Cách Giảm Nhiễu Chế Độ Chung trong Nguồn Cấp Điện của Bạn bằng Cách Cân Bằng Trở Kháng

Các mạch điều chỉnh chuyển mạch đơn giản hoạt động trong không gian nhỏ gọn, như trên một PCB nhỏ, thường có thể được triển khai trong môi trường ồn ào mà không gây ra tiếng ồn đáng kể trên mức công suất đầu ra. Miễn là bạn bố trí bảng mạch đúng cách, bạn có lẽ chỉ cần một mạch lọc đơn giản để loại bỏ EMI trên các đầu vào và đầu ra. Khi bộ điều chỉnh trở nên lớn hơn, cả về mặt vật lý lẫn điện, các vấn đề về tiếng ồn có thể trở nên rõ ràng hơn nhiều, cụ thể là EMI bức xạ và EMI dẫn trong bố trí PCB.

Dòng điện dẫn chung (common-mode) là một vấn đề điển hình trong các bộ chuyển đổi DC-DC có nhiều mặt đất, phát sinh do sự ghép nối điện dung. Phương pháp tiêu chuẩn là sử dụng lọc ở đầu ra, chẳng hạn như với một cuộn cảm chế độ chung, để xử lý tiếng ồn nút chung dẫn đến nút đầu ra. Tuy nhiên, điều này không làm gì để giảm bớt EMI bức xạ tồn tại trong vòng dòng điện chế độ chung, để lại việc chắn là lựa chọn cuối cùng. Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn có thể giảm bớt cả hai loại tiếng ồn với ít nhu cầu chắn hơn?

Trong các loại bộ chuyển đổi chuyển mạch này, bạn có thể sử dụng phương pháp cân bằng trở kháng để loại bỏ tiếng ồn chế độ chung tại nút đầu ra từ nguồn cung cấp điện của bạn. Điều này tuân theo một ý tưởng đơn giản, nơi mà mặt đất hệ thống được sử dụng như một tham chiếu toàn cầu để định nghĩa trở kháng trên các nút đầu ra của nguồn cung cấp điện của bạn. Hãy xem cách thức hoạt động và những gì bạn nên khảo sát với các mô phỏng trong thiết kế của mình.

Trở kháng cân bằng là gì?

Trở kháng cân bằng sử dụng cấu hình 3 dây dẫn (2 tín hiệu, 1 GND) để thu thập một phép đo điện áp chênh lệch với một bộ khuếch đại. Kỹ thuật này được sử dụng trong cáp âm thanh XLR như một phương tiện để đảm bảo một bộ thu chênh lệch có thể hoàn toàn hủy bỏ tiếng ồn chế độ chung có thể được dẫn qua cáp. Mark Harris đã thảo luận sơ lược về điều này trong một bài đăng blog gần đây, mặc dù điều này được thực hiện trong bối cảnh của cảm biến chứ không phải âm thanh hoặc nguồn cung cấp điện.

Ý tưởng trung tâm là đặt trở kháng của hai dây tín hiệu để bằng nhau, điều này sẽ đảm bảo mỗi bên đơn cuối của cáp nhìn thấy trở kháng đầu vào giống nhau tại bộ thu và việc từ chối tiếng ồn chế độ chung được đảm bảo tại bộ thu chênh lệch.

Nếu bạn suy nghĩ về nó, sự sắp xếp của các đường tín hiệu và mặt đất trong hệ thống này không khác gì so với các cặp tín hiệu vi sai trên một PCB. Trong một cặp vi sai, mỗi đường dẫn có trở kháng đơn lẻ của nó được xác định so với mặt phẳng tham chiếu của cặp (trong trường hợp này, là mặt đất). Sự khác biệt duy nhất giữa việc cân bằng trở kháng và tín hiệu vi sai là, trong một kết nối cân bằng trở kháng, chúng ta không cần phải có tín hiệu bằng và đối diện cho V1 và V2; chúng có thể lý thuyết là bất kỳ giá trị nào. Sau đó, bộ thu đo điện áp qua mỗi cặp so với mặt phẳng tham chiếu.

Cân Bằng Trở Kháng trong một Bộ Chuyển Đổi Chuyển Mạch

Nhiễu chế độ chung trong một bộ chuyển đổi chuyển mạch xảy ra do sự ghép nối điện dung trở lại với mặt phẳng tham chiếu gần nhất, thường là GND của khung máy, hoặc nó có thể là một dẫn điện lớn khác là một phần của GND hệ thống hoặc vỏ chắn. Điều này có thể gây ra vấn đề lớn trong các bố trí nguồn điện có kích thước lớn vật lý cung cấp dòng điện cao; dung kháng nhiễu Cp (xem bên dưới) có thể rất lớn, tạo ra trở kháng rất thấp trong một sự kiện chuyển mạch dI/dt cao trong mạch bộ chuyển đổi chuyển mạch.

Từ đây, chúng ta có thể thấy các mũi tên màu tím vạch ra một vòng lặp dòng điện lớn. Ngay cả khi chúng ta loại bỏ dòng điện dẫn tại tải với một bộ lọc chế độ chung, vẫn sẽ có sự phát xạ mạnh mẽ từ các vòng lặp dòng điện chế độ chung. Điều này cũng có thể xảy ra trong các cấu trúc chuyển đổi sử dụng cách ly galvanic với một biến áp, như một bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC.

Một giải pháp trong mạch chuyển đổi tăng sau đây là đặt các tụ điện xung quanh cuộn cảm trở lại với mặt đất của khung máy, nhưng trước các cực POS_OUT và NEG_OUT. Tại đây, đường ray âm được nối trở lại với mặt đất hệ thống tại nguồn V1, điều này có thể tạo ra một lối đi cho tiếng ồn chế độ chung giữa đường ray âm và phần còn lại của hệ thống. Việc thêm các tụ điện C1/C2 và cuộn cảm L2 tạo ra một mạch cầu cho lối đi mà tiếng ồn chế độ chung theo dõi vào MOSFET:

Bằng cách cố ý sử dụng các tụ điện để nối các đường ray cao và thấp trở lại với mặt đất, bạn sẽ thiết lập hai dòng điện đối lưu trong bố cục mô phỏng một mạch cầu. Tiếng ồn chế độ chung được loại bỏ khi điều kiện trở kháng sau đây được duy trì:

Điều này được thảo luận chi tiết hơn trong tài liệu tham khảo sau:

• Zhang, Shuaitao, và cộng sự. "Mô hình hóa và Tối ưu hóa Kỹ thuật Cân bằng Trở kháng để Giảm tiếng ồn Chế độ Chung trong Bộ Chuyển đổi DC-DC Tăng áp." Điện tử 9, số 3 (2020): 480.

Cuối cùng, các chiến lược tương tự đã được thảo luận cho các đầu vào ADC vi sai và trình điều khiển động cơ trong tình trạng có tiếng ồn nguồn cung cấp:

• Bae, Bumhee, và cộng sự. "Kỹ thuật thiết kế trên chip để giảm ảnh hưởng của tiếng ồn nguồn cung cấp lên ADC với cấu trúc phân cấp chip-PCB." Trong Hội nghị Quốc tế về Tương thích Điện từ IEEE 2012, tr. 549-553. IEEE, 2012.
• Chen, Ruirui, và cộng sự. "Giảm tiếng ồn chế độ chung với cân bằng trở kháng trong ổ đĩa động cơ DC." Trong Hội nghị và Triển lãm về Điện tử Ứng dụng IEEE 2018 (APEC), tr. 2515-2520. IEEE, 2018.

Sau khi bạn tạo bố cục PCB, bạn nên đảm bảo thực hiện định tuyến đối xứng trên cả hai phía cao và thấp của MOSFET. Điều này quan trọng vì nó sẽ thiết lập các vòng dòng điện đối lưu tạo ra các trường từ chống song song. Bất kỳ phần nào của định tuyến của bạn không phải là một phần của việc hủy bỏ tiếng ồn chế độ chung sẽ có phát xạ bức xạ chế độ khác biệt, đó là yếu hơn đáng kể so với phát xạ từ dòng chế độ chung.

Mô phỏng Cân Bằng Trở Kháng Với Các Yếu Tố Nhiễu

Trong mạch trên, điều quan trọng cần nhớ là tất cả các thành phần đều có một số yếu tố nhiễu và tự cộng hưởng, nghĩa là mối quan hệ trở kháng trên chỉ giữ được đến một tần số cụ thể. Nếu bạn sử dụng các thành phần với tần số tự cộng hưởng cao hơn, bạn có thể loại bỏ tiếng ồn chế độ chung đến các tần số cao hơn nhiều. Hãy chắc chắn mô phỏng hàm chuyển của mạch lọc này để xem giới hạn của việc giảm tiếng ồn trong hệ thống này.

Với các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong Altium Designer®, bạn có thể dễ dàng thiết kế mạch của mình và mô phỏng một kế hoạch cân bằng trở kháng để loại bỏ tiếng ồn chế độ chung. Bạn cũng có thể ngay lập tức chụp sơ đồ của mình trong một bố cục PCB trống với một bộ đầy đủ các công cụ thiết kế trong một ứng dụng duy nhất.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365 giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến theo Yêu cầu.