フェライトビーズとコモンモードチョーク

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

私はロボットチームの前の設計者からトップサーキットを継承しました。この回路は、2つのフェライトビーズ、ツェナー、TVS、およびコンデンサを使用して、入力電力をフィルタリングします。入力電力はバッテリーから供給されます。デジタル回路に加えて、バッテリーには大きなモーターが接続されており、非常に騒がしい環境になっています。私の理解では、フェライトビーズの助けを借りて、ツェナーとTVSはスパイクを抑制します。その後、大きなコンデンサがドループを抑えます。これまでのところ、この回路はうまく機能しています。

私の質問は、フェライトビーズをコモンモードチョークに交換すると、フィルタリングが改善されるかどうか、または破損していない場合は修正しないかどうかです。

（一般的な回路レイアウトを提供するために汎用コンポーネントを使用しました。上部は現在の回路、下部は提案された変更です）

追加情報 回路はロボットに入ります。ロボットは押し出されたアルミニウム（接地されていない）で作られており、全体が透明なアクリルで覆われています。全体は24V 8セルリン酸鉄リチウム20Ah 10Cバッテリーで駆動されます。デジタル回路には約1Aが流れます。モーターは2つの車椅子モーターです。モーターの定格は最大60Aですが、それほど強く駆動されることはなく、通常は約50％以下です。モーターは、Vex Victor Hブリッジモーターコントローラーによって駆動されます。

この質問は非常に具体的に見えますが、実際にははるかに一般的なケースフィルタリングの質問として扱うことができます。「パワーモーターから発生する電気ノイズをどのようにフィルタリングできますか？」。

事前に収集する必要がある最初の情報データは、回路がさらされるノイズの種類です。事前にこのデータを取得することは非常に困難な場合もありますが、事前の経験とハイエンドの実験装置なしではノイズを測定するのがさらに困難な場合もあります。

一般的に、ノイズソースは次の観点から評価できます。

• 内因性または外因性。すなわち、ノイズは私たち自身のシステム内で発生/発生しますか？それともシステムの外にあるのでしょうか？
• 結合メカニズム：容量結合、誘導結合、グランドループ、EM放射...
• ノイズの特性：スイッチド、サーマル（ガウス）、ショット、フリッカー...
• 周波数帯域とQ.ノイズの帯域幅はどのくらいですか？それはその帯域の外に突然落ちたり消えたりしますか（品質係数）？

上記は不完全なリストの一部であり、出発点としてのみ使用できます。

それから、たくさんのテクニックがあります。私は文字通り何百ものトリックと、場合によってはより幅広いアプローチを意味します。

元の質問の詳細を掘り下げてみると、これはシステムによって生じる可能性のあるノイズの種類に関する私の最良の推測です。

1. ノイズは主にシステム自体、パワーモーター、ドライバー回路から発生します。30Aのピークスイッチング電流は、回路の残りの部分に容易に結合できるパルスを生成するのに非常に有効です。
2. ここでは、ドライバの高電流パルスのために、容量結合、誘導結合、およびグランドループがすべての問題の原因になります。
3. ノイズは切り替えられますが、1MHz未満の領域では1-10MHzの範囲のアーモニクスが容易に生成/放射される可能性があります。

上記のシステムのノイズに対処するための実用的なヒントとテクニック：

• 可能であれば、モーターとドライバーを他の回路から物理的に分離します。これは、すべての電子機器に単一のボードがある場合など、すべてのケースで明らかに不可能です。ただし、モーターを駆動するためのボードと、システムの残りの部分のためのボードを別々に用意する余裕がある場合は、そうすることをお勧めします。
• 電源ドライバ、バッテリー、シャーシなど、すべての回路に慎重に考えられたスター型接地接続を使用することにより、接地の問題とノイズのループ結合を回避します。
• シャシーや大きな金属部分を浮かせないでください。これは、モーターやパワードライバーによって生成されるEMフィールドと相互作用し、追加ノイズとしてEMフィールドを反射、伝播、および/または再放射します。
• モーター自体について、およびモーターのタイプによっては、モーターの近く/に取り付けられたノイズフィルターを確実に適用できます。あなたのケースではないかもしれないDCモーターの場合、モーターに可能な限り近い各相に小さなセラミックコンデンサをはんだ付けするのが賢明です。堅牢な（高電圧）0.1uFコンデンサは、最初の経験則です。アプリケーションに応じて、各位相リードからシャーシに別のセラミックコンデンサペアを追加することもできます。このルートに進む前に、正確なモータータイプとドライバーを確認するよう注意してください。
• ドライバーとモーターを接続するケーブルは、できるだけ近く、ねじれている必要があります。
• デカップリング/バイパスコンデンサは、ドライバーの電源ラインに2つのフレーバーで寛大に追加する必要があります。

投稿したサーキットに戻ると、最初のアプローチは次のようになります。

• コモンモードチョークを使用しない。これは、システムの外部から生成される容量性結合ノイズにより多く示されるためです。
• 両方のライン（電源とGNDリターン）にデュアルLCフィルタリングを適用するか、さらに良いのは、デュアルL piフィルターです。これは、KHzから低MHzのノイズに最も効果的なフィルターです。各バッテリー端子と直列の大きなインダクタ（mH範囲）は、回路のデジタル部分に入るノイズを劇的に改善します。それどころか、フェライトビーズはそれ自体の性質から消散性があり、より高い（数十MHzの周波数）に最適です。
• 双方向の頑丈な（高エネルギー）TVSを標準のツェナーと単方向TVSに置き換えます。ただし、入力レギュレータが過電圧の小さなピークに耐えられない場合は、回路のツェナーを維持できます。
• バルクコンデンサと並列に1組の小さなセラミックコンデンサを追加します。たとえば、1uFおよび0.1uF MLCC、控えめな定格（> 100V）。これにより、高周波数（> 1MHz）でのフィルターの有効性が向上します。

最後に重要なことですが、さまざまなアプローチの有効性を検証するために、重要なポイントで回路を測定する簡単な方法を考案してください。実際のデバイスが動作するのと同様の状況でテストしてみてください。

必要に応じて、上記のアプローチについてより多くの参照（書籍、記事）を提供できます。システムの一部をより詳細に指定できる場合、追加のフィルタリング手法が確実に適用されます。

ボードの環境に依存します。電源電圧の負極をGNDと呼びましょう。たとえば、自動車では、シャーシ全体がGNDですが、シャーシに直接ではなく、電源ピンでのみ接続されています。ボードにはシャーシに対する寄生容量があるため、ノイズの多いHF電流がそこに流れます。このような場合は、VCC と GNDの電源ラインにHF電流が必要になるため、コモンモードチョークが役立ちます。

ボードが何らかの他のHFノイズ内部、スイッチングレギュレータ、または何らかのCPUまたはメモリインターフェイスを作成する場合、ほとんどの電流は高速信号から内部GNDに流れます（高速スイッチング）。コモンモードチョークは、電流が流れると同時に電流が流れるため、ノイズがデザインから出るのを防ぎません。この場合、フェライトビーズの方が適しています。

何らかの理由でフェライトを保持することをお勧めします。ボード上の信号が、シャーシまたは他の外部デバイスに対して、内部GNDに対してより大きな容量を持っている場合、コモンモードの問題を排除できます。それに加えて、フェライトはほとんどの場合安価です。私はあなたの仕様を知りません、しかし、私は自動車産業で働きます、私はフェライトを取ります。

コモンモードチョークは、「コモンモード」であるノイズを減らすのに役立ちます-明らかに、言い換えれば-両方の回線に存在する同様のノイズ。これは、近くの無線送信機から来るRF信号のような高周波ノイズを除去するのに役立ちます。両方の絶縁された電力線に高周波ノイズが誘導または誘導されると疑われる場合（たとえば、ハウジングに他のノイズの多い電気システムが接続されている場合）、接地されていない金属ハウジングのシステムが適している場合があります。

シングルフェライトビーズ（図を参照）は、サイズが適切であれば、鋭い電流スパイクを減らすことができます。一般に、小さなビーズはより高い周波数をフィルタリングします（フェライト材料も重要です）。低周波スパイクをフィルタリングするには、通常、より大きな（より太いビーズ）が必要です。使用されているビーズが適切でないと思われる場合は、より大きなサイズに変更するか、代わりに大きな値のインダクタを使用する場合があります（同様の大きなインダクタは、ハイファイオーディオ機器に向かう電力線でよく使用されます-また、電流処理を確認する必要があります使用される場合、インダクタの機能）。

また、大きな値のコンデンサと一緒に小さな値のセラミックコンデンサを並列に追加すると、追加の高周波ノイズをフィルタリングするのに役立つ場合があります。大きな電解コンデンサは、高周波ノイズをそれほどフィルタリングできない場合があります。

最後に、フェライトは、相対的なノイズ電流が流れるときに最適に機能します。ノイズ電流は、フェライト材料が熱として放散する磁場を誘導します。

したがって、ノイズがコモンモードでないと仮定すると、2つのビーズ（またはインダクタ）の使用がより良い選択のようです。

TVSデバイスは、入力電圧スパイクがマイクロエンドに達する可能性がある間、オンになるのに時間がかかります。フェライトビーズは、この点でデバイスの保護に役立ちますが、コモンモードチョークは、差動サージイベントに対して最小限のインピーダンス（漏れインダクタンス）しか提供しません。コモンモード減衰が必要な場合、この場合はハイブリッドコモンモードチョークを使用することをお勧めします。

コモンモードチョークとフリットは必ずしも矛盾しません。また、さまざまな電流と周波数範囲用の多くの異なるコモンモードチョークもあります。一般的に、何から何を保護しているのかを理解する必要があります。オンボードのDC / DCによるフォニック誘導放射を低減する場合は、2つのチョークを選択して、0.5MHz〜50MHzおよび500MHz〜5GHzの範囲をカバーします。後者は非常によくコモンモードフェライトに見えるかもしれません。ところで、チョークの周りに効果的なフィルターを作成するためにコンデンサが必要になる場合があります。そしてもちろん、システムの基本方針に注意してください。