การกำจัดอาวุธสามอย่างของ EMC โดยละเอียด: ตัวเก็บประจุ/ตัวเหนี่ยวนำ/เม็ดแม่เหล็ก

ตัวเก็บประจุตัวกรอง ตัวเหนี่ยวนำโหมดร่วม และบีดแม่เหล็กเป็นตัวเลขทั่วไปในวงจรการออกแบบของ EMC และยังเป็นเครื่องมืออันทรงพลังสามชนิดในการขจัดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

สำหรับบทบาทของทั้งสามคนนี้ในวงจรผมเชื่อว่ามีวิศวกรหลายคนไม่เข้าใจบทความจากการออกแบบการวิเคราะห์รายละเอียดหลักการขจัดสาม EMC ที่คมชัดที่สุด

1.ตัวเก็บประจุกรอง

แม้ว่าเสียงสะท้อนของตัวเก็บประจุจะไม่เป็นที่พึงปรารถนาจากมุมมองของการกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูง แต่เสียงสะท้อนของตัวเก็บประจุก็ไม่ได้เป็นอันตรายเสมอไป

เมื่อกำหนดความถี่ของเสียงที่จะกรอง ความจุของตัวเก็บประจุสามารถปรับได้เพื่อให้จุดเรโซแนนซ์ตกกับความถี่รบกวน

ในทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ ความถี่ของสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่จะกรองมักจะสูงถึงหลายร้อย MHz หรือมากกว่า 1GHz ด้วยซ้ำ สำหรับสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงดังกล่าว จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุแบบทรูคอร์เพื่อกรองออกอย่างมีประสิทธิภาพ

สาเหตุที่ตัวเก็บประจุธรรมดาไม่สามารถกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้นเป็นเพราะเหตุผลสองประการ:

(1) เหตุผลหนึ่งก็คือ การเหนี่ยวนำของตะกั่วของตัวเก็บประจุทำให้เกิดเสียงสะท้อนของตัวเก็บประจุ ซึ่งนำเสนอความต้านทานขนาดใหญ่ต่อสัญญาณความถี่สูง และทำให้ผลบายพาสของสัญญาณความถี่สูงอ่อนลง

(2) อีกเหตุผลหนึ่งคือความจุของปรสิตระหว่างสายไฟที่เชื่อมต่อกับสัญญาณความถี่สูง ช่วยลดผลการกรอง

เหตุผลที่ตัวเก็บประจุแบบผ่านคอร์สามารถกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพก็คือ ตัวเก็บประจุแบบผ่านคอร์ไม่เพียงแต่ไม่มีปัญหาที่ตัวเหนี่ยวนำตะกั่วทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ของตัวเก็บประจุต่ำเกินไป

และสามารถติดตั้งตัวเก็บประจุผ่านคอร์ได้โดยตรงบนแผงโลหะโดยใช้แผงโลหะเพื่อทำหน้าที่แยกความถี่สูง อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ตัวเก็บประจุแบบผ่านคอร์ ปัญหาที่ต้องใส่ใจคือปัญหาในการติดตั้ง

จุดอ่อนที่ใหญ่ที่สุดของตัวเก็บประจุแบบทะลุผ่านคอร์คือความกลัวต่ออุณหภูมิและอุณหภูมิที่สูงซึ่งทำให้เกิดปัญหาอย่างมากเมื่อเชื่อมตัวเก็บประจุแบบทะลุแกนเข้ากับแผงโลหะ

ตัวเก็บประจุจำนวนมากเสียหายระหว่างการเชื่อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องติดตั้งคอร์คาปาซิเตอร์จำนวนมากบนแผง ตราบใดที่มีความเสียหายก็ซ่อมได้ยาก เพราะเมื่อถอดคาปาซิเตอร์ที่เสียหายออกก็จะทำให้เกิดความเสียหายกับตัวเก็บประจุตัวอื่นๆ ในบริเวณใกล้เคียง

2.ตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไป

เนื่องจากปัญหาที่ EMC เผชิญส่วนใหญ่เป็นการรบกวนในโหมดทั่วไป ตัวเหนี่ยวนำโหมดร่วมจึงเป็นหนึ่งในส่วนประกอบอันทรงพลังที่เราใช้กันทั่วไป

ตัวเหนี่ยวนำโหมดร่วมเป็นอุปกรณ์ปราบปรามการรบกวนโหมดทั่วไปที่มีเฟอร์ไรต์เป็นแกน ซึ่งประกอบด้วยขดลวดสองขดลวดที่มีขนาดเท่ากันและจำนวนรอบเท่ากันที่พันอย่างสมมาตรบนแกนแม่เหล็กวงแหวนเฟอร์ไรต์เดียวกันเพื่อสร้างอุปกรณ์สี่ขั้ว ซึ่ง มีผลการปราบปรามการเหนี่ยวนำขนาดใหญ่สำหรับสัญญาณโหมดทั่วไป และการเหนี่ยวนำการรั่วไหลเล็กน้อยสำหรับสัญญาณโหมดดิฟเฟอเรนเชียล

หลักการคือเมื่อกระแสโหมดร่วมไหล ฟลักซ์แม่เหล็กในวงแหวนแม่เหล็กจะซ้อนทับกัน จึงมีการเหนี่ยวนำอย่างมาก ซึ่งจะยับยั้งกระแสโหมดร่วม และเมื่อขดลวดทั้งสองไหลผ่านกระแสโหมดดิฟเฟอเรนเชียล ฟลักซ์แม่เหล็ก ในวงแหวนแม่เหล็กจะหักล้างกัน และแทบไม่มีการเหนี่ยวนำ ดังนั้นกระแสของโหมดดิฟเฟอเรนเชียลจึงสามารถผ่านได้โดยไม่มีการลดทอน

ดังนั้นตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไปสามารถปราบปรามสัญญาณรบกวนโหมดทั่วไปในสายสมดุลได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ไม่มีผลกระทบต่อการส่งสัญญาณโหมดดิฟเฟอเรนเชียลปกติ

ตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไปควรเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้เมื่อผลิต:

(1) สายไฟที่พันบนแกนคอยล์ควรได้รับการหุ้มฉนวนเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการลัดวงจรระหว่างรอบของคอยล์ภายใต้การกระทำของแรงดันไฟฟ้าเกินทันที

(2) เมื่อขดลวดไหลผ่านกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ทันที แกนแม่เหล็กไม่ควรอิ่มตัว

(3) แกนแม่เหล็กในขดลวดควรหุ้มฉนวนจากขดลวดเพื่อป้องกันการพังทลายระหว่างทั้งสองภายใต้การกระทำของแรงดันไฟฟ้าเกินทันที

(4) ขดลวดควรพันเป็นชั้นเดียวเท่าที่เป็นไปได้ เพื่อลดความจุปรสิตของขดลวด และเพิ่มความสามารถของขดลวดในการส่งแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วคราว

ภายใต้สถานการณ์ปกติ ในขณะที่ให้ความสนใจกับการเลือกย่านความถี่ที่จำเป็นในการกรอง ยิ่งอิมพีแดนซ์โหมดทั่วไปยิ่งใหญ่เท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น ดังนั้นเราจำเป็นต้องดูข้อมูลอุปกรณ์เมื่อเลือกตัวเหนี่ยวนำโหมดร่วม ส่วนใหญ่ตาม เส้นความถี่อิมพีแดนซ์

นอกจากนี้ เมื่อเลือก ให้ใส่ใจกับผลกระทบของอิมพีแดนซ์โหมดดิฟเฟอเรนเชียลต่อสัญญาณ โดยเน้นที่อิมพีแดนซ์โหมดดิฟเฟอเรนเชียลเป็นหลัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใส่ใจกับพอร์ตความเร็วสูง

3.ลูกปัดแม่เหล็ก

ในกระบวนการออกแบบวงจรดิจิตอลของผลิตภัณฑ์ EMC เรามักจะใช้ลูกปัดแม่เหล็ก วัสดุเฟอร์ไรท์คือโลหะผสมเหล็กแมกนีเซียมหรือโลหะผสมเหล็กนิกเกิล วัสดุนี้มีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสูง เขาสามารถเป็นตัวเหนี่ยวนำระหว่างขดลวดขดลวดในกรณีที่มีอุณหภูมิสูง ความถี่และความต้านทานสูงสร้างความจุขั้นต่ำ

โดยปกติแล้ววัสดุเฟอร์ไรต์จะใช้ที่ความถี่สูง เนื่องจากที่ความถี่ต่ำ ลักษณะการเหนี่ยวนำหลักจะทำให้การสูญเสียในเส้นมีค่าน้อยมาก ที่ความถี่สูง พวกมันส่วนใหญ่เป็นอัตราส่วนลักษณะเฉพาะของรีแอกแตนซ์และการเปลี่ยนแปลงตามความถี่ ในการใช้งานจริง วัสดุเฟอร์ไรต์จะถูกใช้เป็นตัวลดทอนความถี่สูงสำหรับวงจรความถี่วิทยุ

ในความเป็นจริง เฟอร์ไรต์เทียบเท่ากับขนานของความต้านทานและการเหนี่ยวนำได้ดีกว่า ความต้านทานจะลัดวงจรโดยตัวเหนี่ยวนำที่ความถี่ต่ำ และความต้านทานของตัวเหนี่ยวนำจะค่อนข้างสูงที่ความถี่สูง ดังนั้นกระแสทั้งหมดจึงผ่านความต้านทาน

เฟอร์ไรต์เป็นอุปกรณ์สิ้นเปลืองซึ่งพลังงานความถี่สูงถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนซึ่งถูกกำหนดโดยลักษณะความต้านทานไฟฟ้า เม็ดแม่เหล็กเฟอร์ไรต์มีคุณสมบัติในการกรองความถี่สูงได้ดีกว่าตัวเหนี่ยวนำทั่วไป

เฟอร์ไรต์มีความต้านทานที่ความถี่สูง เทียบเท่ากับตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าแฟคเตอร์คุณภาพต่ำมาก จึงสามารถรักษาความต้านทานสูงไว้ในช่วงความถี่ที่กว้างได้ จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของการกรองความถี่สูง

ในย่านความถี่ต่ำ อิมพีแดนซ์จะประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ ที่ความถี่ต่ำ R มีขนาดเล็กมาก และการซึมผ่านของแม่เหล็กของแกนสูง ดังนั้นความเหนี่ยวนำจึงมีขนาดใหญ่ L มีบทบาทสำคัญ และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกระงับโดยการสะท้อน และในเวลานี้ การสูญเสียแกนแม่เหล็กมีขนาดเล็ก อุปกรณ์ทั้งหมดมีการสูญเสียต่ำ ลักษณะ Q สูงของตัวเหนี่ยวนำ ตัวเหนี่ยวนำนี้ง่ายต่อการทำให้เกิดเสียงสะท้อน ดังนั้นในย่านความถี่ต่ำ บางครั้งอาจมีการรบกวนที่เพิ่มขึ้น หลังจากใช้เม็ดแม่เหล็กเฟอร์ไรต์

ในย่านความถี่สูง อิมพีแดนซ์จะประกอบด้วยส่วนประกอบของความต้านทาน เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น การซึมผ่านของแกนแม่เหล็กจะลดลง ส่งผลให้ค่าความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำลดลง และส่วนประกอบของปฏิกิริยารีแอคแตนซ์แบบเหนี่ยวนำลดลง

อย่างไรก็ตาม ในเวลานี้ การสูญเสียแกนแม่เหล็กเพิ่มขึ้น ส่วนประกอบความต้านทานเพิ่มขึ้น ส่งผลให้อิมพีแดนซ์รวมเพิ่มขึ้น และเมื่อสัญญาณความถี่สูงผ่านเฟอร์ไรต์ สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกดูดซับและแปลงเป็นรูปแบบ ของการกระจายความร้อน

ส่วนประกอบปราบปรามเฟอร์ไรต์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแผงวงจรพิมพ์ สายไฟ และสายข้อมูล ตัวอย่างเช่น มีการเพิ่มองค์ประกอบปราบปรามเฟอร์ไรต์ที่ปลายขาเข้าของสายไฟของบอร์ดที่พิมพ์เพื่อกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูง

วงแหวนแม่เหล็กเฟอร์ไรต์หรือเม็ดแม่เหล็กถูกนำมาใช้เป็นพิเศษเพื่อระงับการรบกวนความถี่สูงและการรบกวนสูงสุดบนสายสัญญาณและสายไฟ และยังมีความสามารถในการดูดซับการรบกวนพัลส์การปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต การใช้เม็ดแม่เหล็กชิปหรือตัวเหนี่ยวนำชิปส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการใช้งานจริง

ตัวเหนี่ยวนำชิปใช้ในวงจรเรโซแนนซ์ เมื่อจำเป็นต้องกำจัดสัญญาณรบกวน EMI ที่ไม่จำเป็น การใช้ลูกปัดแม่เหล็กแบบชิปคือตัวเลือกที่ดีที่สุด

การใช้เม็ดแม่เหล็กชิปและตัวเหนี่ยวนำชิป

ตัวเหนี่ยวนำชิป:การสื่อสารด้วยความถี่วิทยุ (RF) และไร้สาย อุปกรณ์เทคโนโลยีสารสนเทศ เครื่องตรวจจับเรดาร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์ โทรศัพท์มือถือ เพจเจอร์ อุปกรณ์เครื่องเสียง อุปกรณ์ผู้ช่วยดิจิทัลส่วนบุคคล (PDA) ระบบควบคุมระยะไกลไร้สาย และโมดูลจ่ายไฟแรงดันต่ำ

ชิปลูกปัดแม่เหล็ก:วงจรสร้างสัญญาณนาฬิกา การกรองระหว่างวงจรแอนะล็อกและดิจิทัล ขั้วต่อภายในอินพุต/เอาท์พุต I/O (เช่น พอร์ตอนุกรม พอร์ตขนาน แป้นพิมพ์ เมาส์ โทรคมนาคมทางไกล เครือข่ายเฉพาะที่) วงจร RF และอุปกรณ์ลอจิกที่ไวต่อ การรบกวน การกรองสัญญาณรบกวนที่ทำความถี่สูงในวงจรจ่ายไฟ คอมพิวเตอร์ เครื่องพิมพ์ เครื่องบันทึกวิดีโอ (VCRS) การลดสัญญาณรบกวน EMI ในระบบโทรทัศน์และโทรศัพท์มือถือ

หน่วยของเม็ดแม่เหล็กคือ โอห์ม เนื่องจากหน่วยของเม็ดแม่เหล็กมีค่าระบุตามอิมพีแดนซ์ที่เกิดขึ้นที่ความถี่หนึ่ง และหน่วยของอิมพีแดนซ์ก็คือโอห์มเช่นกัน

โดยทั่วไปแล้วลูกปัดแม่เหล็ก DATASHEET จะให้คุณลักษณะความถี่และอิมพีแดนซ์ของเส้นโค้ง โดยทั่วไปคือ 100MHz เป็นมาตรฐาน ตัวอย่างเช่น เมื่อความถี่ 100MHz เมื่ออิมพีแดนซ์ของบีดแม่เหล็กเท่ากับ 1000 โอห์ม

สำหรับย่านความถี่ที่เราต้องการกรอง เราต้องเลือกยิ่งอิมพีแดนซ์ของเม็ดแม่เหล็กมากเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น ปกติจะเลือกอิมพีแดนซ์ 600 โอห์มหรือมากกว่า

นอกจากนี้ เมื่อเลือกเม็ดแม่เหล็ก จำเป็นต้องคำนึงถึงฟลักซ์ของเม็ดแม่เหล็ก ซึ่งโดยทั่วไปจะต้องมีการลดพิกัดลง 80% และควรพิจารณาอิทธิพลของความต้านทานกระแสตรงต่อแรงดันตกคร่อมเมื่อใช้ในวงจรไฟฟ้า