にも磁束が出ている部分はあります。例えば回路に電流が流れている部分があれば、当然ですがその周辺には磁束が出来ます。例えば今回の場合で近傍界プローブを使うと、シールドの真上でも何か磁束を検出出来ていましたし、シールドから外れた回路上でも磁束を拾っていました。これはシールドから漏れた磁束を拾っていたのかもしれないですし、回路パターンを流れている電流による磁束を拾っていたのかもしれません。ただどこの磁束をどれくらい拾っているのかは今回は検証していません。

また変化する磁束が金属を貫こうとすると、レンツの法則によって、その磁束を打ち消す向きの渦電流が金属表面に流れます。これはIHクッキングヒーターの動作原理と同じです。そのためこの金属シールドもインダクタから出る磁束によってわずかながら発熱、それが電力損失につながっているかもしれません。またシールドの素材は鉄なので、ヒステリシスも効いている可能性があります。

渦電流というワードが出てきたので、シールドのあり･なしでどれくらい電力変換効率が変わるのかも検証しました。こちらのセットアップで実験しています。同一の部品を使ってシールドがない状態と、シールドをはんだ付けした状態のものを比べてみます。つまり同じプリント基板上に同じ部品を載せて、シールドがあるかないかで効率測定をしています。

こちらが実験結果です。横軸は出力電力、縦軸は電力変換効率です。結果としてはシールドのあり･なしで変換効率はほとんど変わりませんでした。もしかしたら若干変わっている可能性はあるのですが、今回使った計測器ではその違いを読み取れなかったと言った方が良いかもしれません。

これまでは近傍界プローブでいろいろ見てきたのですが、シールドのあり･なしで回路全体が出しているノイズがどれくらい変わるのかも見ていきます。そのためこちらにある対数周期アンテナを使って、回路全体としてどれくらいノイズが出ているのかを見ます。今回は電波暗室は用意出来なかったのですが、なるべく電波の少ない場所に移動してきました。これを遠方界といってよいかは分からないのですが、回路からアンテナまでの距離はだいたい80cmぐらいです。

では実験していきます。今これは回路を何も接続していない状況です。これがバックグラウンドノイズという事になります。ではまずシールドなしの回路を接続します。そうしますと、変わりましたかね。皆さん分かりましたか。ちょうどここら辺が変わったような、なってますね。振幅のレベルがだいぶ変わっています。

今また何もつながっていない状態になりました。次はシールドありの回路をつないでいきます。そうしますとこんな感じです。つなぎました。結構よく分かりましたね。ここら辺が盛り上がりましたね。周波数にするとちょうど500MHzぐらいです。こんな感じ、分かりますか。またつなぐと。

このように測定はしてきたのですが、ほとんどバックグラウンドノイズと変わらないですね。今回の場合ですが、多分計測器の、これスペアナではなくてオシロスコープのスペアナ機能を使っているので、多分感度が足りないですね。ほとんどバックグラウンドノイズから変わりませんでした。ですがシールドのあり･なしでノイズのスペクトル成分は違っていましたね。やはり回路に何かついているので、そのようなところで違いが出ているのかもしれないです。

今回は近傍界プローブを使っているわけではなくて、この回路全体としてのノイズの放射を見ています。当然近いところだと磁束が支配的ではあったのですが、離れてくると電磁波っていうんですか、そういうものになってきます。この回路全体としてのノイズがどうなっているのか、そしてその変化がどれくらいあるのかというのが分かりました。結論を言うとオシロスコープのFFT機能だと、ちょっと測るのは難しかったかなというところです。もうちょっとちゃんとした設備と専用のスペアナを使ってやってみたいですね。

というわけで今回は回路上に乗っている金属シールドはどれくらい効果があるのかを検証してきました。今回の実験セットアップでは、回路から距離の近い部分でのノイズは金属シールドで遮蔽出来ていました。ただ完全に遮蔽出来ていたわけではなくて、プリント基板とシールドの隙間やプリント基板の裏側から抜けてきた成分、シールド自身を抜けてきた成分なども見えていました。ただ近傍界については、全体的にシールドはよく効いているかなと思いました。

今回の場合では近傍界については、外に出ていくノイズを減らすという効果はあったのかもしれませんが、どちらかというと外部からこの回路のシールド内に入ってくるノイズを減らすという効果で見た方がよいかもしれません。

ログペリアンテナを使った遠方界については、シールドアンテナの効果はよく確認出来ませんでした。これについては部品単位でのノイズではなくて、回路全体から放射されるノイズを見ていたから、そのような結果になったのかと思います。例えばこの回路全体を金属の缶で覆ったりすると、また違った結果にはなりそうです。

今回実験としてはかなり短時間でやったのですが、ノイズ対策ってかなり難しいなと思いました。というわけで、もしこの動画が役に立ちましたら高評価・チャンネル登録よろしくお願いします。何か気になることがありましたら、ぜひコメントも残してみてください。それでは最後まで動画をご視聴いただきありがとうございました。