D級アンプのコモンモードノイズ対策

D級アンプのコモンモードノイズ対策

D級アンプのコモンモードノイズ対策をまとめておきます。

こちらの資料が参考になります。

電磁ノイズが発生するしくみ

ノイズ問題を複雑にする要因

空間伝導と対策

導体伝導とコモンモード

バラン (電子工学)

まず、D級オーディオパワーアンプを外側から見ると、AC電源ライン、オーディオ信号入力ライン、スピーカー出力ラインの3つのラインがつながっています。

したがって、この3つのラインそれぞれに対してコモンモードノイズ対策を施す必要があります。

まず、AC電源ラインの対策ですが、これは市販のインレット一体型のフィルタで十分です。中身はコモンモードチョークやXコンデンサ、Yコンデンサで構成されています。

問題はアース(E)で、日本の場合AC100V(単相3線式)の屋内配線の場合、中性線(N)が接地されているため、LおよびNのラインがEに対してバランスしていません。

また、フィルタアウトされたコモンモードノイズ電流はEラインに流れるため、FGとEの間にアースインダクタなどをかませる必要があります。

ACラインにつながるPFCおよびLLCコンバータなどのスイッチング電源は、非常に大きなコモンモードノイズを発生しますが、最終的にはLLCコンバータの2次側につないだコモンモードフィルタでノイズ電流をFGに落とします。

2次側の先にはD級アンプがつながりますが、D級アンプ自体がスイッチング電源(降圧コンバータ)なので、コモンモードノイズをスピーカー出力に対して放出します。

また、D級アンプ自体はシングルエンドのアンプとしてハーフブリッジを構成するため、入力信号を処理する部分のグランドや信号線にコモンモードノイズが回り込みモード変換によってノーマルモードのノイズとなります。

さらに、D級アンプの筐体内はコモンモードノイズの電界強度が高いため、筐体内の配線にも飛び込みます。

したがって、オーディオ信号の入力ラインはバランス入力にして、平衡ラインレシーバでアンバランス信号に変える必要があります。

スピーカ出力に対しては、スピーカーケーブルがアンテナになるため、コモンモードチョークなどでバランを構成する必要があります。

なぜなら、スピーカーをシングルエンド(アンバランス)で駆動する場合、スピーカーユニットのムービングコイルでモード変換が起こるため、コモンモードノイズが音波として放出されるからです。

アースインダクタによるコモンモードノイズ対策

D級アンプの電源を臨界モードPFC+LLCコンバータにした場合、最大のコモンモードノイズ発生源は、PFCのホットループと整流用ブリッジダイオードになります。

また、シングルエンドのD級アンプの場合、グランドへの回り込みや飛び込みに対するCMRRの向上が対策のポイントになります。

ACインレットにフィルタ内蔵のものを利用しても、アース経路自体には何もフィルター要素がないので、アンプのシャーシ内部のアース線の引き回しによるノイズの影響は避けられません。

そこで、アースインダクタ(SNG-19DB-014)によるコモンモードループの対策を実施してみました。

SNG-19DB-014の実装例

写真上側の黄色と緑のアース線を巻いているトロイダルコイルがアースインダクタで、写真左側にPFCのホットループ(電解コンデンサ)と整流用ブリッジダイオードがあります。写真下側のトロイダルコイルはLLCコンバータの2次フィルタです。

SNG-19DB-014インピーダンス特性

SNG-19DB-014のインピーダンス特性をあげておきます。設計意図としては、オーディオ帯域(20-20kHz)よりも高い周波数のアースからの回り込みをブロックしたいということです。100kHzで20dB, 1MHzで40dB, 30Mhzで60dB程度の減衰率(インピーダンス上昇)になっています。

接続としては、コモンモードフィルタのYコンのアースライン(LLCコンバータの2次フィルタとD級アンプの2次フィルタ(L, R)の3つが集まっているアースポイント)とACインレットフィルタのアースポイントの間にアースインダクタを入れています。

実際の効果はかなりあります。能率92dBのスピーカー(CP15E)をニアフィールド(1.5m)程度の距離で聴いても、無信号時の雑音が気にならなくなりました。