การกำจัดอาวุธ EMC อย่างละเอียดสามชนิด: ตัวเก็บประจุ/ตัวเหนี่ยวนำ/ลูกปัดแม่เหล็ก

ตัวเก็บประจุแบบกรอง ตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไป และลูกปัดแม่เหล็กเป็นส่วนประกอบทั่วไปในวงจรการออกแบบ EMC และยังเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสามประการในการกำจัดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าอีกด้วย

สำหรับบทบาทของทั้งสามสิ่งนี้ในวงจร ผมเชื่อว่าวิศวกรหลายคนไม่เข้าใจ บทความนี้จากการออกแบบการวิเคราะห์โดยละเอียดเกี่ยวกับหลักการขจัด EMC ทั้งสามนี้ให้คมชัดที่สุด

1.ตัวเก็บประจุกรอง

แม้ว่าการสั่นพ้องของตัวเก็บประจุจะไม่เป็นที่ต้องการจากมุมมองของการกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูง แต่การสั่นพ้องของตัวเก็บประจุก็ไม่ได้เป็นอันตรายเสมอไป

เมื่อกำหนดความถี่ของสัญญาณรบกวนที่ต้องการกรองแล้ว สามารถปรับความจุของตัวเก็บประจุเพื่อให้จุดเรโซแนนซ์ตกบนความถี่สัญญาณรบกวนพอดี

ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรม ความถี่ของสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่ต้องกรองมักจะสูงถึงหลายร้อยเมกะเฮิรตซ์ หรือมากกว่า 1 กิกะเฮิรตซ์ สำหรับสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงเช่นนี้ จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุแบบทรูคอร์เพื่อกรองสัญญาณรบกวนออกอย่างมีประสิทธิภาพ

เหตุผลที่ตัวเก็บประจุธรรมดาไม่สามารถกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้นมีอยู่ 2 สาเหตุดังนี้:

(1) เหตุผลประการหนึ่งก็คือความเหนี่ยวนำของสายตัวเก็บประจุทำให้เกิดการสั่นพ้องของตัวเก็บประจุ ซึ่งทำให้เกิดอิมพีแดนซ์สูงต่อสัญญาณความถี่สูง และทำให้เอฟเฟกต์บายพาสของสัญญาณความถี่สูงอ่อนลง

(2) อีกเหตุผลหนึ่งก็คือความจุปรสิตระหว่างสายที่เชื่อมต่อสัญญาณความถี่สูง ทำให้เอฟเฟกต์การกรองลดลง

เหตุผลที่ตัวเก็บประจุแบบผ่านแกนสามารถกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพก็คือ ตัวเก็บประจุแบบผ่านแกนไม่เพียงแต่ไม่มีปัญหาเรื่องเหนี่ยวนำของตัวนำที่ทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ของตัวเก็บประจุต่ำเกินไปเท่านั้น

ตัวเก็บประจุแบบทรูคอร์สามารถติดตั้งบนแผงโลหะได้โดยตรง โดยใช้แผงโลหะเป็นตัวแยกความถี่สูง อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ตัวเก็บประจุแบบทรูคอร์ ปัญหาที่ควรคำนึงถึงคือปัญหาการติดตั้ง

จุดอ่อนที่ใหญ่ที่สุดของตัวเก็บประจุแบบแกนทะลุคือความกลัวต่ออุณหภูมิสูงและผลกระทบจากอุณหภูมิ ซึ่งก่อให้เกิดความยากลำบากอย่างยิ่งในการเชื่อมตัวเก็บประจุแบบแกนทะลุกับแผงโลหะ

ตัวเก็บประจุหลายตัวอาจเสียหายระหว่างการเชื่อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องติดตั้งตัวเก็บประจุแกนจำนวนมากบนแผง ตราบใดที่เกิดความเสียหาย การซ่อมแซมก็เป็นเรื่องยาก เพราะเมื่อถอดตัวเก็บประจุที่เสียหายออก จะทำให้ตัวเก็บประจุตัวอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียงเสียหายไปด้วย

2.ความเหนี่ยวนำโหมดทั่วไป

เนื่องจากปัญหาที่ EMC เผชิญส่วนใหญ่เป็นการรบกวนโหมดทั่วไป ตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไปจึงเป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพที่เราใช้กันทั่วไป

ตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไปเป็นอุปกรณ์ปราบปรามสัญญาณรบกวนโหมดทั่วไปที่มีเฟอร์ไรต์เป็นแกนกลาง ซึ่งประกอบด้วยขดลวด 2 ขดลวดที่มีขนาดเท่ากันและจำนวนรอบเท่ากันที่พันกันอย่างสมมาตรบนแกนแม่เหล็กที่มีวงแหวนเฟอร์ไรต์เดียวกันเพื่อสร้างอุปกรณ์สี่ขั้ว ซึ่งมีผลปราบปรามเหนี่ยวนำขนาดใหญ่สำหรับสัญญาณโหมดทั่วไป และเหนี่ยวนำรั่วไหลขนาดเล็กสำหรับสัญญาณโหมดต่างกัน

หลักการคือเมื่อกระแสโหมดทั่วไปไหล ฟลักซ์แม่เหล็กในวงแหวนแม่เหล็กจะซ้อนทับกัน จึงมีความเหนี่ยวนำมาก ซึ่งจะยับยั้งกระแสโหมดทั่วไป และเมื่อขดลวดทั้งสองไหลผ่านกระแสโหมดเชิงอนุพันธ์ ฟลักซ์แม่เหล็กในวงแหวนแม่เหล็กจะหักล้างกัน และแทบจะไม่มีความเหนี่ยวนำเลย ดังนั้น กระแสโหมดเชิงอนุพันธ์จึงสามารถผ่านไปได้โดยไม่มีการลดทอน

ดังนั้นตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไปจึงสามารถระงับสัญญาณรบกวนโหมดทั่วไปในสายสมดุลได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ไม่มีผลต่อการส่งสัญญาณโหมดต่างกันตามปกติ

ตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไปควรเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้เมื่อมีการผลิต:

(1) สายไฟที่พันรอบแกนคอยล์ควรได้รับการหุ้มฉนวนเพื่อให้แน่ใจว่าจะไม่มีการลัดวงจรระหว่างรอบของคอยล์ภายใต้การกระทำของแรงดันไฟเกินทันที

(2) เมื่อขดลวดไหลผ่านกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นทันที แกนแม่เหล็กจะต้องไม่อิ่มตัว

(3) แกนแม่เหล็กในขดลวดควรได้รับการแยกออกจากขดลวดเพื่อป้องกันการพังทลายระหว่างทั้งสองภายใต้การกระทำของแรงดันไฟเกินทันที

(4) ควรพันคอยล์เป็นชั้นเดียวให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดความจุปรสิตของคอยล์ และเพิ่มความสามารถของคอยล์ในการส่งแรงดันไฟเกินชั่วขณะ

ภายใต้สถานการณ์ปกติ ในขณะที่ใส่ใจกับการเลือกแบนด์ความถี่ที่จำเป็นในการกรอง ยิ่งค่าอิมพีแดนซ์โหมดทั่วไปสูงเท่าไรก็ยิ่งดี ดังนั้น เราจึงต้องดูข้อมูลอุปกรณ์เมื่อเลือกตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไป โดยพิจารณาตามเส้นโค้งความถี่อิมพีแดนซ์เป็นหลัก

นอกจากนี้ เมื่อทำการเลือก ให้ใส่ใจกับผลกระทบของอิมพีแดนซ์โหมดต่างกันต่อสัญญาณ โดยเน้นที่อิมพีแดนซ์โหมดต่างกันเป็นหลัก โดยใส่ใจเป็นพิเศษกับพอร์ตความเร็วสูง

3.ลูกปัดแม่เหล็ก

ในการออกแบบวงจรดิจิทัลของผลิตภัณฑ์ EMC เรามักใช้ลูกปัดแม่เหล็ก วัสดุเฟอร์ไรต์คือโลหะผสมเหล็ก-แมกนีเซียมหรือโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิล วัสดุนี้มีค่าการซึมผ่านของแม่เหล็กสูง จึงสามารถเป็นตัวเหนี่ยวนำระหว่างขดลวดในกรณีที่ความถี่สูงและความจุที่สร้างความต้านทานต่ำที่สุด

วัสดุเฟอร์ไรต์มักใช้ที่ความถี่สูง เนื่องจากที่ความถี่ต่ำ คุณสมบัติความเหนี่ยวนำหลักทำให้การสูญเสียบนสายส่งมีค่าน้อยมาก ที่ความถี่สูง อัตราส่วนคุณสมบัติรีแอคแตนซ์ส่วนใหญ่จะเปลี่ยนแปลงตามความถี่ ในการใช้งานจริง วัสดุเฟอร์ไรต์ถูกใช้เป็นตัวลดทอนความถี่สูงสำหรับวงจรความถี่วิทยุ

ในความเป็นจริง เฟอร์ไรต์นั้นเทียบเท่ากับการขนานของความต้านทานและความเหนี่ยวนำได้ดีกว่า โดยความต้านทานจะถูกลัดวงจรโดยตัวเหนี่ยวนำที่ความถี่ต่ำ และอิมพีแดนซ์ของตัวเหนี่ยวนำจะค่อนข้างสูงที่ความถี่สูง ทำให้กระแสไฟฟ้าทั้งหมดผ่านความต้านทานได้

เฟอร์ไรต์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานความถี่สูงเพื่อแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานความร้อน ซึ่งถูกกำหนดโดยคุณสมบัติความต้านทานไฟฟ้า ลูกปัดแม่เหล็กเฟอร์ไรต์มีคุณสมบัติการกรองความถี่สูงที่ดีกว่าตัวเหนี่ยวนำทั่วไป

เฟอร์ไรต์มีคุณสมบัติต้านทานที่ความถี่สูง เทียบเท่ากับตัวเหนี่ยวนำที่มีปัจจัยคุณภาพต่ำมาก จึงสามารถรักษาค่าอิมพีแดนซ์สูงได้ในช่วงความถี่กว้าง จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของการกรองความถี่สูง

ในย่านความถี่ต่ำ อิมพีแดนซ์ประกอบด้วยความเหนี่ยวนำ ที่ความถี่ต่ำ R มีค่าน้อยมาก และค่าการซึมผ่านของแม่เหล็กภายในแกนมีค่าสูง ทำให้ความเหนี่ยวนำมีค่าสูง L มีบทบาทสำคัญ และมีการสะท้อนกลับเพื่อยับยั้งสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า ในขณะนั้น การสูญเสียของแกนแม่เหล็กมีค่าน้อย อุปกรณ์ทั้งหมดมีการสูญเสียต่ำ Q สูง ตัวเหนี่ยวนำนี้จึงทำให้เกิดการสั่นพ้องได้ง่าย ดังนั้นในย่านความถี่ต่ำ บางครั้งอาจเกิดสัญญาณรบกวนเพิ่มขึ้นหลังจากใช้ลูกปัดแม่เหล็กเฟอร์ไรต์

ในย่านความถี่สูง อิมพีแดนซ์ประกอบด้วยส่วนประกอบของความต้านทาน เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ความสามารถในการซึมผ่านของแกนแม่เหล็กจะลดลง ส่งผลให้ค่าความเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำลดลง และค่ารีแอคแตนซ์เหนี่ยวนำก็ลดลงเช่นกัน

อย่างไรก็ตาม ในเวลานี้ การสูญเสียของแกนแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้น ส่วนประกอบความต้านทานจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ค่าอิมพีแดนซ์รวมเพิ่มขึ้น และเมื่อสัญญาณความถี่สูงผ่านเฟอร์ไรต์ สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกดูดซับและแปลงเป็นรูปแบบการกระจายความร้อน

ส่วนประกอบป้องกันเฟอร์ไรต์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแผงวงจรพิมพ์ สายไฟ และสายข้อมูล ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบป้องกันเฟอร์ไรต์จะถูกเพิ่มเข้าที่ปลายสายไฟของแผงวงจรพิมพ์เพื่อกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูง

วงแหวนแม่เหล็กเฟอร์ไรต์หรือเม็ดแม่เหล็กถูกนำมาใช้เป็นพิเศษเพื่อยับยั้งสัญญาณรบกวนความถี่สูงและสัญญาณรบกวนสูงสุดบนสายสัญญาณและสายไฟ อีกทั้งยังสามารถดูดซับสัญญาณรบกวนพัลส์จากการคายประจุไฟฟ้าสถิตได้อีกด้วย การใช้เม็ดแม่เหล็กแบบชิปหรือตัวเหนี่ยวนำแบบชิปนั้นขึ้นอยู่กับการใช้งานจริงเป็นหลัก

ตัวเหนี่ยวนำแบบชิปใช้ในวงจรเรโซแนนซ์ เมื่อจำเป็นต้องกำจัดสัญญาณรบกวน EMI ที่ไม่จำเป็น การใช้เม็ดแม่เหล็กแบบชิปจึงเป็นทางเลือกที่ดีที่สุด

การประยุกต์ใช้ลูกปัดแม่เหล็กชิปและตัวเหนี่ยวนำชิป

ตัวเหนี่ยวนำชิป:ความถี่วิทยุ (RF) และการสื่อสารไร้สาย อุปกรณ์เทคโนโลยีสารสนเทศ เครื่องตรวจจับเรดาร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ โทรศัพท์มือถือ เพจเจอร์ อุปกรณ์เสียง ผู้ช่วยดิจิทัลส่วนบุคคล (PDA) ระบบควบคุมระยะไกลไร้สาย และโมดูลแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำ

ลูกปัดแม่เหล็กชิป:วงจรสร้างสัญญาณนาฬิกา การกรองระหว่างวงจรอนาล็อกและดิจิตอล ขั้วต่อภายในอินพุต/เอาต์พุต I/O (เช่น พอร์ตซีเรียล พอร์ตขนาน คีย์บอร์ด เมาส์ โทรคมนาคมระยะไกล เครือข่ายพื้นที่ท้องถิ่น) วงจร RF และอุปกรณ์ลอจิกที่อาจเกิดการรบกวน การกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงที่ส่งผ่านในวงจรแหล่งจ่ายไฟ คอมพิวเตอร์ เครื่องพิมพ์ เครื่องบันทึกวิดีโอ (VCRS) การลดสัญญาณรบกวน EMI ในระบบโทรทัศน์และโทรศัพท์มือถือ

หน่วยของเม็ดแม่เหล็กคือโอห์ม เนื่องจากหน่วยของเม็ดแม่เหล็กเป็นค่าปกติตามค่าอิมพีแดนซ์ที่สร้างขึ้นที่ความถี่หนึ่ง และหน่วยของอิมพีแดนซ์ก็เป็นโอห์มเช่นกัน

DATASHEET ลูกปัดแม่เหล็กโดยทั่วไปจะระบุลักษณะความถี่และอิมพีแดนซ์ของเส้นโค้ง โดยทั่วไปคือ 100MHz เป็นมาตรฐาน เช่น เมื่อความถี่ 100MHz เมื่ออิมพีแดนซ์ของลูกปัดแม่เหล็กเทียบเท่ากับ 1,000 โอห์ม

สำหรับย่านความถี่ที่เราต้องการกรอง เราต้องเลือกค่าอิมพีแดนซ์ของเม็ดแม่เหล็กที่มากขึ้นเท่าไรก็ยิ่งดี โดยทั่วไปควรเลือกค่าอิมพีแดนซ์ 600 โอห์มขึ้นไป

นอกจากนี้ เมื่อเลือกลูกปัดแม่เหล็ก จำเป็นต้องใส่ใจฟลักซ์ของลูกปัดแม่เหล็ก ซึ่งโดยทั่วไปจะต้องลดเรตลง 80% และควรพิจารณาอิทธิพลของอิมพีแดนซ์ DC ต่อการลดแรงดันไฟเมื่อใช้ในวงจรไฟฟ้า