オーディオアプリケーションでの電源レールのコモンモードノイズの削減

オーディオアンプの世界では、プロフェッショナルな環境でも家庭内環境でも、私たちは不要なバックグラウンドノイズは基本的には発生しないと見込んでいます。ランダムノイズ源から生じる「ハム」や「ヒス」、スイッチング回路から発生する周期的な高周波からの「バズ」はいずれも許されませんが、排除するには注意が必要なことがあります。デジタルオーディオに至っても、これはいずれかのアナログ源（マイクや楽器など）からまず発生するものなので、フロントエンドの不要な信号（たとえそれが聴衆の咳や未調整の電源レールから生じたハム音であったとしても）も忠実に再現してしまい、デジタル化だけではこの問題は解決されません。

現代のオーディオ機器ではコモンモードノイズは低くなければならない

オーディオエンジニアは、シールド、バランスライン、慎重なアース、DC電源レールのフィルタリングなど、電気ノイズを低減するための様々な技術について精通していますが、ここでよく問題となるのがコモンモード（CM）ノイズをピックアップしてしまうことです。CM源は、オーディオラインにノイズを付加し、ローカルグランドを参照して戻しますが、これ自体は不定なACレベルとDCレベルによって真のグラウンドからオフセットされる可能性があります。オーディオアンプは、CM信号の除去を、いわゆるCMMR（Common Mode Rejection Ratio）である程度行うことができます。60dBは一般的なパフォーマンスとして考えられる数字です。不要な電圧は1,000倍レベルで低減され、このレベルでの可聴差動信号として現れます。これは良いレベルと思われるかもしれませんが、今日では家庭内エンターテイメントシステムでもおよそ100dBレベルのダイナミックレンジが期待されています。つまり、1V CMスパイクと最大1Vの差動信号でも、クラック音が40dB、または期待する最も静かな状態よりも100倍もうるさいことになります。

CMノイズは放射状に発生する音源からもピックアップされますが、これは主にオーディオステージへのDC電源レールが原因です。オーディオアプリケーションでグラウンドループが自ら問題を引き起こしているという懸念から、サプライレールがオーディオプリアンプ付近のソリッドグラウンドに接続されていないことが一般的です。これによりサプライレールのCMノイズが発生してしまいます。効率性とサイズを考慮すると、このDCサプライレールは、スイッチングモード電源（SMPS）によって日常的に生成されます。これはたとえローカルリニアレギュレータに続く場合でも、これらは、スイッチャーが生成するCMノイズの減衰に対しては何もできず、結果としてブザーやハミングとなる可能性があります。

コモンモードノイズの源

では、SMPSがコモンモードノイズを生成するのはなぜですか？回路内のスイッチングノードで電圧が急激に変化すると、影響が生じ、浮遊容量を通してローカル入力および/または出力グランドまたはパワーリターンに電流をポンピングし、セルフインピーダンスによりこの接続の電圧が跳ね上がります。一般的なルートは、スイッチングトランジスタQ1スイッチのドレインが、高周波で0Vから数百ボルトの間で切り替わるAC-DCコンバータを概説したものが図2です。静電容量C1はQ1ヒートシンクに電流のパルスを結合します。これは多くの場合設置されていて、結果としてコンバータシャーシに電流が流れます。コンデンサーC2は、二次回路への電流スパイクも可能にし、何らかの外部浮遊容量または接地接続を経由する不確定な経路からのリターンを検出します。これは、CM出力電圧を直接引き起こす電流です。ライン周波数も、ラインブリッジ整流器の作用によって、C2を通じてCM電流を誘導することができます。SMPSプライマリDCレールを測定する場合、半弦波ライン電圧を確認でき、これがC2を通して電流を強制的に流し、CM電圧とハムの潜在的な発生源となります。

電流を浮遊容量に流さないようにすることは明らかに重要であり、SMPSトランスに接地された画面を追加するなど、これを最小化するための手順を講じることができます。ただし、これにより安全証明を達成することが困難になり、多くの場合、特にトロイダル変圧器を使った場合など、物理的に実用的ではありません。コモンモードチョークは電源ラインに挿入できますが、レギュレーションを劣化させ、電流を遮断するが、結果として電圧を発生させ、他の場所でも問題を引き起こす可能性があります。スペースを追加することによるトランスの巻取間容量の最小化が効果的ですが、通常これは漏出インダクタンスを増加させ、効率の劣化やコンポーネントへのストレス増大につながります。

ローカルDC-DCコンバータがソリューションとなる可能性

この問題の核心は、リーク静電容量のスケールです。これは、より大きなシステム電源の場合、数百pFの範囲になる可能性があります。エレガントなソリューションとなるのは、システム電圧から電力を供給する超低カップリング静電容量を備えた独立した絶縁型DC-DCコンバータを使用することです。このアプローチは、単に感度の高いアナログオーディオステージの比較的小さな電力要件を提供します。標準的なカップリング静電容量が10pF以下の絶縁型DC-DCコンバータは、コモンモード電流を非常に低いレベルに維持できます。このようなコンバータが元来意図するアプリケーションは、低容量がハイサイドドライブで高dV/dtレベルに対するイミュニティを提供する、ゲートドライバに電力を供給することです。あるいは、多くのより小規模な規制型および非規制型の絶縁型DC-DCコンバータは、より大きなAC-DC電源よりも、カップリング容量がはるかに低いという利点があります。

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