Perle de ferrite vs starter en mode commun

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

J'ai hérité du meilleur circuit d'un ancien designer de mon équipe de robotique. Le circuit utilise deux billes de ferrite, un zener, un TVS et un condensateur pour filtrer la puissance entrante. L'énergie entrante provient des batteries. Avec les circuits numériques, les batteries ont de gros moteurs connectés, ce qui crée un environnement très bruyant. Ma compréhension est qu'à l'aide des perles de ferrite, le zener et le TVS suppriment tous les pics. Ensuite, le grand condensateur retient les affaissements. Ce circuit a bien fonctionné jusqu'à présent.

Ma question est de savoir si le remplacement des billes de ferrite par un starter en mode commun améliore le filtrage ou s'il n'est pas cassé, ne le corrige pas?

(Je viens d'utiliser des composants génériques pour donner la disposition générale du circuit, le haut est le circuit actuel et le bas est mon changement proposé)

Informations supplémentaires Le circuit entre dans un robot. Le robot est en aluminium extrudé (non mis à la terre) et le tout est recouvert d'acrylique transparent. Le tout est alimenté par une batterie 24V 8 cellules lithium fer phosphate 20Ah 10C. Les circuits numériques consomment environ 1A. Les moteurs sont des moteurs à deux fauteuils roulants. Les moteurs sont évalués à 60 A max mais ils ne sont jamais entraînés aussi durement, généralement autour de 50% ou moins. Les moteurs sont entraînés par des contrôleurs de moteur de pont Vex Victor H.

Même si cette question semble très spécifique, elle peut en effet être traitée comme une question de filtrage de cas beaucoup plus générale: "Comment filtrer le bruit électrique provenant des moteurs électriques?" .

Les premières informations que nous devons collecter à l'avance sont le type de bruit auquel notre circuit est exposé. Parfois, il est vraiment difficile d'obtenir ces données à l'avance, parfois il est encore plus difficile de mesurer le bruit sans expérience préalable et sans équipement de laboratoire haut de gamme.

En général, nous pouvons évaluer nos sources de bruit en termes de:

• Intrinsèque ou extrinsèque. C'est-à-dire: le bruit vient-il / est-il généré à l'intérieur de notre propre système? Ou cela sort-il de notre système?
• Mécanisme de couplage: couplage capacitif, couplage inductif, boucles de masse, rayonnement EM ...
• Caractéristiques du bruit: commuté, thermique (gaussien), tir, scintillement ...
• Bande de fréquences et Q. Quelle est la bande étroite ou large de notre bruit? Est-ce qu'il tombe / disparaît brusquement en dehors de cette bande (facteur de qualité)?

Ce qui précède est une liste partielle, incomplète, qui peut servir uniquement de point de départ.

Ensuite, il y a beaucoup de techniques, je veux dire littéralement des centaines de trucs et d'approches plus larges selon les cas.

En fouillant dans les détails de la question d'origine, c'est ma meilleure estimation du type de bruit qui peut être généré par le système,

1. Le bruit provient principalement du système lui-même, des moteurs de puissance et des circuits de commande. 30 A de courant de commutation de crête est élevé pour générer des impulsions qui peuvent facilement être couplées au reste du circuit.
2. Le couplage capacitif, le couplage inductif et les boucles de terre peuvent être tous sources de problèmes ici, en raison des impulsions de courant élevées des pilotes.
3. Le bruit est commuté, je suppose que dans la région inférieure à 1 MHz, cependant, les armoniques dans la gamme 1-10 MHz peuvent être facilement générés / rayonnés.

Quelques conseils pratiques et techniques pour gérer le bruit dans le système ci-dessus:

• Si possible, séparez physiquement les moteurs et les pilotes du reste des circuits. Ce n'est évidemment pas possible dans tous les cas, par exemple, si vous avez une seule carte pour tous les composants électroniques. Cependant, si vous pouvez vous permettre d'avoir deux cartes distinctes, une pour piloter les moteurs, une autre pour le reste du système, il est utile de le faire.
• Évitez les problèmes de mise à la terre et le couplage en boucle du bruit en utilisant une connexion de terre en étoile soigneusement pensée pour tous vos circuits, y compris les pilotes d'alimentation, les batteries et le châssis.
• Ne laissez aucun châssis ou grande pièce métallique flotter, car cela interagira avec les champs électromagnétiques générés par les moteurs et les pilotes de puissance, réfléchissant, propageant et / ou réémettant les champs électromagnétiques sous forme de bruit supplémentaire.
• En ce qui concerne les moteurs eux-mêmes et selon le type de moteur, vous pouvez certainement appliquer des filtres de bruit à proximité / attachés à vos moteurs. Pour les moteurs à courant continu, ce qui n'est peut-être pas votre cas, il est sage de souder de petits condensateurs en céramique sur chaque phase, aussi près que possible du moteur. Les condensateurs robustes (haute tension) 0,1 uF sont une bonne règle de base pour commencer. Selon l'application, vous pouvez également ajouter une autre paire de condensateurs en céramique de chacun des conducteurs de phase au châssis. Méfiez-vous de vérifier le type de moteur et le pilote exact avant de suivre cette route.
• Le câblage reliant les pilotes et les moteurs doit être aussi proche que possible et torsadé.
• Les condensateurs de découplage / dérivation doivent être généreusement ajoutés aux lignes électriques de votre pilote, en deux versions: condensateurs en vrac (peut-être dans les centaines d'uF, pour le filtrage à basse fréquence) et condensateurs à haute fréquence (généralement 0,1 uF).

Pour revenir au circuit que vous avez publié, mon approche initiale serait:

• Ne pas utiliser de self de mode commun, car il est plus indiqué pour les bruits de couplage capacitifs générés de l'extérieur de votre système.
• Appliquer un double filtrage LC pour les deux lignes (puissance et retour GND) ou mieux encore, un double filtre L pi. Il s'agit du filtre le plus efficace pour le bruit de KHz à faible MHz . Un gros inducteur (dans la gamme mH) en série avec chacune des bornes de la batterie améliorera considérablement le bruit entrant dans la partie numérique de votre circuit. Les billes de ferrite, au contraire, sont dissipatives par leur propre nature et conviennent mieux aux fréquences plus élevées (des dizaines de fréquences MHz).
• Substitution du téléviseur zener standard et unidirectionnel à un téléviseur bidirectionnel robuste (haute énergie). Le zener dans votre circuit peut être conservé, cependant, si votre régulateur d'entrée ne peut pas supporter de petits pics de surtension.
• Ajout d'une paire de petits condensateurs en céramique en parallèle avec le condensateur en vrac: par exemple 1uF et 0,1uF MLCC, évalué de manière conservatrice (> 100V). Cela augmentera l'efficacité de votre filtre pour les fréquences plus élevées (> 1 MHz).

Enfin et surtout, imaginez un moyen simple de mesurer votre circuit aux points critiques afin de vérifier l'efficacité des différentes approches. Faites, s'il vous plaît, essayez de tester dans des circonstances similaires car l'appareil réel fonctionnera sous.

Si nécessaire, je peux fournir plus de références (livres, articles) aux approches ci-dessus. Si vous pouvez spécifier plus en détail certaines parties de votre système, des techniques de filtrage supplémentaires s'appliqueront certainement.

Cela dépend de l'environnement de votre planche. Appelons le pôle négatif de votre tension d'alimentation GND. Par exemple, dans une voiture, tout le châssis est GND, mais vous n'êtes connecté qu'à vos broches d'alimentation, pas directement sur le châssis. Votre carte a une capacité parasite contre le châssis, donc un courant HF bruyant y circulera. Si vous avez un cas comme celui-ci, la self de mode commun vous aidera, car le courant HF devra passer par votre VCC et votre ligne d'alimentation GND.

Si votre carte crée une sorte d'autre HF-Noise interne, un régulateur de commutation ou une sorte d'interface CPU ou mémoire, la plupart du courant passe du signal haute vitesse à votre GND interne (commutation haute vitesse). Le starter en mode commom n'empêchera pas le bruit de sortir de votre conception, car il y a un courant entrant et un courant sortant en même temps. Dans ce cas, une perle de ferrite serait un meilleur choix.

Je vous suggère de garder les ferrites pour quelques raisons. Les problèmes de mode commun peuvent être éliminés si vos signaux sur la carte ont une capacité supérieure à votre GND interne par rapport au châssis ou à d'autres périphériques externes. En plus de cela, les ferrites sont moins chères la plupart du temps. Je ne connais pas vos spécifications, cependant, je travaille dans l'industrie automobile, je prendrais les ferrites.

Une self de mode commun est utile pour réduire le bruit qui est un "mode commun" - évidemment, en d'autres termes - un bruit similaire présent sur les deux lignes. Cela peut être utile pour filtrer le bruit haute fréquence comme un signal RF provenant d'un émetteur radio proche. Les systèmes avec un boîtier métallique non mis à la terre peuvent bénéficier si un bruit HF suspecté est induit (inductivement ou capacitivement) aux deux lignes électriques isolées (par exemple, si le boîtier avait d'autres systèmes électriques bruyants connectés).

Les billes de ferrite simples (comme indiqué) peuvent réduire les pointes de courant aiguës si elles sont correctement dimensionnées. Généralement, les petites billes filtrent les fréquences plus élevées (bien que le matériau ferrite soit également important). Pour filtrer les pics de fréquence plus faibles, vous avez généralement besoin de plus gros (billes plus épaisses). Si les perles utilisées ne semblent pas suffisantes, changez de taille ou utilisez des inductances de grande valeur à la place (de grandes inductances similaires sont souvent utilisées dans les lignes électriques allant à l'équipement audio hifi - vous devrez également vérifier la gestion actuelle capacités des inductances si elles sont utilisées).

De plus, l'ajout d'un condensateur céramique de petite valeur en parallèle avec le condensateur de grande valeur peut aider à filtrer un bruit haute fréquence supplémentaire. Les grands condensateurs électrolytiques peuvent ne pas filtrer si bien le bruit haute fréquence.

Enfin, les ferrites fonctionnent mieux quand un courant de bruit relatif circule. Les courants de bruit induisent des champs magnétiques que le matériau ferrite dissipe sous forme de chaleur.

Donc, en supposant que votre bruit n'est pas un mode commun, l'utilisation des deux billes (ou inductances) semble le meilleur choix.

Les appareils TVS mettent un certain temps à s'allumer pendant lesquels les pointes de tension d'entrée peuvent atteindre le micro. Les billes de ferrite peuvent aider à protéger l'appareil à cet égard, tandis que la self de mode commun n'offre qu'une impédance minimale (inductance de fuite) pour l'événement de surtension différentielle. Si vous avez besoin d'une atténuation en mode commun, je suggérerais d'utiliser un starter en mode commun hybride dans ce cas.

Le choke et le frrite en mode commun ne se contredisent pas nécessairement. Il existe également de nombreuses selfs de mode commun différentes, pour différents courants et plages de fréquences. En général, vous devez comprendre ce que vous protégez de quoi. Si vous réduisez les émissions fondatrices causées par le courant continu / continu à bord, choisissez deux selfs pour couvrir la plage entre 0,5 MHz à 50 MHz et de 500 MHz à 5 GHz. Ces derniers peuvent très bien apparaître comme une ferrite de mode commun. Au fait, vous aurez peut-être besoin de condensateurs pour créer un filtre efficace autour des selfs. Et bien sûr, faites attention à la politique de base de votre système.