铁氧体磁珠与共模扼流圈

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

我继承了我的机器人团队中以前的设计师的顶级电路。该电路使用两个铁氧体磁珠，一个齐纳二极管，一个TVS和一个电容器来过滤输入功率。输入电源来自电池。除数字电路外，电池还连接有大型电动机，因此环境非常嘈杂。我的理解是，借助铁氧体磁珠，齐纳二极管和TVS可以抑制任何尖峰。然后，大电容器可以承受任何下垂。到目前为止，该电路运行良好。

我的问题是用共模扼流圈代替铁氧体磁珠会改善过滤效果，还是如果它没有损坏，就不能解决问题？

（我只是使用通用组件来给出总体电路布局，顶部是当前电路，底部是我建议的更改）

附加信息 电路进入机器人。机器人由挤压铝制成（不接地），整个物体都被透明的丙烯酸覆盖。整个设备由24V 8单元磷酸铁锂20Ah 10C电池供电。数字电路消耗约1A电流。马达是两个轮椅马达。电机的最大额定电流为60A，但永远不会用力驱动，通常不超过50％左右。电机由Vex Victor H桥电机控制器驱动。

尽管这个问题看起来非常具体，但实际上可以将其视为一个更为通用的案例过滤问题：“如何过滤掉来自动力电动机的电气噪声？” 。

我们需要预先收集的第一个信息数据是电路所受到的噪声类型。有时确实很难提前获取这些数据，有时如果没有先验经验和高端实验室设备，则甚至更难测量噪声。

通常，我们可以根据以下方面评估噪声源：

• 内部的或外部的。即：噪声是否在我们自己的系统内部产生/产生？还是它不在我们的系统之外？
• 耦合机制：电容耦合，电感耦合，接地回路，EM辐射...
• 噪声特征：开关，热（高斯），散粒，闪烁...
• 频段和问：我们的噪声有多窄？它是否在该频段外突然掉落/消失（品质因数）？

上面是部分列表，不完整，只能作为起点。

然后，有很多技术，根据情况，我的意思是数百种技巧和更广泛的方法。

深入研究原始问题的细节，这是我对系统可能产生的噪声的最佳猜测，

1. 噪声主要来自系统本身，动力马达和驱动器电路。30A的峰值开关电流很高，会产生容易耦合到电路其余部分的脉冲。
2. 由于驱动器的高电流脉冲，在这里电容性耦合，电感性耦合和接地回路都是问题的根源。
3. 我猜想在1MHz以下的区域会切换噪声，但是1-10MHz范围内的军械很容易产生/辐射。

处理上面系统中的噪声的一些实用提示和技术：

• 如果可能，将电动机和驱动器与其余电路实际分开。显然，在所有情况下这都是不可能的，例如，如果所有电子设备都只有一块电路板。但是，如果您可以负担得起两块单独的板，一块用于驱动电动机，另一块用于系统的其余部分，则这样做很有帮助。
• 通过为您的所有电路（包括电源驱动器，电池和机箱）使用经过仔细考虑的星形接地连接，避免接地问题和噪声的环路耦合。
• 请勿让任何底盘或大型金属部件浮起，因为这会与电动机和驱动器产生的电磁场相互作用，将电磁场反射，传播和/或释放为额外的噪声。
• 关于电动机本身，并且取决于电动机的类型，您当然可以在电动机附近/安装噪声滤波器。对于直流电动机（不是您的情况），明智的做法是在每个相之间焊接尽可能小的陶瓷电容器，并尽可能靠近电动机。坚固耐用的（高压）0.1uF电容器是一个很好的经验法则。根据不同的应用，您还可以在每个相线引线与机架之间添加另一对陶瓷电容器。在执行此路线之前，请注意检查确切的电动机类型和驱动器。
• 连接驱动器和电机的电缆应尽可能靠近并扭曲。
• 去耦/旁路电容器应在驱动器电源线上大量添加，有两种选择：大容量电容器（对于低频滤波，可能在数百uF中）和高频电容器（通常为0.1uF）。

回到您发布的电路，我的最初方法是：

• 不使用共模扼流圈，因为它更适用于系统外部产生的电容性耦合噪声。
• 对两条线路（电源和GND返回）应用双LC滤波，甚至更好的是，双L pi滤波器。这是从KHz到低MHz噪声最有效的滤波器。与每个电池端子串联的大电感器（在mH范围内）将大大改善进入电路数字部分的噪声。相反，铁氧体磁珠本身具有耗散性，最适合更高的频率（数十兆赫兹的频率）。
• 用标准齐纳和单向TVS替代双向坚固（高能）TVS。但是，如果您的输入稳压器无法承受过小的峰值电压，则可以保持电路中的齐纳二极管。
• 与大容量电容器并联添加一对小型陶瓷电容器：例如1uF和0.1uF的MLCC，保守地定额（> 100V）。对于更高的频率（> 1MHz），这将提高您的滤波器效率。

最后但并非最不重要的一点是，设计一种简单的方法来在关键点测量电路，以验证不同方法的有效性。请做，请尝试在与实际设备相同的环境下进行测试。

如果需要的话，我可以为上述方法提供更多参考（书籍，文章）。如果您可以更详细地指定系统的某些部分，那么肯定会应用其他过滤技术。

这取决于您的电路板环境。我们称电源电压GND的负极。例如，在汽车中，整个机箱都是GND，但是您仅通过电源引脚连接，而不是直接在机箱上。您的电路板具有相对于机箱的寄生电容，因此会有嘈杂的HF电流流向机箱。如果遇到这种情况，则共模扼流圈会有所帮助，因为需要通过VCC 和 GND电源线的HF电流。

如果您的电路板创建了某种其他的HF-Noise内部，开关稳压器或某种CPU或内存接口，则大部分电流从高速信号流到内部GND（高速开关）。交流模式扼流圈不会阻止噪声脱离您的设计，因为同时有电流流入和流出。在这种情况下，铁氧体磁珠将是更好的选择。

我建议您出于某些原因保留铁氧体。如果电路板上的信号相对于机箱或某些其他外部设备的内部GND具有更大的电容，则可以消除共模问题。除此之外，铁氧体大多数时候都便宜。我不知道您的规格，但是，我在汽车行业工作，我会使用铁氧体。

共模扼流圈对于减少“共模”的噪声很有用-显然，换句话说，两条线上都存在类似的噪声。这对于从无线电发射器中滤除高频噪声（例如来自附近的RF信号）可能很有用。如果怀疑两个绝缘的电源线都（感应地或电容性地）感应了HF噪声，则金属外壳未接地的系统可能是有益的（例如，如果外壳连接了其他噪声较大的电气系统）。

如果尺寸正确，单个铁氧体磁珠（如图所示）可以减少尖锐的电流尖峰。通常，较小的磁珠会过滤较高的频率（尽管铁氧体材料也很重要）。要过滤较低的频率峰值，通常需要较大的（较厚的磁珠）。如果所使用的磁珠看起来不足够，请更改为更大的尺寸，或者您可以使用大电感器来代替（（类似的大电感器通常用于连接高保真音频设备的电源线中-您还需要验证电流处理能力）电感的能力（如果使用）。

此外，在并联电容器中与大容量电容器一起添加一个小容量陶瓷电容器可能有助于过滤一些额外的高频噪声。大型电解电容器可能无法很好地滤除高频噪声。

最后，当存在一些相对噪声电流时，铁氧体的工作效果最佳。噪声电流感应出磁场，铁氧体材料会随着热量散逸掉。

因此，假设您的噪声不是共模，则使用两个磁珠（或电感器）似乎是更好的选择。

TVS设备需要一些时间才能打开，在此期间输入电压尖峰可能会到达微端。铁氧体磁珠可以在这方面帮助保护器件，而共模扼流圈对于差分浪涌事件仅提供最小的阻抗（漏电感）。如果您需要共模衰减，我建议在这种情况下使用混合共模扼流圈。

共模扼流圈和弗里斯特不一定矛盾。此外，对于各种电流和频率范围，还有许多不同的共模扼流圈。通常，您必须了解，您在保护什么。如果要减少由机载dc / dc引起的产生性辐射，请选择两个扼流圈，以覆盖0.5MHz至50MHz和500MHz至5GHz的范围。后者很可能会出现共模铁氧体。顺便说一句，您可能需要电容器来在扼流圈周围创建有效的滤波器。当然要注意系统的地面策略。