铁氧体磁珠与共模扼流圈

电器工程 铁氧体磁珠 共模扼流圈 功率过滤
2022-01-22 17:28:53

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

我从我的机器人团队的前任设计师那里继承了顶级电路。该电路使用两个铁氧体磁珠、一个齐纳二极管、一个 TVS 和一个电容器来过滤输入功率。输入电源来自电池。除了数字电路,电池还连接有大型电机,造成非常嘈杂的环境。我的理解是,在铁氧体磁珠的帮助下,齐纳二极管和 TVS 可以抑制任何尖峰。然后大电容器承受任何下降。到目前为止,该电路运行良好。

我的问题是用共模扼流圈替换铁氧体磁珠是否会改善过滤效果,或者如果它没有损坏就不要修复它?

(我只是用通用元件给出了一般电路布局,顶部是当前电路,底部是我建议的更改)

附加信息 电路进入机器人。机器人由挤压铝材(未接地)制成,整个机器都包裹着透明的亚克力。整机由24V 8芯磷酸铁锂20Ah 10C电池供电。数字电路消耗大约 1A。电机是两个轮椅电机。电机的额定电流最大为 60A,但它们从未被如此用力驱动,通常约为 50% 或更少。电机由 Vex Victor H 桥电机控制器驱动。

4个回答

尽管这个问题看起来非常具体,但它确实可以被视为一个更一般的案例过滤问题:“如何过滤掉来自电动马达的电噪声?” .

我们需要提前收集的第一个信息数据是我们的电路所暴露的噪声类型。有时很难提前获得这些数据,有时在没有经验和高端实验室设备的情况下更难以测量噪声。

一般来说,我们可以从以下方面评估我们的噪声源:

  • 内在的或外在的。即:噪音是否来自/产生于我们自己的系统内部?还是它来自我们的系统之外?
  • 耦合机制:电容耦合、电感耦合、接地回路、电磁辐射……
  • 噪声特性:切换、热(高斯)、散弹、闪烁......
  • 频带和 Q。我们的噪声有多窄或多宽?它是否在该频带之外突然下降/消失(品质因数)?

以上为部分列表,不完整,仅供参考。

然后,有很多技术,我的意思是数百种技巧和更广泛的方法,具体取决于具体情况。

深入研究原始问题的细节,这是我对系统可能产生的噪音的最佳猜测,

  1. 噪声主要来自系统本身、动力电机和驱动电路。30A 的峰值开关电流足以产生可以轻松耦合到电路其余部分的脉冲。
  2. 由于驱动器的高电流脉冲,电容耦合、电感耦合和接地回路都可能是这里的麻烦源。
  3. 噪声被切换,我猜是在 1MHz 以下区域,但是,1-10MHz 范围内的谐波很容易产生/辐射。

处理上述系统中的噪声的一些实用提示和技巧:

  • 如果可能,将电机和驱动器与其余电路物理分离。这显然不是在所有情况下都是可能的,例如,如果您有一个用于所有电子设备的电路板。但是,如果您负担得起两块单独的板,一块用于驱动电机,另一块用于系统的其余部分,这样做会很有帮助。
  • 通过为所有电路(包括电源驱动器、电池和机箱)使用经过深思熟虑的星形接地连接来避免接地问题和噪声环路耦合。
  • 不要让任何底盘或大型金属部件漂浮,因为这会与电机和电源驱动器产生的电磁场相互作用,反射、传播和/或重新发射电磁场作为额外的噪声。
  • 关于电机本身,根据电机的类型,您当然可以在电机附近/连接到电机上应用噪音过滤器。对于可能不是您的情况的直流电机,明智的做法是在每个相上焊接小型陶瓷电容器,尽可能靠近电机。坚固的(高压)0.1uF 电容器是一个很好的经验法则。根据应用的不同,您还可以从每个相引线添加另一对陶瓷电容器到机箱。在走这条路线之前,请注意检查确切的电机类型和驱动器。
  • 连接驱动器和电机的电缆应尽可能靠近并扭绞。
  • 应该在驱动器电源线上大量添加去耦/旁路电容器,有两种类型:大容量电容器(可能为数百 uF,用于低频滤波)和高频电容器(通常为 0.1uF)。

回到您发布的电路,我最初的方法是:

  • 不使用共模扼流圈,因为它更适用于从系统外部产生的电容耦合噪声。
  • 对两条线路(电源和 GND 返回)应用双 LC 滤波,甚至更好的是双 L pi 滤波器。这是对 KHz 到低 MHz 噪声最有效的滤波器与每个电池端子串联的大电感器(在 mH 范围内)将显着改善进入电路数字部分的噪声。相反,铁氧体磁珠本身就具有耗散性,最适合更高(几十兆赫兹的频率)。
  • 将标准齐纳二极管和单向 TVS 替换为双向坚固(高能量)TVS。但是,如果您的输入稳压器不能承受过电压的小峰值,则可以保留电路中的齐纳二极管。
  • 添加一对与大容量电容器并联的小型陶瓷电容器:例如 1uF 和 0.1uF MLCC,保守额定值 (>100V)。这将提高您的滤波器对更高频率 (>1MHz) 的有效性。

最后但同样重要的是,设计一种在关键点测量电路的简单方法,以验证不同方法的有效性。请尝试在与真实设备运行时类似的情况下进行测试。

如果需要,我可以为上述方法提供更多参考资料(书籍、文章)。如果您可以更详细地指定系统的某些部分,则肯定会应用其他过滤技术。

这取决于您的电路板的环境。我们称电源电压 GND 的负极。例如在汽车中,整个底盘都是 GND,但您仅在电源引脚处连接,而不是直接在底盘上。您的电路板对机箱有一个寄生电容,因此嘈杂的 HF 电流会流过那里。如果你有这样的情况,共模扼流圈会有所帮助,因为高频电流需要通过你的 VCC你的 GND 电源线。

如果您的电路板在内部创建了某种其他 HF-Noise、开关稳压器或某种 CPU 或内存接口,则大部分电流从高速信号流向您的内部 GND(高速开关)。共模扼流圈不会阻止噪声从您的设计中消失,因为同时有电流流入和流出。在这种情况下,铁氧体磁珠将是更好的选择。

我建议您出于某些原因保留铁氧体。如果电路板上的信号与机箱或其他一些外部设备相比,对内部 GND 的电容更大,则可以消除共模问题。除此之外,铁氧体大多数时候更便宜。我不知道你的规格,但是,我在汽车行业工作,我会选择铁氧体。

共模扼流圈和熔块不一定矛盾。还有许多不同的共模扼流圈,适用于各种电流和频率范围。一般来说,您必须了解,您要保护什么免受什么侵害。如果您要减少板载 dc/dc 引起的电感发射,请选择两个扼流圈以覆盖 0.5MHz 至 50MHz 和 500MHz 至 5GHz 的范围。后者很可能出现共模铁氧体。顺便说一句,您可能需要电容器来在扼流圈周围创建有效的滤波器。当然,还要注意系统的地面策略。

共模扼流圈可用于降低“共模”噪声 - 显然,换句话说 - 两条线路上都存在类似的噪声。这对于滤除高频噪声(例如来自附近无线电发射器的 RF 信号)可能很有用。如果两条隔离的电源线(例如,如果外壳连接了其他有噪声的电气系统)怀疑 HF 噪声(感应或电容),则具有未接地金属外壳的系统可能会受益。

如果尺寸正确,单个铁氧体磁珠(如图所示)可以减少尖锐的电流尖峰。通常较小的磁珠会过滤较高的频率(尽管铁氧体材料也很重要)。要过滤较低频率的尖峰,您通常需要更大(更厚的珠子)。如果使用的磁珠看起来不合适,请更改为更大的尺寸,或者您可能会使用大值电感器,(类似的大电感器通常用于连接高保真音频设备的电源线 - 您还需要验证电流处理电感器的能力(如果使用)。

此外,与大容量电容器并联添加一个小容量陶瓷电容器可能有助于滤除一些额外的高频噪声。大型电解电容器可能无法很好地过滤高频噪声。

最后,当有一些相对的噪声电流流动时,铁氧体的工作效果最好。噪声电流会感应出磁场,铁氧体材料会以热量的形式消散。

因此,假设您的噪声不是共模,那么使用两个磁珠(或电感器)似乎是更好的选择。