EMC試験で「不合格」の3文字を見たことがあるだろうか

製品をEMC試験所に持ち込んで、いざ測定。スペアナの波形がリミットラインを突き抜けた瞬間の、あの冷や汗。「フィルタを追加すれば通るはず」と言われても、どのフィルタをどう選べばいいのか分からず、カタログをめくっては首をかしげる——そんな経験をしたエンジニアは少なくないだろう。

EMCフィルタの設計には、ノイズ周波数・必要減衰量・回路のインピーダンスという3つの要素が絡む。ところが多くの場合、フィルタメーカーのカタログ値を「だいたい合ってそう」で選んでしまい、理論的な裏付けがないまま試験に臨む。結果、再試験で時間とコストを浪費するケースが後を絶たない。

このツールは、ノイズ周波数と必要減衰量を入れるだけで、LCフィルタの部品値をE系列の標準値で算出し、減衰特性グラフまで一発表示する。設計根拠を「数字」で持てるようにするためのツールだ。

カタログ頼りのフィルタ選定から抜け出したかった

EMCフィルタの選定作業をやったことがある人なら分かると思うが、実態はかなり属人的だ。先輩が過去に使った型番をそのまま流用する、メーカーの営業に「これで大丈夫」と言われたものを採用する——こんな進め方が現場では珍しくない。

問題は、なぜそのフィルタで十分なのかを説明できないことだ。製品の仕様が変わってノイズレベルが上がったとき、「前と同じフィルタ」では通らなくなる。そのたびに試験所を予約し直し、フィルタを差し替えて再測定。1回の再試験で数十万円が飛ぶ。

既存のツールも調べた。LTspiceでシミュレーションすれば正確だが、回路図を組むのに時間がかかる。MATLABのFilter Designer は高機能だけどライセンス料が年間数十万円。Excelで計算シートを自作している人もいるが、フィルタ構成ごとに数式が違うので管理が面倒になる。

欲しかったのは、「ノイズ周波数150kHzで40dB落としたい、ソース50Ω」と入れたら、すぐに「L=530μH、C=212nF、E24丸めだとこの値」と返してくれるシンプルなツール。しかもL型・π型・T型を切り替えて比較でき、減衰特性のグラフで視覚的に確認できるもの。なければ自分で作るしかなかった。

EMCフィルタ設計の基礎知識

ノイズの2つのモード——ノーマルモードとコモンモード

電子機器から出るノイズには大きく2種類ある。

ノーマルモード（NM）ノイズは、電源ラインの往路と復路で逆方向に流れるノイズ。スイッチング電源のリプル電流が典型例で、ライン間の電位差として観測される。

コモンモード（CM）ノイズは、往路と復路で同じ方向に流れるノイズ。電源トランスの浮遊容量やケーブルのアンテナ効果で大地に漏れ出す成分で、放射ノイズの主因になることが多い。

日常的なたとえで言えば、NMノイズは水道管の中で水が前後に振動するような現象。CMノイズは2本の水道管が同時に揺れて、そのまま地面に振動が伝わるイメージだ。対策するフィルタの構造がまるで違うので、まずどちらのモードが問題なのかを切り分けることが重要になる。

参考: EMCフィルタ - Wikipedia

LCフィルタカットオフ周波数とは

LCフィルタは、インダクタ（L）とコンデンサ（C）を組み合わせたローパスフィルタだ。低い周波数の信号は通し、高い周波数のノイズを遮断する。その境目が**カットオフ周波数（fc）**で、ゲインが-3dBになる点として定義される。

カットオフ周波数より高い帯域では、フィルタの次数に応じて減衰が急峻になる。1次フィルタ（L型）なら-20dB/decade（周波数が10倍になるごとに20dB減衰）、2次フィルタ（π型・T型）なら-40dB/decadeだ。

つまり、ノイズ周波数が150kHzで40dBの減衰が欲しい場合:

L型（1次）: fc = 150kHz / 10^(40/20) = 150kHz / 100 = 1.5kHz
π型（2次）: fc = 150kHz / 10^(40/40) = 150kHz / 10 = 15kHz

L型だとカットオフ周波数を1.5kHzまで下げる必要があり、部品値が巨大になる。π型なら15kHzで済むので、現実的な部品サイズに収まる。この違いが、フィルタ構成選択の判断基準になる。

フィルタ構成の種類——L型・π型・T型

L型（1次） はインダクタ1個＋コンデンサ1個の最もシンプルな構成。部品点数が少なくコストは低いが、減衰の傾きが-20dB/decadeと緩い。軽微なノイズ対策や、スペースの限られた基板に向く。

π型（2次） はコンデンサ-インダクタ-コンデンサの構成。-40dB/decadeの急峻な減衰を得られる。入力側と出力側の両方にコンデンサがあるため、ソースと負荷のインピーダンスが異なる場合にも柔軟に対応できる。EMCフィルタの定番構成。

T型（2次） はインダクタ-コンデンサ-インダクタの構成。π型と同じく2次だが、インダクタが2個入るためコモンモードチョークを2段にしたい場合に使われる。高インピーダンスの負荷に適している。

E系列標準値への丸め

計算で求まるLやCの値は、たとえば「530.5μH」のような中途半端な数値になる。実際の部品はE系列と呼ばれる標準値しか用意されていない。E12は1ディケードあたり12段階、E24は24段階の刻みだ。

本ツールではE系列の最寄り値（切り上げ方向）に丸める。切り上げにしている理由は、フィルタ部品値を大きくする方向に丸めれば、カットオフ周波数が下がり、減衰量は設計値以上を確保できるからだ。逆に切り下げると減衰不足になるリスクがある。

EMCフィルタ設計で数値を間違えると何が起きるか

CISPR/VCCIの規格不適合と市場投入の遅延

EMCに関する国際規格CISPR 32（情報技術機器の妨害波規格）やCISPR 11（ISM機器）では、伝導エミッション（150kHz〜30MHz）と放射エミッション（30MHz〜1GHz）のリミット値が定められている。日本ではVCCIが自主規制として同等の基準を運用しており、クラスBの適合マークがないと量販店では売れない製品も多い。

フィルタの減衰量が5dB足りないだけで規格不適合になることは珍しくない。EMC試験は1回あたり30〜100万円、試験所の予約待ちは数週間。不合格になるたびにこのサイクルを繰り返すと、製品のリリースが数ヶ月遅れることもある。

フィルタの選定ミスが招く実害

よくある失敗パターンを挙げてみる:

過小設計: 減衰量が足りず試験不合格。追加フィルタを基板に載せるスペースがなく、基板改版からやり直し
過大設計: 必要以上に大きなインダクタを選んでしまい、DCRによる電圧降下が許容値を超える。部品コストも跳ね上がる
モード違い: NMノイズが問題なのにCMチョークだけ入れてしまう。ノイズ経路が違うので効果ゼロ

特に「モード違い」は致命的だ。NMノイズとCMノイズでは対策部品の構造が根本的に異なるため、間違えるとフィルタを入れた意味がまったくない。NMノイズにはXコンデンサ+ノーマルモードチョーク、CMノイズにはYコンデンサ+コモンモードチョークが基本構成だ。

参考: CISPR - 国際無線障害特別委員会

EMCフィルタ設計ツールが力を発揮する場面

スイッチング電源の伝導ノイズ対策

DC-DCコンバータやACアダプタの設計で、スイッチング周波数の基本波や高調波を落としたいケース。150kHz〜数MHzの帯域で必要な減衰量を指定し、部品値を即座に算出できる。試作前に理論値を把握しておくことで、初回試験での合格率が上がる。

モータードライバのEMI対策

インバータやサーボドライバでは、PWMキャリア周波数に起因するノイズが問題になる。キャリア周波数が10kHz〜100kHzの場合、その高調波が150kHz以上の伝導エミッション帯域に入ってくる。ソースインピーダンスと負荷インピーダンスが異なるケースが多く、非対称な設計が必要になることもある。

LED照明・充電器の規格適合

小型のAC-DC電源を使う製品では、基板面積の制約が厳しい。L型かπ型かでフィルタの部品点数が変わるため、サイズとコストのトレードオフをこのツールで比較検討できる。

試作後の追加対策検討

試験で5〜10dB超過した場合、既存フィルタのパラメータを入力し、追加で何dB必要かを逆算。フィルタ構成の変更やインダクタンス値の見直しをシミュレーションしてから部品を手配できる。

EMCフィルタ設計ツールの使い方——3ステップ

ステップ1: フィルタ設定を選ぶ

ノイズモード（ノーマルモード/コモンモード）とフィルタ構成（L型/π型/T型）を選択する。NMノイズなら「ノーマルモード」、CMノイズなら「コモンモード」。迷ったらπ型がバランスの良い選択だ。

ステップ2: 設計パラメータを入力する

ノイズ周波数、必要減衰量（dB）、ソースインピーダンス、負荷インピーダンスを入力する。スイッチング電源の伝導エミッション測定ではLISN（50Ω）が一般的。コモンモードの場合はLISN 100Ωになる。

ステップ3: 結果を確認する

カットオフ周波数、部品値（計算値とE系列丸め値）、実際の減衰量が表示される。減衰特性グラフでターゲット周波数での減衰を視覚的に確認。「結果をコピー」ボタンで設計メモに貼り付けられる。

EMCフィルタ設計の具体的な使用例——6ケースで検証

ケース1: スイッチング電源 150kHz 40dB — π型フィルタ

典型的なスイッチング電源のEMC対策。基本波150kHzで40dBの減衰が必要な場面だ。

入力: NM、π型、150kHz、40dB、Zs=50Ω、Zl=50Ω、E24
結果: fc = 15,000 Hz、L = 5.305×10⁻⁴ H（530.5μH）、Cin = Cout = 2.122×10⁻⁷ F（212.2nF）
解釈: π型2次フィルタなので、カットオフ15kHzで150kHz（10倍の周波数）に対して40dBの減衰を実現。530μHクラスのインダクタと220nF（E24丸め）のコンデンサで構成できる。実用的な部品サイズに収まる。

ケース2: 放射ノイズ帯域 1MHz 20dB — L型フィルタ

軽微なノイズ超過で、部品点数を最小限にしたいケース。

入力: NM、L型、1MHz、20dB、Zs=50Ω、Zl=50Ω、E12
結果: fc = 100,000 Hz、L = 7.958×10⁻⁵ H（79.58μH）、C = 3.183×10⁻⁸ F（31.83nF）
解釈: L型1次フィルタでfc=100kHz。1MHz（10倍）で20dBの減衰を確保。82μH（E12丸め）と33nF（E12丸め）の2部品で済む。基板面積が限られるLED照明基板などに向いている。

ケース3: 高速スイッチング 500kHz 60dB — T型フィルタ

GaNやSiCを使った高効率電源で、スイッチング周波数が高く減衰量も大きいケース。

入力: NM、T型、500kHz、60dB、Zs=50Ω、Zl=50Ω、E24
結果: fc = 15,811 Hz、Lin = Lout = 5.033×10⁻⁴ H（503.3μH）、C = 2.013×10⁻⁷ F（201.3nF）
解釈: 60dBという大きな減衰量が必要なため、2次のT型を選択。カットオフ約15.8kHzで500kHz（約31.6倍）に対して60dBを確保。入出力両側にインダクタを配置するT型は、ノイズの双方向伝搬を抑える効果がある。

ケース4: コモンモード対策 150kHz 40dB — π型フィルタ（CM）

コモンモードノイズが規格を超過しているケース。LISNのCMインピーダンスは100Ω。

入力: CM、π型、150kHz、40dB、Zs=100Ω、Zl=100Ω、E24
結果: fc = 15,000 Hz、L = 1.061×10⁻³ H（1.061mH）、Cin = Cout = 1.061×10⁻⁷ F（106.1nF）
解釈: CMの場合、LISNインピーダンスが100Ωになるためインダクタンスがケース1の約2倍になる。1mH級のコモンモードチョークが必要だ。Yコンデンサは安全規格（IEC 60384-14）の制約があり、通常4.7nF以下に制限されるため、この計算値（106nF）は実際にはYコンデンサだけでは実現できない点に注意。ラインバイパスコンデンサとの組み合わせが必要になる。

ケース5: 高周波帯 10MHz 40dB — L型フィルタ

10MHz帯のノイズを40dB落としたいが、1次フィルタで対応する場合。

入力: NM、L型、10MHz、40dB、Zs=50Ω、Zl=50Ω、E24
結果: fc = 100,000 Hz、L = 7.958×10⁻⁵ H（79.58μH）、C = 3.183×10⁻⁸ F（31.83nF）
解釈: 10MHzとカットオフ100kHzの差が100倍（2ディケード）あるため、1次フィルタでも-20dB/dec × 2 = 40dBを確保。ただし10MHz帯域ではインダクタの自己共振周波数（SRF）に注意が必要だ。SRFが10MHz以下のインダクタを使うと、共振を超えた帯域でフィルタが機能しなくなる。

ケース6: 非対称インピーダンス 1MHz 60dB — π型フィルタ

ソース側50Ω（LISN）、負荷側100Ω（実機のインピーダンス）と異なる場合。

入力: NM、π型、1MHz、60dB、Zs=50Ω、Zl=100Ω、E24
結果: fc = 31,623 Hz、L = 3.558×10⁻⁴ H（355.8μH）、Cin = 1.007×10⁻⁷ F（100.7nF）、Cout = 5.033×10⁻⁸ F（50.33nF）
解釈: ソースと負荷のインピーダンスが異なるため、入力側と出力側のコンデンサ値が変わる。π型はこのような非対称条件に柔軟に対応できるのが強みだ。Cinが約100nF、Coutが約50nFと2倍の差がつく。実機のインピーダンスが周波数によって変動する場合は、最悪条件で設計するのが安全だ。

EMCフィルタ設計の仕組み——カットオフ周波数の逆算アルゴリズム

候補手法の比較: 解析的アプローチ vs 数値シミュレーション

EMCフィルタの設計手法には大きく2つのアプローチがある。

解析的アプローチ（本ツール採用）: バターワース特性を仮定し、必要減衰量からカットオフ周波数を逆算する。閉じた数式で部品値が求まるため、計算が一瞬で終わる。理想LCフィルタの範囲では正確だが、部品の寄生要素（ESR・ESL・自己共振）は考慮しない。

数値シミュレーション（LTspice等）: 実際の部品モデル（SPICEモデル）を使い、寄生要素込みの周波数特性を計算する。高精度だが、回路図の構築と部品モデルの入手に時間がかかる。

本ツールでは、設計の初期段階で「当たりをつける」目的に特化し、解析的アプローチを採用した。部品値の目安が分かれば、その後LTspiceで詳細検証するときのスタート地点が明確になる。

計算フローの詳細

全体の計算は3段階で進む。

第1段階: カットオフ周波数の算出

フィルタの次数（n）に応じてカットオフ周波数を逆算する。バターワースフィルタの減衰量の式 A = 20n × log10(fN/fc) を変形すると:

fc = fN / 10^(A / (20 × n))

L型（n=1）: fc = fN / 10^(A/20)
π型・T型（n=2）: fc = fN / 10^(A/40)

第2段階: 部品値の算出

カットオフ周波数とインピーダンスから、LとCを算出する。構成によって数式が変わる:

【L型（1次）】
  L = Zs / (2π × fc)
  C = 1 / (2π × fc × Zl)

【π型（2次）】
  L = √(Zs × Zl) / (2π × fc)
  Cin = 1 / (2π × fc × Zs)
  Cout = 1 / (2π × fc × Zl)

【T型（2次）】
  Lin = Zs / (2π × fc)
  Lout = Zl / (2π × fc)
  C = 1 / (2π × fc × √(Zs × Zl))

π型でZs=Zl=50Ω、fc=15kHzの場合:

L = √(50×50) / (2π×15000) = 50 / 94248 = 5.305×10⁻⁴ H ≈ 530μH
C = 1 / (2π×15000×50) = 1 / 4712389 = 2.122×10⁻⁷ F ≈ 212nF

第3段階: E系列への丸め

計算値をE12またはE24の標準値に丸める。アルゴリズムは以下の通り:

計算値を m × 10^k の形に正規化する（1.0 ≤ m < 10.0）
E系列の値リストから、m 以上で最も近い値を選ぶ（切り上げ）
見つからなければ次のディケードの最小値に繰り上げ
選んだ値を × 10^k して元のスケールに戻す

切り上げ方向に丸めることで、実際のカットオフ周波数は設計値より低くなり、減衰量は設計値以上を確保できる。安全側に倒す設計思想だ。

参考: バターワースフィルタ - Wikipedia、E系列 - Wikipedia

MATLAB・LTspiceとはどう違うのか — このツールの立ち位置

MATLAB / Simulink は、フィルタ設計から回路シミュレーション、制御系との統合解析まで何でもできる万能ツール。ただし、ライセンス費用が年間数十万円かかるし、フィルタの部品値を1つ出すだけでもスクリプトを書く必要がある。「150kHzで40dB落としたいんだけど、LとCいくつにすればいい？」という問いに即答してくれるわけではない。

LTspice は無料で使える回路シミュレータで、部品のESRやESL、基板寄生容量まで含めた精密なシミュレーションが可能。ただし、部品値は自分で決めてからシミュレーションにかける流れなので、「そもそも何μHのインダクタを選べばいいか」の出発点がないと使いにくい。

このツールは、まさにその出発点を提供する立ち位置にある。ノイズ周波数と必要減衰量を入れれば、L値・C値がE系列丸めまで含めて即座に出る。ここで得た部品値をLTspiceに持ち込んで、寄生成分を加味した精密検証をする — という二段構えのワークフローが現実的だ。ブラウザだけで動くので、出先で「概算でいいから部品値を確認したい」という場面にも対応できる。

フェライトコアとYコンデンサ — EMCフィルタの豆知識

フェライトコアの周波数特性は「山」になる

EMCフィルタに使うインダクタのコア材には、主にフェライトが使われる。ここで注意したいのが、フェライトのインピーダンス特性は周波数に対して単調増加ではなく、ある周波数にピークを持つ「山型」になるという点だ。

たとえば、一般的なMnZn系フェライトは数百kHz〜数MHzにピークがあり、NiZn系は数十MHz〜数百MHzにピークがある。スイッチング電源の基本波（150kHz付近）を抑えたいならMnZn系、放射ノイズ帯域（30MHz以上）を狙うならNiZn系という使い分けになる。カタログのインピーダンス-周波数グラフを確認せずにフェライトを選ぶと、狙った帯域でまったく効かないということが起きる。

参考: TDK - フェライトの基礎知識

Yコンデンサには安全規格がある

コモンモードフィルタでライン-GND間に入れるコンデンサは「Yコンデンサ」と呼ばれ、安全規格（IEC 60384-14）でクラス分けされている。

Y1: 定格電圧500VAC、ライン-GND間（基礎絶縁を跨ぐ箇所）
Y2: 定格電圧300VAC、ライン-GND間（一般用途）

Yコンデンサが短絡故障すると、感電事故に直結するため容量に上限がある。一般的にY2で4.7nF（漏れ電流約0.5mA@50Hz）が実用上の上限とされている。「CMノイズを落としたいからYコンを大きくすればいい」と安易に考えると、漏れ電流が規格値（通常0.5〜1mA）を超えてしまう。

参考: IEC 60384-14 - 安全規格適合コンデンサ

E系列の名前の由来

E12やE24の「E」はEIA（Electronic Industries Alliance、米国電子工業会）に由来する。E12は1桁あたり12個の値を持ち、各値の比率は12乗根の10（約1.21倍）の等比数列になっている。E24なら24乗根の10（約1.10倍）。E系列に丸めることで、実際に入手可能な部品で設計を組める。このツールがE系列丸めを標準搭載しているのは、計算値をそのまま発注できる形にするためだ。

EMCフィルタ設計で押さえたい5つのTips

自己共振周波数（SRF）を確認する — コンデンサもインダクタもSRFを超えると特性が反転する。10μFの積層セラミックコンデンサのSRFは数MHz程度なので、30MHz帯のノイズには効かない。部品データシートのインピーダンス特性を必ず確認しよう。
GNDパターンは最短・最太で — フィルタの入出力間でGNDが共通インピーダンスを持つと、せっかくの減衰量が台無しになる。フィルタのGNDはベタパターンで、ビア多数で裏面GNDプレーンに落とすのが鉄則。
フィルタの入力側と出力側を物理的に離す — 基板上でフィルタの入力配線と出力配線が近接すると、磁界・電界結合でノイズが回り込む。入出力は基板の反対側から引き出すレイアウトが理想的だ。
コモンモードチョークの飽和に注意 — 大電流が流れるラインにCMチョークを入れる場合、DCバイアスによるインダクタンスの低下（飽和）を考慮する。定格電流の80%程度を上限として選定すると安全だ。
E系列は切り上げ方向で選ぶ — このツールのデフォルト動作でもあるが、LもCも切り上げ方向のE系列値を選ぶと、カットオフ周波数が計算値より低くなり、減衰量は設計値以上になる。安全側に倒れるので実務上も合理的な選択だ。

よくある質問 — EMCフィルタ設計計算ツール

ノーマルモードとコモンモード、どちらを選べばいい？

まずノイズの伝搬経路を特定する必要がある。スイッチング電源のライン間に乗るノイズはノーマルモード（NM）、ライン-GND間に乗るノイズはコモンモード（CM）だ。EMI測定器でNM/CMを分離測定できるセパレータを使うのが確実だが、大まかには「スイッチングリプルはNM、浮遊容量経由の漏れはCM」と覚えておけばよい。実際の製品では両方が混在しているため、NMフィルタとCMフィルタを組み合わせるのが一般的だ。

π型とT型はどう使い分ける？

π型は負荷側インピーダンスが高い場合（電源出力側など）に適しており、T型はソース側インピーダンスが高い場合に適している。迷ったらπ型を選んでおけば多くのケースでうまくいく。π型はコンデンサが2つ必要だがインダクタは1つで済み、高周波のコンデンサは安価で小型なので、コスト面でも有利になることが多い。

計算結果の部品値が現実的でない（インダクタンスが大きすぎる等）場合はどうする？

カットオフ周波数が低すぎる、つまり必要減衰量に対してノイズ周波数が低い場合に起きやすい。対処法は3つある。(1) フィルタ構成をL型からπ型/T型に変更する（2次フィルタは-40dB/decのロールオフなので、同じ減衰量でもカットオフ周波数を高くできる）。(2) 必要減衰量を見直す — 本当にそこまでの減衰が必要かEMC規格の限度値と実測値の差分を再確認する。(3) 多段フィルタを検討する — 1段で60dBを狙うより、2段で30dBずつのほうが部品サイズが現実的になる場合がある。

入力したインピーダンス値はどこに保存される？

すべての計算はブラウザ上で完結しており、入力値や計算結果がサーバーに送信されることはない。ページを閉じればデータは消える。社内の設計パラメータを入力しても外部に漏洩するリスクはない。

理想LCフィルタの計算結果と実測が合わないのはなぜ？

このツールは理想素子（ESR=0、ESL=0、寄生容量なし）を前提にしている。実際の部品には寄生成分があり、特に自己共振周波数（SRF）を超えるとコンデンサはインダクタのように、インダクタはコンデンサのように振る舞う。さらに基板のパターンインダクタンスや部品間の結合も影響する。このツールの結果は「理論上の出発点」であり、実測との差が大きい場合はLTspice等で寄生成分を含めたシミュレーションを行い、最終的にはEMC試験で実測確認するのが正しい設計フローだ。

まとめ — ノイズ対策の第一歩を素早く

EMCフィルタの設計は、ノイズ周波数の特定から始まり、必要減衰量の算出、フィルタ構成の選択、部品値の決定、そしてE系列への丸めと実装検証へと続く。このツールは、その中核となる「部品値の決定」を数秒で完了させる。

理想LCフィルタの簡易計算ではあるが、π型/T型の2次フィルタまで対応しており、実務の出発点としては十分に使える。ここで得た部品値を元に、LTspiceでの精密シミュレーションや実機EMC試験に進んでほしい。

電気設備系の他のツールも併せて活用してみて。電線管のサイズ選定には「電線管サイズ判定シミュレーター」が便利だ。

不具合や要望があれば、X (@MahiroMemo)から気軽に教えて。

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