Tụ lọc, cuộn cảm chế độ chung và hạt từ là những thành phần phổ biến trong mạch thiết kế EMC và cũng là ba công cụ mạnh mẽ để loại bỏ nhiễu điện từ.
Về vai trò của ba thành phần này trong mạch điện, tôi tin rằng có nhiều kỹ sư chưa hiểu rõ, bài viết từ thiết kế phân tích chi tiết nguyên lý loại bỏ ba thành phần EMC sắc bén nhất.
1. Tụ lọc
Mặc dù hiện tượng cộng hưởng của tụ điện không mong muốn khi xét đến việc lọc nhiễu tần số cao, nhưng hiện tượng cộng hưởng của tụ điện không phải lúc nào cũng có hại.
Khi xác định được tần số nhiễu cần lọc, có thể điều chỉnh điện dung của tụ điện sao cho điểm cộng hưởng chỉ nằm trên tần số nhiễu.
Trong kỹ thuật thực tế, tần số nhiễu điện từ cần lọc thường cao tới hàng trăm MHz, thậm chí hơn 1 GHz. Đối với nhiễu điện từ tần số cao như vậy, cần phải sử dụng tụ điện xuyên lõi để lọc hiệu quả.
Lý do tại sao tụ điện thông thường không thể lọc hiệu quả tiếng ồn tần số cao là vì hai lý do:
(1) Một lý do là độ tự cảm của tụ điện gây ra cộng hưởng tụ điện, tạo ra trở kháng lớn đối với tín hiệu tần số cao và làm suy yếu hiệu ứng bỏ qua của tín hiệu tần số cao;
(2) Một lý do khác là điện dung ký sinh giữa các dây dẫn ghép tín hiệu tần số cao, làm giảm hiệu ứng lọc.
Lý do tại sao tụ điện lõi xuyên có thể lọc nhiễu tần số cao hiệu quả là vì tụ điện lõi xuyên không những không gặp phải vấn đề độ tự cảm dẫn đến tần số cộng hưởng của tụ điện quá thấp.
Tụ điện xuyên lõi có thể được lắp trực tiếp trên tấm kim loại, sử dụng tấm kim loại để đóng vai trò cách ly tần số cao. Tuy nhiên, khi sử dụng tụ điện xuyên lõi, vấn đề cần lưu ý là vấn đề lắp đặt.
Điểm yếu lớn nhất của tụ điện xuyên lõi là sợ nhiệt độ cao và tác động nhiệt độ, gây khó khăn lớn khi hàn tụ điện xuyên lõi vào tấm kim loại.
Nhiều tụ điện bị hỏng trong quá trình hàn. Đặc biệt là khi cần lắp đặt nhiều tụ điện lõi trên bảng mạch, chỉ cần có hư hỏng là rất khó sửa chữa, vì khi tháo tụ điện bị hỏng sẽ gây hư hỏng cho các tụ điện lân cận khác.
2. Độ tự cảm chế độ chung
Vì các vấn đề EMC gặp phải chủ yếu là nhiễu chế độ chung nên cuộn cảm chế độ chung cũng là một trong những linh kiện mạnh mẽ thường được sử dụng của chúng tôi.
Cuộn cảm chế độ chung là thiết bị triệt nhiễu chế độ chung với lõi là ferit, bao gồm hai cuộn dây có cùng kích thước và cùng số vòng được quấn đối xứng trên cùng một lõi từ vòng ferit để tạo thành thiết bị bốn đầu cuối, có tác dụng triệt nhiễu độ tự cảm lớn đối với tín hiệu chế độ chung và độ tự cảm rò rỉ nhỏ đối với tín hiệu chế độ vi sai.
Nguyên lý là khi dòng điện chế độ chung chạy qua, từ thông trong vòng từ chồng lên nhau, do đó có độ tự cảm đáng kể, ức chế dòng điện chế độ chung, và khi hai cuộn dây chạy qua dòng điện chế độ vi sai, từ thông trong vòng từ triệt tiêu lẫn nhau và hầu như không có độ tự cảm, do đó dòng điện chế độ vi sai có thể đi qua mà không bị suy giảm.
Do đó, cuộn cảm chế độ chung có thể triệt tiêu hiệu quả tín hiệu nhiễu chế độ chung trong đường dây cân bằng, nhưng không ảnh hưởng đến quá trình truyền tín hiệu chế độ vi sai thông thường.
Cuộn cảm chế độ chung phải đáp ứng các yêu cầu sau khi được sản xuất:
(1) Dây quấn trên lõi cuộn dây phải được cách điện để đảm bảo không xảy ra hiện tượng đoản mạch đánh thủng giữa các vòng dây của cuộn dây dưới tác động của quá điện áp tức thời;
(2) Khi cuộn dây chạy qua dòng điện lớn tức thời, lõi từ không được bão hòa;
(3) Lõi từ trong cuộn dây phải được cách điện với cuộn dây để tránh sự đánh thủng giữa hai cuộn dây dưới tác động của quá điện áp tức thời;
(4) Cuộn dây phải được quấn thành một lớp càng xa càng tốt để giảm điện dung ký sinh của cuộn dây và tăng khả năng truyền điện áp quá độ của cuộn dây.
Trong trường hợp bình thường, khi chú ý đến việc lựa chọn băng tần cần lọc, trở kháng chế độ chung càng lớn thì càng tốt, do đó, chúng ta cần xem xét dữ liệu thiết bị khi lựa chọn cuộn cảm chế độ chung, chủ yếu theo đường cong tần số trở kháng.
Ngoài ra, khi lựa chọn cần chú ý đến ảnh hưởng của trở kháng chế độ vi sai lên tín hiệu, chủ yếu tập trung vào trở kháng chế độ vi sai, đặc biệt chú ý đến các cổng tốc độ cao.
3.Hạt từ tính
Trong quá trình thiết kế mạch kỹ thuật số EMC của sản phẩm, chúng tôi thường sử dụng hạt từ tính, vật liệu ferit là hợp kim sắt-magiê hoặc hợp kim sắt-niken, vật liệu này có độ từ thẩm cao, có thể là cuộn cảm giữa các cuộn dây quấn trong trường hợp tần số cao và điện trở lớn tạo ra điện dung tối thiểu.
Vật liệu ferit thường được sử dụng ở tần số cao, vì ở tần số thấp, đặc tính tự cảm chính của chúng làm cho suy hao trên đường dây rất nhỏ. Ở tần số cao, chúng chủ yếu là các tỷ số đặc tính điện kháng và thay đổi theo tần số. Trong các ứng dụng thực tế, vật liệu ferit được sử dụng làm bộ suy giảm tần số cao cho các mạch tần số vô tuyến.
Trên thực tế, ferit tương đương tốt hơn với sự song song của điện trở và độ tự cảm, điện trở bị ngắn mạch bởi cuộn cảm ở tần số thấp và trở kháng của cuộn cảm trở nên khá cao ở tần số cao, do đó toàn bộ dòng điện đều đi qua điện trở.
Ferrite là một thiết bị tiêu thụ năng lượng tần số cao được chuyển đổi thành nhiệt năng, được xác định bởi đặc tính điện trở của nó. Hạt từ ferrite có đặc tính lọc tần số cao tốt hơn so với cuộn cảm thông thường.
Ferrite có điện trở ở tần số cao, tương đương với cuộn cảm có hệ số chất lượng rất thấp, do đó nó có thể duy trì trở kháng cao trên dải tần số rộng, do đó cải thiện hiệu quả lọc tần số cao.
Ở dải tần số thấp, trở kháng được cấu thành từ độ tự cảm. Ở tần số thấp, R rất nhỏ, độ từ thẩm của lõi cao, do đó độ tự cảm lớn. L đóng vai trò quan trọng, và nhiễu điện từ được triệt tiêu bằng phản xạ. Đồng thời, tổn hao của lõi từ nhỏ, toàn bộ thiết bị có tổn hao thấp, đặc tính Q cao của cuộn cảm, cuộn cảm này dễ gây ra cộng hưởng, do đó ở dải tần số thấp, đôi khi có thể xảy ra nhiễu tăng cường sau khi sử dụng hạt từ ferit.
Ở dải tần số cao, trở kháng được tạo thành từ các thành phần điện trở. Khi tần số tăng, độ từ thẩm của lõi từ giảm, dẫn đến độ tự cảm của cuộn cảm giảm và thành phần điện kháng cảm ứng cũng giảm.
Tuy nhiên, lúc này, tổn thất của lõi từ tăng lên, thành phần điện trở tăng lên, dẫn đến tổng trở tăng lên, khi tín hiệu tần số cao đi qua ferit, nhiễu điện từ bị hấp thụ và chuyển hóa thành dạng tản nhiệt.
Linh kiện triệt nhiễu ferit được sử dụng rộng rãi trong bảng mạch in, đường dây điện và đường truyền dữ liệu. Ví dụ, một linh kiện triệt nhiễu ferit được thêm vào đầu vào của dây nguồn trên bảng mạch in để lọc nhiễu tần số cao.
Vòng từ ferit hoặc hạt từ được sử dụng chuyên biệt để triệt nhiễu tần số cao và nhiễu đỉnh trên đường tín hiệu và đường dây điện, đồng thời có khả năng hấp thụ nhiễu xung phóng tĩnh điện. Việc sử dụng hạt từ chip hoặc cuộn cảm chip chủ yếu phụ thuộc vào ứng dụng thực tế.
Cuộn cảm chip được sử dụng trong các mạch cộng hưởng. Khi cần loại bỏ nhiễu EMI không cần thiết, việc sử dụng hạt từ tính chip là lựa chọn tốt nhất.
Ứng dụng của hạt từ tính chip và cuộn cảm chip
Cuộn cảm chip:Tần số vô tuyến (RF) và truyền thông không dây, thiết bị công nghệ thông tin, máy dò radar, thiết bị điện tử ô tô, điện thoại di động, máy nhắn tin, thiết bị âm thanh, trợ lý kỹ thuật số cá nhân (PDA), hệ thống điều khiển từ xa không dây và mô-đun cung cấp điện áp thấp.
Hạt từ tính chip:Mạch tạo xung nhịp, lọc giữa mạch tương tự và mạch số, đầu nối bên trong vào/ra I/O (như cổng nối tiếp, cổng song song, bàn phím, chuột, viễn thông đường dài, mạng cục bộ), mạch RF và thiết bị logic dễ bị nhiễu, lọc nhiễu dẫn tần số cao trong mạch nguồn, máy tính, máy in, máy ghi hình (VCRS), khử nhiễu EMI trong hệ thống truyền hình và điện thoại di động.
Đơn vị của hạt từ là ohm, vì đơn vị của hạt từ là danh nghĩa theo trở kháng mà nó tạo ra ở một tần số nhất định và đơn vị của trở kháng cũng là ohm.
BẢNG DỮ LIỆU của hạt từ tính thường sẽ cung cấp các đặc tính tần số và trở kháng của đường cong, thường là 100MHz làm tiêu chuẩn, ví dụ, khi tần số 100MHz thì trở kháng của hạt từ tính tương đương với 1000 ohm.
Đối với dải tần số mà chúng ta muốn lọc, chúng ta cần chọn trở kháng của hạt từ càng lớn thì càng tốt, thường chọn trở kháng 600 ohm trở lên.
Ngoài ra, khi lựa chọn hạt từ tính, cần chú ý đến thông lượng của hạt từ tính, thông thường cần giảm định mức 80% và cần xem xét ảnh hưởng của trở kháng DC đến sụt áp khi sử dụng trong mạch điện.
Thời gian đăng: 24-07-2023
