EMIフィルタ設計：コモンモードチョークとX/Yコンデンサ

入力フィルタは二系統のノイズを別々に止める

スイッチング電源のEMIは、往復2線を逆向きに流れるディファレンシャルモード（DM） と、両線が同方向に揺れてGND経由で帰るコモンモード（CM） に二分されます（発生機構は /power/emi-conducted-radiated/）。両者は流れる経路が違うため、止める素子も別物です。入力EMIフィルタは、この二系統を一つの基板上で同時に処理する複合フィルタです。

  典型的な入力EMIフィルタ（π型・1段）

  L(ライブ) ──┬──[ CMチョーク ]──┬──── 整流・PFCへ
             │   （巻線1）        │
            [Cx1]   ┃結合┃      [Cx2]      ← Xコン：DM短絡
             │   （巻線2）        │
  N(ニュー) ─┴──[ CMチョーク ]──┴────
             │                  │
            [Cy] ── PE(保護接地)─[Cy]       ← Yコン：CM分流

ここで効いている素子は三つ、役割は完全に分かれています。

コモンモードチョークはなぜCMだけに効くのか

コモンモードチョークは、1個のコアに往復2線を同じ向きに同じ巻数で巻いた素子です。鍵は2線に流れる電流の向きがモードによって違う点にあります。

  磁束の打ち消し（コアの中で何が起きるか）

  DM電流：往線と帰線が逆向き
    → 2巻線が作る磁束が相殺 → コアはインダクタンスをほぼ示さない
    → DMはCMチョークをほぼ素通り（正規電流を妨げない＝損失が出ない）

  CM電流：両線が同方向
    → 2巻線の磁束が加算・強め合う → 大きなインダクタンス Lcm が立つ
    → CMだけが Lcm × 2 相当のインピーダンスで阻止される

正規の電力電流（往復で逆向き＝DMと同じ向き）に対して磁束が相殺するからこそ、コアが飽和せず、電力損失も出さずにCMだけを止められます。これがコモンモードチョークの巧妙さです。

減衰特性 ── 各素子のカットオフ

フィルタの減衰量はLC2次フィルタの特性に従い、カットオフ周波数を境に1段あたりおおむね40dB/decadeで落ちます。各モードのカットオフは次の素子の組で決まります。

  DMフィルタ : fc_dm ≈ 1 / (2π√(Lleak × 2Cx))      ← 漏れインダクタンス＋Xコン
  CMフィルタ : fc_cm ≈ 1 / (2π√(Lcm × (Cy/2)))      ← CMチョーク＋Yコン

  （Cx は線間1個、Cy は片側1個あたりの容量。直並列の係数は接続で変わる）

伝導ノイズ規格の下端150kHzで十分な減衰を得るには、カットオフをその十分下（数kHz〜数十kHz）に置きます。DMはXコンを大きくできるためカットオフを下げやすい一方、CMはYコンを大きくできない事情（次節）から、CMチョークのインダクタンスで稼ぐことになります。

Y容量を縛るのは性能ではなく漏れ電流の安全規制

Yコンデンサは「大きいほどCM減衰が増えて有利」ですが、容量を自由に増やせません。Yコンはライブ／ニュートラルと保護接地(PE) の間に常時つながっているため、商用周波数（50/60Hz）でも電流が流れ続けます。これが接地漏れ電流（leakage current） であり、人体感電のリスクに直結します。

  漏れ電流の正体

  i_leak ≈ Vac × 2π × f_line × Cy
         （線間電圧が Yコン2個を通してPEへ流す電流）

  例: 230V / 50Hz, Cy=4.7nF×2
      i_leak ≈ 230 × 2π × 50 × 9.4n ≈ 0.68 mA

万一PE（アース線）が断線すると、この漏れ電流の通り道が筐体に現れ、触れた人に流れます。そのためIEC/UL等の安全規格は、機器クラスごとに接地漏れ電流の上限（クラスI機器で概ね3.5mA以下、医療機器ではさらに厳格）を定め、結果としてY容量の総和に上限がかかります。Yコン自体も故障時に短絡しない安全規格品（Y1/Y2クラス）の使用が義務づけられます。

フィルタは共振する ── インピーダンスミスマッチで増幅に化ける

EMIフィルタはLC素子の塊なので、それ自体が共振回路です。データシートの減衰量（挿入損失）は通常、ソースと負荷を両方50Ωで測った値であり、実機のソース／負荷インピーダンスが50Ωから外れると特性が崩れます。最悪の場合、共振点でノイズを減衰どころか増幅します。

  ミスマッチの原理（LC共振点 f0 = 1/(2π√LC) 近傍）

  ソースもLも理想的なら、f0でフィルタのインピーダンスが極大／極小化し
  Q が高いほど共振ピークが鋭く立つ。

  ・ソース側が高インピーダンス × フィルタ入力が高インピーダンス → 整合せず反射
  ・負荷側が低インピーダンス × フィルタ出力が低インピーダンス → f0でゲイン > 1
    → その周波数のノイズがフィルタ通過後にむしろ増える

定石はインピーダンスの不整合をわざと作ることです。「高インピーダンス源には低インピーダンス素子（コンデンサ）を向け、低インピーダンス源には高インピーダンス素子（インダクタ）を向ける」ように素子を配置すると、各接続点で反射が起きてノイズが押し戻されます。共振Qが高すぎる場合は、ダンピング抵抗（Xコンに直列のRや、損失の大きいフェライトビーズ）でQを下げます。

段数とレイアウト ── 現実の制約

1段で減衰が足りなければ多段化しますが、段間にも共振が生まれるため、各段のQ管理とインピーダンス階段（源に近いほど高インピーダンス、負荷に近いほど低インピーダンス、と段ごとにずらす）が要ります。さらに高周波では理想素子から外れ、コンデンサの寄生インダクタンス（ESL）が自己共振点を作り、その先では容量がインダクタとして振る舞って減衰が頭打ちになります（/power/output-capacitor-esr-esl/）。Yコン・Xコンのリード長やレイアウトの寄生で実効カットオフは設計値から外れるため、最終的にはLISN測定（/power/emi-conducted-radiated/）でCM/DMを分離して合わせ込みます。

まとめ

• 入力EMIフィルタはXコン（DM短絡）・Yコン（CM分流）・コモンモードチョーク（CM主・DM副） の役割分担で、二系統のノイズを同時に止める。
• コモンモードチョークは同方向巻きでCM電流の磁束を加算（大インダクタンス）し、DM／正規電流の磁束を相殺（飽和・損失なし）する。残る漏れインダクタンスがDMフィルタを兼ねる。
• Y容量の上限は性能ではなく接地漏れ電流の安全規制で決まる（クラスIで概ね3.5mA以下、Y1/Y2品必須）。不足分はCMチョークのインダクタンスで補うため、CM主体・DM主体の非対称設計になる。
• フィルタはLC共振体で、ソース／負荷インピーダンスとミスマッチすると共振点で増幅する。データシートの挿入損失は50Ω整合値にすぎず、ダンピングでQを管理する。
• スイッチング電源は負性入力抵抗を示し、フィルタ出力インピーダンスが変換器入力インピーダンス未満というMiddlebrook基準を満たさないとシステムが発振する。ソース・フィルタ・負荷を一体で見る。