コモン・モード・チョーク・コイルの特性

■問題
使用するコマンド ― .AC，.TRAN

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，コモン・モード・チョーク・コイルをモデル化したものです．コモン・モード・チョーク・コイルは，1次側と2次側の巻き数が同じトランスとして表現することができます．コイルについている丸印は，コイルの極性を表すものです．
　ここで，図1のように2番，4番端子に50Ωの抵抗を接続したとき，1番，3番端子間の，100MHzでのインピーダンスは，(a)～(d)のどれになるでしょうか．

図1　モデル化したコモン・モード・チョーク・コイル
1番，3番端子間の，100MHzでのインピーダンスはいくつ？

(a)50Ω　(b)318Ω　(c)630Ω　(d)1258Ω

■ヒント

　コモン・モード・チョーク・コイルは，同相ノイズを低減するために使用されるもので，同一のコアに2本の線材を巻いた構造になっています．それぞれの線材がL₁およびL₂を構成しています．1番端子と3番端子に信号を加えたときの，L₁とL₂に流れる電流の向きと，そのときコアに発生する磁束がどのようになるかを考えれば，答えが分かります．

■解答

(a)50Ω

　コモン・モード・チョーク・コイルの1番端子と3番端子に信号を加えたとき，1番端子が+の場合，1番端子から2番端子に向かって電流が流れます．このとき，同じ電流が4番端子から3番端子に向かって流れます．すると，コア材に発生する磁束は逆方向となり，打ち消し合います．そのため，L₁とL₂のインダクタンスは互いに打ち消され，1番端子と3番端子にはR₁のみが接続されたものと見なすことができます．したがって，1番端子と3番端子間のインピーダンスは周波数によらず，50Ωになります．

■解説

●コモン・モード・チョーク・コイルの構造
　コモン・モード・チョーク・コイルは図2のように，コア材に2本の線材を巻いた構造になっています．2本の線材の巻き数は同じため，巻き数比1:1のトランスとしても動作します．コモン・モード・チョーク・コイルとして使用する場合は，1番端子と3番端子に差動信号を加え，2番端子と4番端子から差動信号を取り出します．
　1番端子と3番端子に差動信号を加えた場合，1番端子が+の場合は，図2のように1番端子から2番端子に向かって電流が流れ，左向きの磁束が発生します．このとき，同じ電流が4番端子から3番端子に向かって流れます．このとき発生する磁束は右向きになり，先ほどの磁束と打ち消しあいます．そのため，1番端子と3番端子に差動信号を加えた場合は，コイルとしては働きません．
　一方，1番端子と3番端子に同じ信号を加えた場合は，流れる電流の方向が同じになるため，磁束が打ち消しあうことはなく，コイルとして働きます．

図2　コモン・モード・チョーク・コイルの構造差動信号に対しては磁束が打ち消しあい，コイルとしては働かない．

●コモン・モード・チョーク・コイルのインピーダンスを確認する
　図3は，コモン・モード・チョーク・コイルのインピーダンスをシミュレーションするための回路です．LTspiceでトランスを使用する場合，2つのコイル(L)と相互インダクタンス(K)を使用します．相互インダクタンスはシンボルが無いため，[.op]のアイコンを押して，「SPICE directive」として記入し，回路図に配置します．"Ka La1 La2 1"と記入すると，La1とLa2を係数1で結合する，という意味になります．
　左側の回路の図3(a)は，差動信号に対するインピーダンスをシミュレーションするための回路で，2a端子と4a端子の間に抵抗を接続し，1a端子と3a端子に信号を印可しています．
　右側の回路図3(b)は，同相電圧に対するインピーダンスをシミュレーションするための回路で，2b端子と4b端子を接続してGNDとの間に抵抗を接続し，1b端子と3b端子に同じ信号を印可しています．

図3　コモン・モード・チョーク・コイルのインピーダンスをシミュレーションするための回路
左側の回路(a)は差動信号，右側の回路(b)は同相信号に対するインピーダンスを調べる．

　図4は，図3のインピーダンスのシミュレーション結果です．信号電圧源の電圧を電圧源に流れる電流で割ることで，インピーダンスを表示しています．
　図4を見ると分かるように，回路(a)のインピーダンスは，周波数によらず，50Ωで一定となっています．一方，回路(b)のインピーダンスは周波数に比例して大きくなっています．100MHzのときのインピーダンスは630Ωとなっており，これは1μHのコイルと50Ωの抵抗の直列インピーダンスと同じです．図3の回路を見ると，1μHのコイルが2本並列接続されているように見えますが，1a(3b)と2b(4b)間の合成インダクタンスは1μHになります．これは，図2で①と③，②と④を接続した場合，単純に線材が並列になるだけ，と考えると理解できると思います．

図4　コモン・モード・チョーク・コイルのインピーダンスのシミュレーション結果
回路(a)のインピーダンスは周波数によらず，50Ωで一定．

●コモン・モード・チョーク・コイルの同相ノイズ除去効果を検証する
　図5は，2つの回路間で差動信号を送る場合に，同相ノイズが放射される状態を簡略化して表した模式図です．受信側の回路にある浮遊容量を介して，同相ノイズ電流が流れ，ノイズが放射されます．

図5　同相ノイズが放射される状態を簡略化して表した模式図
容量を介して，同相ノイズ電流が流れ，ノイズが放射される．

●コモン・モード・チョーク・コイルを使用した同相ノイズ除去の対策前と対策後
　図5のような回路にコモン・モード・チョーク・コイルを使用すると，同相ノイズの放射を軽減することができます．図6は，コモン・モード・チョーク・コイルによる，同相ノイズ除去効果を検証するための回路です．
　上段が対策前で，下段が信号ラインにコモン・モード・チョーク・コイルを挿入した対策後です．VPとVMはピーク電圧100mVで周波数は100MHzとなっています．VCが同相ノイズで，ピーク電圧100mVで周波数は200MHzになっています．トランジェント解析を行い，浮遊容量に流れる電流の大きさを比較します．

図6　コモン・モード・チョーク・コイルによる，同相ノイズ除去効果を検証するための回路
上段が対策前で，下段が信号ラインにコモン・モード・チョーク・コイルを挿入した対策後です．

　図7は，図6のシミュレーション結果です．抵抗の両端に加わる差動電圧は上段の回路，下段の回路ともに，ピーク電圧200mVとなっており，コモン・モード・チョーク・コイルによる減衰はないことが分かります．
　上段の浮遊容量(Ca)に流れる，200MHzの同相ノイズ電流は，ピーク値が6.5mAとなっています．一方，コモン・モード・チョーク・コイルを挿入した，下段の浮遊容量(Cb)に流れる同相ノイズ電流は，ピーク電流80μAと大幅に小さくなっています．
　このように，コモン・モード・チョーク・コイルを使用すると，差動信号を減衰させることなく，同相ノイズだけを低減することができます．

図7　コモン・モード・チョーク・コイルによる，同相ノイズ除去効果のシミュレーション結果
コモン・モード・チョーク・コイル使用により，同相ノイズ電流が大幅に小さくなる．

　以上，コモン・モード・チョーク・コイルについて解説しました．コモン・モード・チョーク・コイルは電源ラインとグランド・ラインに挿入する使い方もあります．この場合，差動信号に相当するものは，電源ラインに流れる電流と，グランド・ラインに流れる電流です．これらの電流によって発生する磁束は，互いに打ち消しあうため，大電流を流してもコアが磁気飽和しないという特長があります．

◆参考・引用＊文献◆
ノイズ対策の基礎【第6回】コモンモードチョークコイル - 村田製作所技術記事

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice7_029.zip

●データ・ファイル内容
CMCC_AC.asc：図3の回路
CMCC_AC.plt：図4のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
CMCC_tran.asc：図6の回路
CMCC_tran.plt：図7のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル