Murata ノイズ抑制Qi規格電源モジュール

ワイヤレス電源モジュールでのノイズ問題

無線で電力を供給すると音声通信の受信感度が低下するかどうかを検討しました。無線で電力供給おこなうと、800MHz帯域で受信感度が低下することがわかりました。受信感度の低下はすべての周波数でも一貫して発生しました。

ノイズ発生/ノイズ伝播メカニズム

Murataのノイズ識別研究の結果、レシーバ・モジュールでノイズが発生する可能性があるメカニズムが提言されました。

ノイズ源は2つあります。
• 最初のソースは充電器です。
•  2つ目のソースはレシーバICで、これはレシーバモジュールにあります。

このノイズは、レシーバのモジュールボードから直接放射されるのではない、あるいは電力線や接地線を通過してスマートフォンのボードやワイヤから放出されるのではないかと考えられます。このノイズによって、アンテナに流れると受信感度が低下します。

ワイヤレスレシーバモジュール
ノイズ源のシンプルな等価回路の図: (1) 充電器（レシーバコイルへの流れ）、(2)レシーバIC
伝播モード: (1)レシーバモジュールボードから放出され、(2)電力/接地線から流れる →スマートフォンボードまたはワイヤから放出される

充電器から放出されるノイズとレシーバモジュール内で発生するノイズがあります。

注: 規格では、コンデンサが充電器のトランスミッタコイルと直列に、コンデンサが直列に、またレシーバモジュールのレシーバコイルと平行に設置するように定められています。レシーバICの後のコンデンサは整流コンデンサです。伝播モードの線は（2）レシーバモジュールとスマートフォンを接続する線、およびスマートフォンの線を参照してください。

ワイヤレスレシーバモジュールのノイズ抑制対策の図

ノイズ抑制対策

Murataは、次にワイヤレスレシーバモジュールのシンプルな等価回路（ノイズ抑制回路）を精査しました。

ノイズ抑制回路
フェライトビーズは、（下の）図1に示すようにレシーバコイル(2カ所）のベースに設置されています。結果として、充電器から放出されレシーバコイルに流れるノイズは、レシーバモジュール内での伝搬を防止します。

フェライトビーズは、電力線とスマートフォンに接続された接地線に設置されています。その結果、レシーバICから発生するノイズがスマートフォンに流れることを防止できます。

Murataは、コンパクトなサイズで大電流に対応できる BLM15PD800SN1 フェライトビーズの使用を推奨しています。

ワイヤレスレシーバモジュールのシンプルな等価回路（ノイズ抑制対策）

次のノイズ抑制対策によって、音声通信の受信感度の向上が実現しています。
(1) レシーバコイル(MurataはBLM15PD800SN1を推奨)
(2)スマートフォンに接続されている電力線のフェライトビーズ(MurataはBLM15PD800SN1を推奨)
(3)スマートフォンに接続されている接地線のフェライトビーズ(MurataはBLM15PD800SN1を推奨）

対策(1) は、充電器から放出されるノイズ、およびレシーバコイルに流れるノイズに効果的です。
対策(2) および(3) は、レシーバICで発生するノイズに効果的です。

注：充電器からのフラックス漏れが大きい場合、レシーバ側のノイズ抑制対策のみでは受信感度が向上することはありません。充電器でもノイズ抑制対策を完全に実施する必要があります。また、充電器からのフラックス漏れが大きいと、トランスミッタコイルから抄出されるノイズが直接アンテナに流れます。そのため、フェライトビーズを使用する対策では効果を発揮できません。  この場合、アンテナにノイズが流れないようにして受信感度を改善するために、電磁波吸収シートを（ケース全体に貼り付けるように）受信コイル以外にも適用することができます。

回路の共振周波数に及ぼす影響

Murataは、上記の図のノイズ抑制対策が充電器の動作に悪影響を与えるかどうかを検証しました。

これは、フェライトビーズが設置された際に回路（レシーバコイル+シリーズコンデンサ、レシーバコイル+シリーズコンデンサ+並列コンデンサ）によって形成されたインピーダンス特性が変更された場合、電力伝送と受信も変更されることから発生する問題です。

Qi規格では以下のように規定されています。
レシーバコイル+直列コンデンサの共振周波数= 100kHz +5% -10%
レシーバコイル+直列コンデンサ+並列コンデンサの共振周波数= 1,000kHz ±10%

Murataは、フェライトビーズを設置した場合に回路（この例ではレシーバコイル + 直列コンデンサ）のインピーダンス特性が変化する方法を計算しました。これは、インダクタンス値と静電容量値が2つの異なるタイプであると仮定して計算されました。

条件(1):トランスミッタコイル= 25uH、シリーズC = 100nF
条件(2):トランスミッタコイル= 10uH、シリーズC = 250nF

条件(1) は、評価用に提供されたシステムに設定された実際の測定値であり、条件(2) はインダクタンスが上記の値の半分以下に低下するように設定されています。（これは、トランスミッタコイルのインダクタンスが小さくなるとフェライトビーズの影響がより大きくなるためです。）

Murataは、フェライトビーズの設置によって回路のインピーダンス特性に影響を与えることはないと判断しました。そのためMurataは、フェライトビーズが設置されていても充電器の動作に及ぼす影響は小さいと考えています。

注: レシーバコイルのインダクタンス値（約10uH～20uH）と比較すると、BLM15PD800SN1のL値はわずか210nH（LCRメーターによって測定された実際の値）の小さな値であり、共振周波数は変化しないと言われます。

ノイズ抑制対策の効果

Murataは、前のセクションで詳述したノイズ抑制対策を講じながら、電源がワイヤレスに供給されている時の受信感度の評価をおこないました。

結果として、すべての周波数で受信感度の改善がみられました。このサンプル評価では、受信感度が最大5dB改善されており、ワイヤレス給電時の受信感度の低下はまったくなくゼロでした。

フェライトビーズを使用したノイズ抑制対策によって受信感度を大幅に改善できます。

レシーバモジュールのノイズ抑制対策の概要

ワイヤレスレシーバモジュールのノイズ問題
充電器によって発生するノイズはトランスミッタコイルからレシーバコイルに流れ、ワイヤレス回路を挿入するとワイヤレス回路の受信感度が低下します。

ノイズ抑制
以下に示すノイズ抑制対策のように、フェライトビーズはレシーバ回路で使用され、ノイズ抑制対策を実装してワイヤレス回路の受信感度を向上させます。
(1) レシーバコイル(Murataは BLM15PD800SN1を推奨)
(2)スマートフォンに接続されている電力線にフェライトビーズを設置する(MurataはBLM15PD800SN1を推奨)
(3)スマートフォンに接続されている接地線にフェライトビーズを設置する(MurataはBLM15PD800SN1を推奨）

ワイヤレストランスミッタモジュールのノイズ抑制
レシーバモジュールに続き、Murataはトランスミッタモジュールで抑制する必要があるノイズを検証しました。トランスミッタモジュールでは、トランスミッタコイルにACを供給するために使用されるインバータがノイズ源となっています。電源ケーブルから放出されるノイズは、外部から発生するノイズとして問題となり、トランスミッタコイル側に流れるノイズが外部から放出され、スマートフォンユニットの受信感度が低下します。
そのためMurataは、ノイズ放射の防止と受信感度の低下の防止を目的としたノイズ抑制対策を推奨しています。

放射ノイズ: (1)トランスミッタコイルおよび(2)電源ケーブル
受信感度: (1)トランスミッタコイル

まずMurataは、放射ノイズを防止するための対策を実施しました。これは、インバータから電源ケーブル側に向かって漏れるノイズ、およびトランスミッタ側に漏れるノイズで構成されています。各場所にノイズ抑制回路を設置しました。（抑制対策（1）および（2) )

放出ノイズは、主にコモンモードで伝達されるノイズで構成されているため、コモンモードチョークコイルを使用します。トランスミッタコイル側には高周波ノイズが多いため、ラインバイパスコンデンサも使用します。

次に、Murataは受信感度の低下を防止する対策を講じました。ノイズ抑制対策は、放射ノイズの防止を目的としたトランスミッタコイル側と同じ方法で実施しました。コモンモードチョークコイルとラインバイパスコンデンサを使用しました。結果として、受信感度が最大12dB改善しました。

概要

トランスミッタモジュールのノイズ抑制対策の概要:
• トランスミッタモジュールのインバータはノイズ源であり、電源ケーブル側とトランスミッタコイル側にノイズが流れ、結果として放出ノイズとなり受信感度が低下します。
• 放出ノイズの抑制と受信感度の低下を回避することを目的として、コモンモードチョークコイルとコンデンサを組み合わせたフィルタをインバータの電源ケーブル側とトランスミッタコイル側に設置しました。

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