Ферритовый шарик против синфазного дросселя

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Я унаследовал верхнюю схему от предыдущего дизайнера в моей команде робототехники. Схема использует два ферритовых шарика, стабилитрон, TVS и конденсатор для фильтрации входящего питания. Поступающая сила исходит от батарей. Наряду с цифровой схемой к батареям подключены большие двигатели, что создает очень шумную среду. Насколько я понимаю, с помощью ферритовых шариков стабилитрон и ТВС подавляют любые всплески. Тогда большой конденсатор выдерживает любые провалы. Эта схема хорошо сработала.

Мой вопрос заключается в том, может ли замена ферритовых шариков синфазным дросселем улучшить фильтрацию или, если они не сломаны, не исправить?

(Я просто использовал общие компоненты, чтобы дать общую схему цепи, верхняя часть - текущая схема, а нижняя - мое предлагаемое изменение)

Дополнительная информация Схема собирается в робота. Робот изготовлен из экструдированного алюминия (не заземлен), а все это покрыто прозрачным акрилом. Все это питается от 24V 8-элементной литиево-железо-фосфатной батареи 20Ah 10C. Цифровая схема рисует около 1А. Двигатели - два двигателя инвалидного кресла. Двигатели рассчитаны на 60А макс., Но они никогда не приводятся в движение так сильно, обычно около 50% или меньше. Двигатели приводятся в действие мостовыми контроллерами Vex Victor H.

Несмотря на то, что этот вопрос выглядит как очень конкретный, его действительно можно рассматривать как гораздо более общий вопрос фильтрации случаев: «Как можно отфильтровать электрический шум, исходящий от силовых электродвигателей?» ,

Первыми информационными данными, которые нам необходимо собрать заранее, является тип шума, которому подвергается наша схема. Иногда действительно трудно получить эти данные заранее, иногда еще сложнее измерить шум без предварительного опыта и высококлассного лабораторного оборудования.

В целом, мы можем оценить наши источники шума с точки зрения:

• Внутренний или внешний. Т.е. шум приходит / генерируется внутри нашей собственной системы? Или это выходит за пределы нашей системы?
• Механизм связи: емкостная связь, индуктивная связь, контуры заземления, электромагнитное излучение ...
• Характеристики шума: переключаемый, термический (гауссовский), выстрел, мерцание ...
• Диапазон частот и Q. Насколько узкий или широкий диапазон наш шум? За пределами этой полосы он падает / исчезает (фактор качества)?

Выше приведен неполный список, который может служить только отправной точкой.

Тогда есть много методов, я имею в виду буквально сотни трюков и более широких подходов в зависимости от случая.

Если углубиться в специфику исходного вопроса, это мое лучшее предположение о типе шума, который может возникать в системе,

1. Шум исходит в основном из самой системы, силовых двигателей и цепей драйверов. 30 А пикового тока переключения достаточно велико для генерации импульсов, которые могут легко соединяться с остальной частью схемы.
2. Емкостная связь, индуктивная связь и контуры заземления могут быть источником проблем из-за сильных импульсов тока драйверов.
3. Шум переключается, я полагаю, в области ниже 1 МГц, однако, гармоники в диапазоне 1-10 МГц можно легко генерировать / излучать.

Некоторые практические советы и приемы борьбы с шумом в системе выше:

• Если возможно, физически отделите двигатели и драйверы от остальных цепей. Это очевидно не возможно во всех случаях, например, если у вас есть одна плата для всей электроники. Однако, если вы можете позволить себе иметь две отдельные платы, одну для управления двигателями, другую для остальной части системы, полезно сделать это.
• Избегайте проблем заземления и петлевого соединения шума, используя тщательно продуманное заземление для всех ваших цепей, включая силовые драйверы, аккумуляторы и шасси.
• Не допускайте, чтобы какое-либо шасси или большая металлическая деталь плавали, поскольку это будет взаимодействовать с электромагнитными полями, создаваемыми двигателями и силовыми приводами, отражая, распространяя и / или испуская электромагнитные поля в качестве дополнительного шума.
• Что касается самих двигателей и, в зависимости от типа двигателя, вы, безусловно, можете применять шумовые фильтры рядом с двигателями. Для двигателей постоянного тока, которые могут не подходить для вас, целесообразно припаять небольшие керамические конденсаторы на каждой фазе как можно ближе к двигателю. Прочные (высоковольтные) конденсаторы емкостью 0,1 мкФ - хорошее правило для начала. В зависимости от применения, вы также можете добавить еще одну пару керамических конденсаторов от каждого из фазных выводов к корпусу. Остерегайтесь проверять точный тип двигателя и водителя перед тем, как идти по этому маршруту.
• Кабель, соединяющий драйверы и двигатели, должен быть как можно ближе и скручен.
• Конденсаторы развязки / байпаса должны щедро добавляться к линиям электропитания вашего драйвера в двух вариантах: объемные конденсаторы (возможно, в сотнях мкФ для низкочастотной фильтрации) и высокочастотные конденсаторы (обычно 0,1 мкФ).

Возвращаясь к схеме, которую вы разместили, мой первоначальный подход был бы следующим:

• Не использовать синфазный дроссель, так как он больше показан для емкостных шумов связи, генерируемых извне вашей системы.
• Применение двойной LC-фильтрации для обеих линий (мощность и обратная связь GND) или, что еще лучше, двойной L-пи-фильтр. Это наиболее эффективный фильтр для шумов от КГц до низких МГц . Большой индуктор (в диапазоне мГн), включенный последовательно с каждой из клемм батареи, значительно улучшит шум, поступающий в цифровую часть вашей цепи. Ферритовые шарики, напротив, по своей природе диссипативны и лучше всего подходят для более высоких (десятки частот МГц).
• Замена стандартной стабилитронной и однонаправленной TVS для двунаправленной прочной (высокой энергии) TVS. Однако стабилизацию в вашей цепи можно сохранить, если ваш входной регулятор не может выдержать небольшие пики перенапряжения.
• Добавление пары небольших керамических конденсаторов параллельно с емкостным конденсатором: например, 1 мкФ и 0,1 мкФ MLCC, рассчитанные на консервативную работу (> 100 В). Это повысит эффективность вашего фильтра для более высоких частот (> 1 МГц).

И последнее, но не менее важное: разработайте простой способ измерения вашей схемы в критических точках, чтобы проверить эффективность различных подходов. Пожалуйста, попробуйте выполнить тестирование в тех же условиях, что и при работе реального устройства.

При необходимости я могу предоставить больше ссылок (книг, статей) на вышеприведенные подходы. Если вы сможете более подробно указать некоторые части вашей системы, наверняка будут применяться дополнительные методы фильтрации.

Это зависит от среды вашей доски. Давайте назовем отрицательный полюс вашего напряжения питания GND. Например, в автомобиле все шасси имеет GND, но вы подключены только к контактам питания, а не напрямую к шасси. Ваша плата имеет паразитную емкость относительно шасси, поэтому там будет проходить шумный ВЧ-ток. Если у вас есть такой случай, дроссель синфазного режима поможет, потому что ВЧ-ток будет необходим через ваш VCC и вашу линию питания GND.

Если ваша плата создает какой-либо другой внутренний ВЧ-шум, регулятор переключения или какой-либо интерфейс ЦП или памяти, большая часть тока проходит от высокоскоростного сигнала к вашему внутреннему GND (высокоскоростное переключение). Дроссель режима commom не помешает шуму выйти из вашей конструкции, потому что в него входит ток и ток течет одновременно. В этом случае ферритовый шарик будет лучшим выбором.

Я предлагаю вам оставить ферриты по некоторым причинам. Проблемы синфазного режима могут быть устранены, если ваши сигналы на плате имеют большую емкость к вашему внутреннему GND по сравнению с шасси или некоторыми другими внешними устройствами. В дополнение к этому, ферриты дешевле в большинстве случаев. Я не знаю ваших спецификаций, однако, я работаю в автомобильной промышленности, я бы взял ферриты.

Дроссель синфазного режима полезен для уменьшения шума, который является «обычным режимом» - очевидно, другими словами, - похожий шум присутствует в обеих линиях. Это может быть полезно для фильтрации высокочастотного шума, такого как РЧ-сигнал, поступающий от ближайшего радиопередатчика. Системы с незаземленным металлическим корпусом могут быть полезны, если есть подозрение, что высокочастотный шум индуктивно (индуктивно или емкостно) индуцируется в обе изолированные линии электропередачи (например, если к корпусу подключены другие шумовые электрические системы).

Одиночные ферритовые шарики (как показано) могут уменьшить острые пики тока, если они имеют правильный размер. Как правило, более мелкие шарики фильтруют более высокие частоты (хотя ферритовый материал тоже имеет значение). Чтобы отфильтровать пики с более низкой частотой, вам обычно нужны более крупные (более толстые бусы). Если используемые шарики не кажутся адекватными, измените их на больший размер или вы можете вместо этого использовать индукторы с большим значением (аналогичные большие индукторы часто используются в линиях электропередач, идущих к аудиооборудованию Hi-Fi - вам также необходимо проверить текущую обработку возможности индукторов, если они используются).

Кроме того, добавление керамического конденсатора небольшой стоимости в парелле с конденсатором большой стоимости может помочь отфильтровать некоторые дополнительные высокочастотные шумы. Большие электролитические конденсаторы могут плохо фильтровать высокочастотные шумы.

Наконец, ферриты работают лучше всего, когда протекает некоторый относительный шумовой ток. Шумовые токи создают магнитные поля, которые ферритовый материал рассеивает в виде тепла.

Таким образом, если предположить, что ваш шум не является обычным режимом, использование двух шариков (или катушек индуктивности) кажется лучшим выбором.

Устройствам TVS требуется некоторое время для включения, во время которого пики входного напряжения могут достигать микро конца. Ферритовые шарики могут помочь защитить устройство в этом отношении, в то время как синфазный дроссель предлагает только минимальное сопротивление (индуктивность рассеяния) для дифференциального всплеска. Если вам требуется синфазное затухание, я бы предложил в этом случае использовать гибридный синфазный дроссель.

Синфазный дроссель и фритта не обязательно противоречат друг другу. Также существует множество различных синфазных дросселей для различных токов и частотных диапазонов. В общем, вы должны понимать, что вы от чего защищаете. Если вы уменьшаете излучение, вызванное постоянным / постоянным током, выберите два дросселя, чтобы охватить диапазон от 0,5 МГц до 50 МГц и от 500 МГц до 5 ГГц. Позднее вполне может появиться ферритовый синфазный режим. Кстати, вам могут понадобиться конденсаторы для создания эффективного фильтра вокруг дросселей. И конечно же обратите внимание на основную политику вашей системы.