페라이트 비드 및 공통 모드 초크

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

로봇 팀의 이전 디자이너로부터 최고의 회로를 물려 받았습니다. 이 회로는 2 개의 페라이트 비드, 제너, TVS 및 커패시터를 사용하여 들어오는 전력을 필터링합니다. 들어오는 전원은 배터리에서 나옵니다. 디지털 회로와 함께 배터리에는 큰 모터가 연결되어있어 시끄러운 환경을 조성합니다. 내 이해는 페라이트 비드의 도움으로 제너와 TVS가 스파이크를 억제한다는 것입니다. 그런 다음 큰 커패시터는 처짐을 견뎌냅니다. 이 회로는 지금까지 잘 작동했습니다.

내 질문은 페라이트 비드를 공통 모드 초크로 교체하여 필터링을 개선하는지 또는 파손되지 않은 경우 수정하지 않습니까?

(방금 일반적인 회로 레이아웃을 제공하기 위해 일반 구성 요소를 사용했으며, 상단은 현재 회로이고 하단은 제안 된 변경 사항입니다)

추가 정보 회로가 로봇에 들어가고 있습니다. 로봇은 압출 알루미늄 (접지되지 않음)으로 만들어졌으며 모든 것이 투명한 아크릴로 덮여 있습니다. 모든 것은 24V 8 셀 리튬 철 인산염 20Ah 10C 배터리로 구동됩니다. 디지털 회로는 약 1A를 사용합니다. 모터는 2 개의 휠체어 모터입니다. 모터의 최대 정격은 60A이지만 일반적으로 약 50 % 이하로 그렇게 강하게 구동되지는 않습니다. 모터는 Vex Victor H 브리지 모터 컨트롤러에 의해 구동됩니다.

이 질문은 매우 구체적으로 보이지만 실제로보다 일반적인 사례 필터링 질문으로 간주 될 수 있습니다. "파워 전기 모터에서 나오는 전기 노이즈를 어떻게 걸러 낼 수 있습니까?" .

미리 수집해야 할 첫 번째 정보 데이터는 회로에 노출되는 노이즈 유형입니다. 때때로이 데이터를 미리 얻는 것이 어려울 수 있으며, 사전 경험이나 고급 실험실 장비없이 소음을 측정하기가 더 어려울 수도 있습니다.

일반적으로 다음과 같은 측면에서 노이즈 소스를 평가할 수 있습니다.

• 내재 또는 외재. 즉 : 자체 시스템 내부에서 소음이 발생 / 발생합니까? 아니면 시스템 외부에 있습니까?
• 커플 링 메커니즘 : 용량 성 커플 링, 유도 성 커플 링, 접지 루프, EM 방사선 ...
• 소음의 특성 : 전환, 열 (가우스), 샷, 깜박임 ...
• 주파수 대역과 Q. 잡음은 얼마나 좁거나 넓습니까? 밴드 밖으로 갑자기 떨어질까요 (품질 요소)?

위의 목록은 불완전한 부분 목록으로, 시작점으로 만 사용될 수 있습니다.

그런 다음 기술이 많이 있습니다. 경우에 따라 말 그대로 수백 가지 의 트릭과 더 넓은 접근 방식을 의미합니다.

원래 질문의 세부 사항을 살펴보면 시스템에서 발생하는 잡음의 종류에 대한 최선의 추측 입니다.

1. 소음은 주로 시스템 자체, 파워 모터 및 드라이버 회로에서 발생합니다. 피크 스위칭 전류 (30A)는 회로의 나머지 부분에 쉽게 결합 될 수있는 펄스를 발생시키기 위해 높은 enouch이다.
2. 용량 성 커플 링, 유도 커플 링 및 접지 루프는 드라이버의 높은 전류 펄스로 인해 모든 문제의 원인이 될 수 있습니다.
3. 잡음은 1MHz 이하의 영역에서 전환되지만 1-10MHz 범위의 고조파는 쉽게 생성 / 방사 될 수 있습니다.

위 시스템의 노이즈를 처리하기위한 몇 가지 실용적인 힌트와 기술 :

• 가능하면 나머지 회로에서 모터와 드라이버를 물리적으로 분리하십시오. 예를 들어 모든 전자 장치에 단일 보드가있는 경우 모든 경우에 가능하지는 않습니다. 그러나 모터를 구동하기위한 보드와 나머지 시스템을위한 보드를 별도로 두 개 가질 수 있다면 그렇게하는 것이 도움이됩니다.
• 전원 드라이버, 배터리 및 섀시를 포함한 모든 회로에 대해 신중하게 고려 된 스타 접지 연결을 사용하여 접지 문제 및 노이즈의 루프 커플 링을 피하십시오.
• 섀시 나 큰 금속 부품이 떠 다니지 않도록하십시오. 모터 및 전원 드라이버에서 생성 된 EM 필드와 상호 작용하여 EM 필드를 추가 노이즈로 반사, 전파 및 / 또는 재발 산합니다.
• 모터 자체 및 모터 유형에 따라 모터 근처 / 부착 된 노이즈 필터를 확실히 적용 할 수 있습니다. 귀하의 경우가 아닐 수도있는 DC 모터의 경우 가능한 한 모터에 가까운 각 위상에서 소형 세라믹 커패시터를 납땜하는 것이 좋습니다. 견고한 (고전압) 0.1uF 커패시터는 시작하기에 좋은 규칙입니다. 애플리케이션에 따라 각 위상 리드에서 섀시에 다른 세라믹 커패시터 쌍을 추가 할 수도 있습니다. 이 경로로 이동하기 전에 정확한 모터 유형과 드라이버를 확인하십시오.
• 드라이버와 모터를 연결하는 케이블은 최대한 가깝고 꼬 아야합니다.
• 디커플링 / 바이 패스 커패시터는 벌크 커패시터 (저주파수 필터링의 경우 수백 uF 일 수 있음)와 고주파 커패시터 (일반적으로 0.1uF)의 두 가지 풍미로 드라이버 전력선에 충분히 추가해야합니다.

게시 한 회로로 돌아 가면 내 초기 접근 방식은 다음과 같습니다.

• 커먼 모드 초크는 시스템 외부에서 발생하는 용량 성 커플 링 노이즈에 대해 더 많이 표시되므로 사용하지 않습니다.
• 두 라인 (전력 및 GND 리턴) 또는 더 나은 이중 L pi 필터에 이중 LC 필터링을 적용합니다. 이것은 KHz에서 낮은 MHz 노이즈에 가장 효과적인 필터입니다 . 각 배터리 단자와 직렬로 연결된 큰 인덕터 (mH 범위)는 회로의 디지털 부분으로 들어오는 잡음을 크게 향상시킵니다. 반대로, 페라이트 비드는 그 자체의 성질에 의해 소산되며 더 높은 (수십 MHz 주파수)에 가장 적합하다.
• 양방향 견고한 (고 에너지) TVS를 표준 제너 및 단방향 TVS로 대체합니다. 그러나 입력 레귤레이터가 작은 피크의 과전압을 견딜 수없는 경우 회로의 제너를 유지할 수 있습니다.
• 벌크 커패시터와 병렬로 한 쌍의 소형 세라믹 커패시터 추가 : 예를 들어 1uF 및 0.1uF MLCC, 보수적으로 정격 (> 100V). 이것은 더 높은 주파수 (> 1MHz)에 대한 필터 효과를 증가시킵니다.

마지막으로, 다른 접근 방식의 효과를 검증하기 위해 중요한 지점에서 회로를 측정하는 간단한 방법을 고안하십시오. 실제 장치가 작동하는 것과 유사한 환경에서 테스트하십시오.

필요하다면 위의 접근 방식에 대한 더 많은 참고 자료 (책, 기사)를 제공 할 수 있습니다. 시스템의 일부를 더 자세하게 지정할 수 있으면 추가 필터링 기술이 반드시 적용됩니다.

보드 환경에 따라 다릅니다. 공급 전압 GND의 음극을 호출합시다. 예를 들어 자동차에서 전체 섀시는 GND이지만 섀시가 아닌 공급 핀에서만 연결됩니다. 보드에는 섀시에 대한 기생 용량이 있으므로 잡음이 많은 HF 전류가 흐릅니다. 이와 같은 경우 HF 전류가 VCC 및 GND 공급 라인을 통해 필요하기 때문에 공통 모드 초크가 도움이됩니다 .

보드가 어떤 종류의 다른 HF-Noise 내부, 스위칭 레귤레이터 또는 어떤 종류의 CPU 또는 메모리 인터페이스를 생성하는 경우 대부분의 전류는 고속 신호에서 내부 GND (고속 스위칭)로 흐릅니다. commom 모드 초크는 전류가 흐르고 전류가 동시에 흐르기 때문에 설계에서 노이즈가 나오는 것을 막지 않습니다. 이 경우 페라이트 비드가 더 나은 선택입니다.

몇 가지 이유로 페라이트를 유지하는 것이 좋습니다. 보드의 신호가 섀시 나 다른 외부 장치에 비해 내부 GND에 더 큰 정전 용량을 갖는 경우 공통 모드 문제를 제거 할 수 있습니다. 또한 페라이트는 가장 저렴합니다. 나는 당신의 사양을 모르지만, 자동차 산업에서 일하고, 페라이트를 취할 것입니다.

공통 모드 초크는 "공통 모드"인 노이즈를 줄이는 데 유용합니다. 즉, 두 라인 모두에 유사한 노이즈가 있습니다. 이것은 무선 송신기에 의해 근거리에서 나오는 RF 신호와 같은 고주파 노이즈를 필터링하는 데 유용 할 수 있습니다. 접지되지 않은 금속 하우징이있는 시스템은 두 절연 전원 라인에 HF 노이즈가 유도되는 것으로 의심되는 경우 (예 : 하우징에 다른 노이즈가있는 전기 시스템이 연결된 경우) 적합 할 수 있습니다.

단일 페라이트 비드 (그림 참조)는 정확한 크기로 급격한 전류 스파이크를 줄일 수 있습니다. 일반적으로 작은 비드는 더 높은 주파수를 필터링합니다 (페라이트 재료도 중요 함). 낮은 주파수 스파이크를 필터링하려면 일반적으로 더 큰 비드가 필요합니다. 사용중인 비드가 적절하지 않은 것으로 보이거나 더 큰 크기로 변경하거나 대신 큰 값의 인덕터를 사용할 수 있습니다 (오히려 오디오 장비로가는 전력선에 유사한 대형 인덕터가 종종 사용됨)-또한 전류 취급을 확인해야합니다. 사용되는 경우 인덕터의 성능).

또한 큰 값의 커패시터와 병렬로 작은 값의 세라믹 커패시터를 추가하면 고주파 노이즈를 추가로 필터링하는 데 도움이 될 수 있습니다. 큰 전해 커패시터는 고주파 노이즈를 잘 필터링하지 못할 수 있습니다.

마지막으로 페라이트는 상대 노이즈 전류가 흐를 때 가장 잘 작동합니다. 소음 전류는 페라이트 물질이 열로 사라지는 자기장을 유도합니다.

따라서 잡음이 공통 모드가 아니라고 가정하면 두 비드 (또는 인덕터)를 사용하는 것이 더 나은 선택 인 것 같습니다.

TVS 장치를 켜려면 입력 전압 스파이크가 마이크로 엔드에 도달하는 데 약간의 시간이 걸립니다. 공통 모드 초크는 차동 서지 이벤트에 대해 최소한의 임피던스 (누설 인덕턴스) 만 제공하는 반면 페라이트 비드는 이와 관련하여 장치를 보호하는 데 도움이됩니다. 공통 모드 감쇠가 필요한 경우이 경우 하이브리드 공통 모드 초크를 사용하는 것이 좋습니다.

공통 모드 초크와 프리트가 반드시 모순되는 것은 아닙니다. 또한 다양한 전류 및 주파수 범위에 대한 다양한 공통 모드 초크가 있습니다. 일반적으로 무엇을 보호하고 있는지 이해해야합니다. 온보드 dc / dc로 인해 발생하는 포텐셜 방출을 줄이려면 0.5MHz ~ 50MHz와 500MHz ~ 5GHz 범위를 포괄하는 초크 두 개를 선택하십시오. 후자는 공통 모드 페라이트처럼 보일 수 있습니다. 그런데 초크 주변에 효과적인 필터를 만들려면 커패시터가 필요할 수 있습니다. 물론 시스템의 기본 정책에주의를 기울이십시오.