Cordão de ferrite vs afogador de modo comum

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Eu herdei o circuito superior de um designer anterior da minha equipe de robótica. O circuito usa duas esferas de ferrite, um zener, um TVS e um capacitor para filtrar a energia recebida. A energia recebida vem das baterias. Juntamente com o circuito digital, as baterias têm grandes motores conectados a eles, criando um ambiente muito barulhento. Meu entendimento é que, com a ajuda das esferas de ferrite, o zener e o TVS suprimem qualquer pico. Então o capacitor grande suporta qualquer queda. Este circuito funcionou bem até agora.

Minha pergunta é se a substituição das esferas de ferrite por uma bobina de modo comum melhora a filtragem ou se não está quebrada, não a corrige?

(Acabei de usar componentes genéricos para fornecer o layout geral do circuito, a parte superior é o circuito atual e a parte inferior é a alteração proposta)

Informações adicionais O circuito está entrando em um robô. O robô é feito de alumínio extrudado (não aterrado) e tudo é revestido em acrílico transparente. A coisa toda é alimentada por uma bateria de 24V 8 células de fosfato de ferro e lítio 20Ah 10C. O circuito digital consome cerca de 1A. Os motores são dois motores de cadeira de rodas. Os motores são classificados com 60 A no máximo, mas nunca são acionados com tanta força, geralmente em torno de 50% ou menos. Os motores são acionados pelos controladores de motores em ponte Vex Victor H.

Embora essas perguntas pareçam muito específicas, ela pode ser tratada de fato como uma questão muito mais geral de filtragem de casos: "Como se pode filtrar o ruído elétrico proveniente de motores elétricos de potência?" .

Os primeiros dados de informação que precisamos reunir com antecedência são o tipo de ruído ao qual nosso circuito está exposto. Às vezes, é realmente difícil obter esses dados com antecedência, às vezes é ainda mais difícil medir o ruído sem a experiência prévia e o equipamento de laboratório de última geração.

Em geral, podemos avaliar nossas fontes de ruído em termos de:

• Intrínseco ou extrínseco. Ou seja: o ruído vem / é gerado dentro de nosso próprio sistema? Ou vem fora do nosso sistema?
• Mecanismo de acoplamento: acoplamento capacitivo, acoplamento indutivo, loops de terra, radiação EM ...
• Características do ruído: comutado, térmico (gaussiano), tiro, cintilação ...
• Banda de frequência e Q. Qual é a faixa estreita ou larga do nosso ruído? Ele cai / desaparece abruptamente fora dessa banda (fator de qualidade)?

A descrição acima é uma lista parcial, incompleta, que pode servir apenas como ponto de partida.

Então, existem muitas técnicas, quero dizer literalmente centenas de truques e abordagens mais amplas, dependendo do caso.

Analisando as especificidades da pergunta original, este é meu melhor palpite sobre o tipo de ruído que pode ser originado pelo sistema,

1. O ruído é proveniente principalmente do próprio sistema, motores de potência e circuitos de driver. 30A da corrente de pico de comutação é alta para gerar pulsos que podem facilmente acoplar-se ao restante do circuito.
2. O acoplamento capacitivo, o acoplamento indutivo e os loops de aterramento podem ser todos fontes de problemas aqui, devido aos pulsos de alta corrente dos drivers.
3. O ruído é trocado, eu acho que na região sub 1MHz, no entanto, armonics na faixa de 1-10MHz pode ser facilmente gerado / irradiado.

Algumas dicas e técnicas práticas para lidar com o ruído no sistema acima:

• Se possível, separe fisicamente os motores e drivers do restante dos circuitos. Obviamente, isso não é possível em todos os casos, por exemplo, se você tiver uma única placa para todos os componentes eletrônicos. No entanto, se você puder ter duas placas separadas, uma para acionar os motores e outra para o restante do sistema, é útil fazê-lo.
• Evite problemas de aterramento e acoplamento de loop do ruído usando uma conexão de aterramento em estrela cuidadosamente pensada para todos os seus circuitos, incluindo drivers de energia, baterias e chassi.
• Não deixe nenhum chassi ou peça metálica grande flutuando, pois isso irá interagir com os campos EM gerados pelos motores e drivers de energia, refletindo, propagando e / ou reemitindo os campos EM como ruído adicional.
• Com relação aos motores em si, e dependendo do tipo de motor, você certamente pode aplicar filtros de ruído próximos / conectados aos seus motores. Para motores DC, o que pode não ser o seu caso, é aconselhável soldar pequenos capacitores de cerâmica em cada fase, o mais próximo possível do motor. Capacitores robustos (alta tensão) de 0,1uF são uma boa regra geral para começar. Dependendo da aplicação, você também pode adicionar outro par de capacitores de cerâmica de cada um dos condutores de fase ao chassi. Cuidado ao verificar o tipo exato de motor e motorista antes de seguir esta rota.
• O cabeamento que conecta os drivers e os motores deve estar o mais próximo possível e torcido.
• Os capacitores de dissociação / derivação devem ser generosamente adicionados às linhas de energia do driver, em dois sabores: capacitores em massa (talvez nas centenas de uF, para filtragem de baixa frequência) e capacitores de alta frequência (normalmente 0,1 uF).

Voltando ao circuito que você postou, minha abordagem inicial seria:

• Não usar um afogador de modo comum, pois é mais indicado para ruídos de acoplamento capacitivo gerados de fora do sistema.
• A aplicação de filtragem LC dupla para ambas as linhas (retorno de energia e GND) ou, melhor ainda, um filtro L pi duplo. Este é o filtro mais eficaz para ruídos de KHz a baixo MHz . Um grande indutor (na faixa de mH) em série com cada um dos terminais da bateria melhorará drasticamente o ruído que entra na parte digital do seu circuito. As esferas de ferrite, pelo contrário, são dissipativas por sua própria natureza e mais adequadas para altas (dezenas de frequências de MHz).
• Substituindo o zener padrão e o TVS unidirecional por um TVS bidirecional robusto (alta energia). O zener no seu circuito pode ser mantido, no entanto, se o seu regulador de entrada não puder suportar pequenos picos de sobretensão.
• Adicionando um par de pequenos capacitores de cerâmica em paralelo com o capacitor a granel: por exemplo, MLCCs de 1uF e 0,1uF, classificados de forma conservadora (> 100V). Isso aumentará a eficácia do filtro para frequências mais altas (> 1MHz).

Por último, mas não menos importante, crie uma maneira simples de medir seu circuito em pontos críticos, a fim de verificar a eficácia das diferentes abordagens. Por favor, tente testar em circunstâncias semelhantes às do dispositivo real.

Se necessário, posso fornecer mais referências (livros, artigos) às abordagens acima. Se você puder especificar com mais detalhes algumas partes do seu sistema, certamente serão aplicadas técnicas de filtragem adicionais.

Depende do ambiente do seu quadro. Vamos chamar o pólo negativo da sua tensão de alimentação GND. Por exemplo, em um carro, o chassi inteiro é GND, mas você está conectado apenas nos pinos de suprimento, não diretamente no chassi. Sua placa possui uma capacitância parasita contra o chassi; portanto, a corrente HF ruidosa fluirá para lá. Se você tiver um caso como esse, o bloqueador de modo comum ajudará, porque a corrente de alta frequência precisará através do seu VCC e da sua linha de suprimento GND.

Se sua placa cria algum tipo de outro HF-Noise interno, um regulador de comutação ou algum tipo de interface de CPU ou memória, a maior parte da corrente flui do sinal de alta velocidade para o seu GND interno (comutação de alta velocidade). O estrangulamento no modo comum não impede que o ruído saia do seu design, porque há uma corrente entrando e uma corrente saindo ao mesmo tempo. Nesse caso, um ferrite Bead seria uma escolha melhor.

Eu sugiro que você mantenha os ferrites por alguns motivos. Os problemas do modo comum podem ser eliminados se os sinais na placa tiverem uma maior capacitância para o GND interno em relação ao chassi ou a outros dispositivos externos. Além disso, os ferritos são mais baratos na maioria das vezes. Eu não sei sua especificação, no entanto, eu trabalho na indústria automotiva, eu pegaria os ferrites.

Um afogador de modo comum é útil para reduzir o ruído que é "modo comum" - obviamente, em outras palavras - ruído semelhante presente nas duas linhas. Isso pode ser útil para filtrar ruídos de alta frequência como um sinal de RF vindo de um transmissor de rádio próximo. Os sistemas com uma carcaça de metal não aterrada podem se beneficiar se houver suspeita de ruído de alta frequência induzido (indutivamente ou capacitivamente) para ambas as linhas de energia isoladas (por exemplo, se a carcaça tiver outros sistemas elétricos com ruído conectados a ela.)

Contas de ferrite simples (como mostrado) podem reduzir picos de corrente acentuados se forem dimensionados corretamente. Geralmente, as esferas menores filtram frequências mais altas (embora o material de ferrite também seja importante). Para filtrar picos de baixa frequência, geralmente você precisa de maiores (contas mais grossas). Se as esferas utilizadas não parecerem adequadas, mude para um tamanho maior ou, em vez disso, você poderá usar indutores de grande valor (indutores grandes semelhantes são frequentemente usados ​​em linhas de energia que utilizam equipamentos de áudio Hi-Fi - você também precisa verificar o manuseio atual capacidades dos indutores, se usados).

Além disso, a adição de um capacitor de cerâmica de pequeno valor em paralelo ao capacitor de grande valor pode ajudar a filtrar algum ruído adicional de alta frequência. Capacitores eletrolíticos grandes podem não filtrar o ruído de alta frequência tão bem.

Por fim, as ferritas funcionam melhor quando há uma corrente relativa de ruído fluindo. As correntes de ruído induzem campos magnéticos que o material de ferrita dissipa como calor.

Portanto, supondo que seu ruído não seja um modo comum, o uso das duas esferas (ou indutores) parece a melhor escolha.

Os dispositivos TVS levam algum tempo para serem ligados, durante os quais os picos de tensão de entrada podem atingir a extremidade micro. As esferas de ferrite podem ajudar a proteger o dispositivo a esse respeito, enquanto o estrangulamento de modo comum oferece apenas impedância mínima (indutância de vazamento) para o evento de surto diferencial. Se você precisar de atenuação no modo comum, sugiro o uso de um estrangulador de modo comum híbrido nesse caso.

O modo comum de estrangulamento e frrite não necessariamente contradiz. Também existem muitos bloqueadores de modo comum diferentes, para várias correntes e faixas de frequência. Em geral, você deve entender o que está protegendo do quê. Se você estiver reduzindo emissões nocivas causadas por dc / dc a bordo, escolha duas bobinas para cobrir a faixa entre 0,5 MHz a 50 MHz e de 500 MHz a 5 GHz. Mais tarde, pode muito bem parecer uma ferrita de modo comum. A propósito, você pode precisar de capacitores para criar um filtro eficaz ao redor das bobinas. E, claro, preste atenção à política básica do seu sistema.