Perlina di ferrite vs strozzatore di modo comune

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Ho ereditato il circuito principale da un precedente designer del mio team di robotica. Il circuito utilizza due sfere di ferrite, uno zener, un TVS e un condensatore per filtrare la potenza in ingresso. L'alimentazione in ingresso proviene dalle batterie. Insieme ai circuiti digitali, le batterie hanno motori di grandi dimensioni collegati a loro che creano un ambiente molto rumoroso. La mia comprensione è che con l'aiuto delle perline di ferrite lo zener e TVS sopprimono eventuali picchi. Quindi il grande condensatore regge eventuali cadute. Questo circuito ha funzionato bene finora.

La mia domanda è se la sostituzione delle microsfere di ferrite con uno starter di modo comune migliora il filtraggio o se non è rotto non lo risolve?

(Ho appena usato componenti generici per dare il layout generale del circuito, la parte superiore è il circuito corrente e la parte inferiore è la mia modifica proposta)

Ulteriori informazioni Il circuito sta entrando in un robot. Il robot è realizzato in alluminio estruso (non collegato a terra) e il tutto è rivestito in acrilico trasparente. Il tutto è alimentato da una batteria 24V 8 celle al litio ferro fosfato 20Ah 10C. Il circuito digitale assorbe circa 1A. I motori sono due motori per sedie a rotelle. I motori hanno una potenza nominale di 60 A max ma non sono mai guidati così duramente, di solito circa il 50% o meno. I motori sono azionati dai controller per motori a ponte Vex Victor H.

Anche se questa domanda sembra molto specifica, può in effetti essere trattata come una domanda di filtro molto più generale: "Come si può filtrare il rumore elettrico proveniente dai motori elettrici di potenza?" .

Le prime informazioni che dobbiamo raccogliere in anticipo sono il tipo di rumore a cui è esposto il nostro circuito. A volte è davvero difficile ottenere questi dati in anticipo, a volte è ancora più difficile misurare il rumore senza esperienza precedente e apparecchiature di laboratorio di fascia alta.

In generale, possiamo valutare le nostre fonti di rumore in termini di:

• Intrinseco o estrinseco. Vale a dire: il rumore viene / viene generato all'interno del nostro sistema? O viene fuori dal nostro sistema?
• Meccanismo di accoppiamento: accoppiamento capacitivo, accoppiamento induttivo, anelli di massa, radiazione EM ...
• Caratteristiche del rumore: commutato, termico (gaussiano), sparo, sfarfallio ...
• Banda di frequenza e Q. Quanto è stretta o larga la nostra rumorosità? Cade / scompare bruscamente al di fuori di quella fascia (fattore di qualità)?

Quanto sopra è un elenco parziale, incompleto, che può servire solo come punto di partenza.

Quindi, ci sono molte tecniche, intendo letteralmente centinaia di trucchi e approcci più ampi a seconda del caso.

Approfondendo le specifiche della domanda originale, questa è la mia migliore ipotesi sul tipo di rumore che può essere originato dal sistema,

1. Il rumore proviene principalmente dal sistema stesso, dai motori di potenza e dai circuiti di pilotaggio. 30A di corrente di commutazione di picco sono elevati per generare impulsi che possono facilmente accoppiarsi al resto del circuito.
2. L'accoppiamento capacitivo, l'accoppiamento induttivo e i circuiti di massa possono essere tutti fonte di problemi qui, a causa degli alti impulsi di corrente dei driver.
3. Il rumore viene commutato, immagino nella regione sub 1MHz, tuttavia, armoniche nella gamma 1-10MHz potrebbero essere facilmente generate / irradiate.

Alcuni consigli pratici e tecniche per gestire il rumore nel sistema sopra:

• Se possibile, separare fisicamente i motori e i driver dal resto dei circuiti. Questo ovviamente non è possibile in tutti i casi, ad esempio, se si dispone di una scheda singola per tutta l'elettronica. Tuttavia, se puoi permetterti di avere due schede separate, una per guidare i motori, un'altra per il resto del sistema, è utile farlo.
• Evita i problemi di messa a terra e l'accoppiamento ad anello del rumore utilizzando una connessione a terra a stella attentamente studiata per tutti i tuoi circuiti, inclusi driver di alimentazione, batterie e telaio.
• Non lasciare fluttuare alcun telaio o grande parte metallica, poiché ciò interagirà con i campi EM generati dai motori e dai driver di potenza, riflettendo, propagando e / o riemettendo i campi EM come rumore aggiuntivo.
• Per quanto riguarda i motori stessi, e in base al tipo di motore, puoi certamente applicare filtri antidisturbo vicino / collegati ai tuoi motori. Per i motori a corrente continua, che potrebbe non essere il tuo caso, è consigliabile saldare piccoli condensatori ceramici in ogni fase, il più vicino possibile al motore. I condensatori robusti (alta tensione) da 0,1 uF sono una buona regola empirica per cominciare. A seconda dell'applicazione, è anche possibile aggiungere un'altra coppia di condensatori ceramici da ciascuno dei conduttori di fase al telaio. Fai attenzione a controllare il tipo esatto di motore e driver prima di percorrere questa strada.
• Il cablaggio che collega driver e motori deve essere il più vicino possibile ed essere attorcigliato.
• I condensatori di disaccoppiamento / bypass dovrebbero essere generosamente aggiunti alle linee di alimentazione del driver, in due modi: condensatori di massa (forse in centinaia di uF, per il filtro a bassa frequenza) e condensatori ad alta frequenza (in genere 0,1uF).

Tornando al circuito che hai pubblicato, il mio approccio iniziale sarebbe:

• Non utilizzare uno starter di modo comune, poiché è più indicato per i rumori di accoppiamento capacitivi generati dall'esterno del sistema.
• Applicazione di un doppio filtro LC per entrambe le linee (potenza e ritorno GND) o, meglio ancora, un doppio filtro L pi. Questo è il filtro più efficace per il rumore da KHz a basso MHz . Un grande induttore (nella gamma mH) in serie con ciascuno dei terminali della batteria migliorerà notevolmente il rumore che entra nella parte digitale del circuito. Le perle di ferrite, al contrario, sono dissipative per loro stessa natura e più adatte a frequenze più elevate (decine di frequenze MHz).
• Sostituzione dei TVS standard e unidirezionali con TVS robusti bidirezionali (ad alta energia). Lo zener nel circuito può essere mantenuto, tuttavia, se il regolatore di ingresso non è in grado di resistere a piccoli picchi di sovratensione.
• Aggiunta di una coppia di piccoli condensatori ceramici in parallelo con il condensatore di massa: ad esempio MLCC da 1uF e 0,1uF, classificati in modo conservativo (> 100 V). Ciò aumenterà l'efficacia del filtro per frequenze più alte (> 1MHz).

Ultimo ma non meno importante, escogita un modo semplice per misurare il tuo circuito in punti critici, al fine di verificare l'efficacia dei diversi approcci. Per favore, prova a provare in circostanze simili in cui funzionerà il dispositivo reale.

Se necessario, posso fornire più riferimenti (libri, articoli) agli approcci degli approcci. Se è possibile specificare più dettagliatamente alcune parti del sistema, si applicheranno sicuramente ulteriori tecniche di filtro.

Dipende dall'ambiente della tua tavola. Chiamiamo il polo negativo della tensione di alimentazione GND. Ad esempio in un'auto, l'intero telaio è GND, ma si è collegati solo ai pin di alimentazione, non direttamente sul telaio. La scheda ha una capacità parassita contro lo chassis, quindi la corrente HF rumorosa scorrerà lì. Se hai un caso come questo, lo starter di modo comune ti aiuterà, perché la corrente HF sarà necessaria attraverso il tuo VCC e la tua linea di alimentazione GND.

Se la tua scheda crea qualche tipo di altro HF-Noise interno, un regolatore di commutazione o un qualche tipo di CPU o interfaccia di memoria, la maggior parte della corrente fluisce dal segnale ad alta velocità al tuo GND interno (commutazione ad alta velocità). La strozzatura in modalità commom non impedirà al rumore di uscire dal tuo progetto, perché c'è una corrente che fluisce dentro e una corrente che fluisce allo stesso tempo. In questo caso una perlina di ferrite sarebbe una scelta migliore.

Ti suggerisco di mantenere le ferriti per alcuni motivi. I problemi della modalità comune possono essere eliminati se i segnali sulla scheda hanno una capacità maggiore rispetto al GND interno rispetto allo chassis o ad altri dispositivi esterni. Inoltre, le ferriti sono più economiche per la maggior parte del tempo. Non conosco le tue specifiche, tuttavia, lavoro nel settore automobilistico, prenderei i ferriti.

Un induttanza di modo comune è utile per ridurre il rumore che è "modo comune" - ovviamente, in altre parole - rumore simile presente su entrambe le linee. Ciò può essere utile per filtrare il rumore ad alta frequenza come un segnale RF proveniente da un trasmettitore radio vicino. I sistemi con un involucro di metallo senza messa a terra potrebbero essere dannosi se si sospetta che il rumore HF sia indotto (induttivamente o capacitivamente) su entrambe le linee di alimentazione isolate (ad esempio se l'alloggiamento aveva altri sistemi elettrici rumorosi collegati ad esso).

Le perle di ferrite singole (come mostrato) possono ridurre i picchi di corrente acuta se dimensionate correttamente. Generalmente le sfere più piccole filtrano le frequenze più alte (anche se il materiale in ferrite è importante). Per filtrare picchi di frequenza più bassi, in genere è necessario un diametro maggiore (perline più spesse). Se le microsfere utilizzate non sembrano adeguate, cambiano in dimensioni maggiori, oppure potresti usare induttori di grande valore (induttori di grandi dimensioni simili sono spesso usati nelle linee elettriche che vanno ad apparecchiature audio hi-fi - dovrai anche verificare la gestione corrente capacità degli induttori se utilizzati).

Inoltre, l'aggiunta di un condensatore ceramico di piccolo valore in parallelo con il condensatore di grande valore può aiutare a filtrare alcuni rumori ad alta frequenza aggiuntivi. I grandi condensatori elettrolitici potrebbero non filtrare così bene il rumore ad alta frequenza.

Infine, le ferriti funzionano meglio quando scorre una corrente di rumore relativa. Le correnti di rumore inducono campi magnetici che il materiale ferrite dissapora sotto forma di calore.

Quindi supponendo che il tuo rumore non sia la modalità comune l'uso delle due sfere (o induttori) sembra la scelta migliore.

I dispositivi TVS impiegano un po 'di tempo per accendersi durante i quali i picchi di tensione in ingresso potrebbero raggiungere la micro-estremità. Le perle di ferrite possono aiutare a proteggere il dispositivo a questo proposito, mentre lo starter di modo comune offre solo un'impedenza minima (induttanza di dispersione) per l'evento di sovratensione differenziale. Se hai bisogno dell'attenuazione della modalità comune, suggerirei di utilizzare una strozzatura ibrida in modalità comune in questo caso.

La modalità comune choke e frrite non contraddicono necessariamente. Inoltre ci sono molte diverse strozzature di modo comune, per varie correnti e intervalli di frequenza. In generale, devi capire, cosa stai proteggendo da cosa. Se stai riducendo le emissioni di base causate da DC / DC a bordo, scegli due induttanze per coprire la gamma tra 0,5 MHz a 50 MHz e da 500 MHz a 5 GHz. Ultimamente potrebbe apparire una ferrite di modo comune. A proposito, potresti aver bisogno di condensatori per creare un filtro efficace attorno agli strozzatori. E, naturalmente, presta attenzione alla politica di base del tuo sistema.