電子機器や設備でノイズ対策を考えるとき、「コモンモードノイズ」という言葉を目にすることがあります。ノイズにはいくつかの伝わり方があり、コモンモードノイズとノーマルモードノイズでは、電流が流れる経路や適した対策が異なります。
ノイズの種類を把握しないままフィルタやシールドを追加しても、期待した効果が得られない場合があります。そのため、まずはノイズがどのように流れているのかを理解することが大切です。
この記事では、コモンモードノイズの基本からノーマルモードノイズとの違い、発生する主な原因、代表的な対策方法までわかりやすく解説します。
コモンモードノイズとは
コモンモードノイズとは、複数の導体に対して、ノイズ電流が同じ方向に流れる状態を指します。
たとえば2本の配線がある場合、両方の配線を同じ方向へノイズ電流が流れ、フレームグランドや大地などを経由して戻っていくのが代表的なイメージです。
村田製作所では、ケーブルのように複数の導体が束になっている場合、ノイズの伝導をコモンモードとノーマルモードに分けて説明しています。コモンモードでは各線に同じ向きの電流が流れ、大地に対する電圧も同じ方向に現れます。
コモンモードノイズは、ケーブルなどを通じて伝わるだけでなく、条件によってはケーブルから電磁波として放射される原因になることもあります。
電子機器の誤動作や通信への影響、EMC上の問題につながる可能性があるため、設備や電子回路のノイズ対策では重要なポイントの一つです。
コモンモードノイズとノーマルモードノイズの違い
コモンモードノイズを理解するうえで、あわせて知っておきたいのが「ノーマルモードノイズ」です。
主な違いを整理すると、以下のようになります。
| コモンモードノイズ | ノーマルモードノイズ | |
|---|---|---|
| 電流の流れ | 複数のラインを同じ方向に流れる | ライン間を互いに逆方向に流れる |
| 主な経路 | ラインとグランド間など | ライン間 |
| 別名 | コモンモード | ディファレンシャルモードとも呼ばれる |
| 代表的な対策 | コモンモードフィルタなど | インダクタやコンデンサなど |
TDKでも、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るものとして整理されています。
コモンモードノイズ
コモンモードでは、2本のラインがある場合、ノイズ電流が両方のラインを同じ方向へ流れます。
そのため、回路内だけで電流が完結せず、筐体やグランド、大地などを含む経路を通じて戻ることがあります。
また、ケーブル全体に同じ方向の電流が流れることで、ケーブルがアンテナのように働き、ノイズを放射しやすくなる場合があります。
ノーマルモードノイズ
ノーマルモードノイズは、2本のラインをノイズ電流が互いに逆方向へ流れる状態です。
「ディファレンシャルモードノイズ」と呼ばれることもあります。
通常の回路電流も基本的には一方の線を通って流れ、もう一方の線を通って戻ります。そのため、スイッチング動作やデジタル信号など、回路そのものの動作によってノーマルモードのノイズが発生することがあります。
コモンモードノイズが発生する主な原因
コモンモードノイズは、さまざまな要因によって発生します。ここでは代表的な原因を見ていきましょう。
スイッチングによって高周波ノイズが発生する
スイッチング電源やインバーターなどでは、電圧や電流を高速で切り替えています。
こうした急激な変化によって、高周波成分を含むノイズが発生することがあります。
発生したノイズは最初からすべてコモンモードになるとは限りません。もともとノーマルモードとして発生したノイズが、伝わる途中で電流のバランスを崩し、コモンモード成分として現れる場合もあります。
浮遊容量などを通じてノイズ電流が流れる
電子回路には、設計上コンデンサを設置していない場所にも、導体同士の位置関係によって小さな容量成分が生じます。
これを浮遊容量と呼びます。
回路と筐体、配線とグランドなどの間にある浮遊容量を通じて高周波のノイズ電流が流れると、コモンモードノイズの経路が形成される場合があります。
配線や回路のバランスが崩れる
2本の配線が同じ条件になっていないことも、コモンモードノイズにつながる要因です。
たとえば、配線の長さや引き回し、周囲の導体との距離などが異なると、それぞれのラインのインピーダンスに差が生じます。
このようなアンバランスによって、ノーマルモードのノイズの一部がコモンモードへ変換されることがあります。
コモンモードノイズを低減する方法
コモンモードノイズの対策では、単に部品を追加するのではなく、どこでノイズが発生し、どの経路を通っているのかを確認することが重要です。
代表的な対策方法を紹介します。
コモンモードチョークやフィルタを使用する
コモンモードノイズを抑える部品として、コモンモードチョークやコモンモードフィルタがあります。
コモンモードフィルタは、通常の信号への影響をできるだけ抑えながら、コモンモード成分を低減するために使用されます。
一方、ノーマルモードノイズでは、インダクタやコンデンサなどが対策に使われます。ノイズのモードによって適した部品が異なるため、種類を見極めることが大切です。
配線やグランドを見直す
部品を追加するだけでなく、配線やグランドの取り方を見直すこともノイズ対策につながります。
たとえば、配線を必要以上に長くしない、ノイズ源となる回路と影響を受けやすい信号線を近づけすぎない、グランドの接続状態を確認するといった方法があります。
ノイズの発生源・伝達経路・影響を受ける側を分けて考え、どこを改善する必要があるのか整理しましょう。
シールドやフェライトコアを適切に使用する
ケーブルを通じたノイズの伝達や放射を抑えるために、シールドケーブルやフェライトコアが使われる場合もあります。
ただし、シールドは接続方法やグランドの状態によって効果が変わります。コモンモードノイズがグランド側にも重なっている場合など、シールドだけでは十分な効果が得られないこともあります。
そのため、「シールドを付ければ解決する」と考えるのではなく、ノイズの経路に合わせて複数の方法を組み合わせることが重要です。
まとめ｜ノイズの種類を確認して適切な対策をしよう
コモンモードノイズは、複数のラインに対して同じ方向へ流れるノイズです。一方、ノーマルモードノイズは、ライン間を互いに逆方向へ流れます。
両者はノイズ電流の流れ方が異なるため、適した対策も同じではありません。
コモンモードノイズにはコモンモードチョークやフィルタ、配線・グランドの見直し、シールドやフェライトコアなどが使われますが、重要なのはノイズの種類と伝達経路を確認することです。
ノイズによる誤動作や通信への影響が気になる場合は、発生源、伝達経路、影響を受ける機器を整理したうえで、状況に合った対策を検討しましょう。
