Phân loại ứng dụng và lựa chọn cuộn cảm chế độ chung

Một trong những hình thức phổ biến nhất của các thành phần từ tính là điện cảm (inductance), đại lượng này có một giá trị điện cảm nhất định và do đó, trở kháng của nó tăng lên khi tần số tăng. Bản thân đặc tính này đã có thể được xem như một bộ lọc tần số cao bậc nhất; Khi đối tượng cần lọc mà chúng ta đang đề cập thay đổi từ một đường dẫn dòng điện đơn (vòng lặp hoặc mạch vòng) sang hai hoặc nhiều hơn, thì cần phải đặt ít nhất một cuộn cảm trên mỗi đường dẫn để đạt được hiệu ứng lọc tần số cao tương tự — điều này có thể được thiết kế một cách dễ dàng và thông minh trong các thành phần từ tính thực tế, chính là loại cuộn chặn cộng hưởng (common mode choke) mà chúng ta đang nói đến ở đây. Tại sao lại như vậy? Bởi vì khi có nhiều đường dẫn (ví dụ điển hình là hai đường dẫn), từ thông được tạo ra bởi dòng điện theo cùng một hướng có thể được "chia sẻ" với đường dẫn dòng điện khác, khiến nó tương đương với việc thu được trở kháng bổ sung, còn gọi là ghép nối (coupling) từ tính. Như vậy, bằng cách quấn hai cuộn dây có sự ghép nối lẫn nhau quanh một lõi từ tính, người ta có thể đạt được hiệu quả lọc tốt hơn so với việc sử dụng hai cuộn cảm riêng biệt.

Ở trên giới thiệu đặc điểm chức năng cơ bản của cảm kháng chế độ chung thông dụng, chính là lọc nhiễu. Vì vậy, trước tiên cần phân biệt giữa máy biến áp và cảm kháng chế độ chung cũng yêu cầu hoạt động ghép nối, bởi vì mục đích của mạch lọc là triệt tiêu (hoặc hấp thụ) tiếng ồn trên đường dây. Về hướng kích thích, đó là chế độ chung, nhưng máy biến áp truyền dòng điện kích thích điện áp biểu thị cho công suất, đây là chế độ vi sai. Do đó, tương tự như cách mắc của tụ điện an toàn, cảm kháng chế độ chung cần được mắc theo kiểu Y (thông qua mạch tiếp đất hoặc mạch chuẩn tiếp đất), trong khi máy biến áp cần được mắc theo kiểu X (mắc ngang qua mạch đầu vào và mạch đầu ra). Thứ hai, việc đánh giá và đo lường hiệu quả lọc chế độ chung của nó đòi hỏi phải sử dụng các mạch phụ trợ bổ sung. Tuy nhiên, trong thực tế kiểm tra EMC (tương thích điện từ), thường chỉ kiểm tra tín hiệu của bộ thu (LISN - Mạng ổn định trở kháng tuyến tính) do sự kết hợp giữa chế độ vi sai và chế độ chung gây ra để xác định xem có đáp ứng các tiêu chuẩn quy định tương ứng (ví dụ như chứng nhận CE) hay không. Do đó, vai trò của cảm kháng chế độ chung thường khó tìm thấy câu trả lời rõ ràng trong sách thông số kỹ thuật, đây cũng chính là lý do tại sao các kỹ sư thường dựa vào kinh nghiệm để tiến hành dự đoán mô phỏng khi lựa chọn linh kiện. Cuối cùng, những độc giả tinh ý sẽ nhận thấy rằng cảm kháng chế độ chung được gọi là cảm kháng, nhưng chúng không khác biệt so với cảm kháng nguồn. Chúng không xét đến dòng điện bão hòa hay lưu trữ năng lượng, đồng thời tên tiếng Anh của chúng kết thúc bằng từ 'choke'. Do đó, ý nghĩa cơ bản của chúng vẫn là choke. Như chúng ta sẽ thảo luận ở phần sau, chính nhờ hiệu ứng choke này mà chúng có thể đạt được chức năng lọc, vì vậy việc gọi chúng là cuộn dây choke chế độ chung phù hợp hơn với nguyên lý hoạt động của chúng.

Trong phần dưới đây, chúng ta sẽ tìm hiểu về các nguyên lý cấu trúc cơ bản, phân loại ứng dụng và cách lựa chọn phù hợp cho các cuộn cảm chế độ chung. Hy vọng những nội dung này sẽ hữu ích đối với bạn với vai trò là một kỹ sư. Đồng thời, nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào hoặc muốn thảo luận thêm về những nội dung giới thiệu liên quan, vui lòng liên hệ với chúng tôi. Đội ngũ kỹ sư của chúng tôi sẽ hỗ trợ bạn tối đa có thể từ góc độ linh kiện và ứng dụng.

một, Máy trộn từ trường

Như thể hiện trong Hình 1, cuộn dây A được cấp điện sẽ tạo ra một từ trường phân bố trong không gian gần mạch dòng điện của nó (ở đây là cuộn dây), được biểu diễn bằng từ thông Фa (hoặc →Ba) (phân loại ứng dụng và lựa chọn mật độ từ thông của cuộn cảm chế độ chung). Cường độ từ trường phụ thuộc vào độ lớn của dòng điện, số vòng dây của cuộn dây, diện tích mặt cắt ngang hiệu dụng, và việc có lõi từ hay không. Từ thông tại tâm cuộn dây có thể được biểu diễn xấp xỉ như sau:

Trong đó, nếu ở trung tâm cuộn dây có lõi từ, thì độ từ thẩm của nó càng lớn, chiều dài tương đương của mạch từ tương ứng càng ngắn, từ thông càng lớn. Đây là cấu trúc cảm kháng tiêu chuẩn và phân bố từ thông không gian tương ứng của nó. Cần lưu ý rằng phân bố từ thông của nó không phụ thuộc vào sự thay đổi của dòng điện và là mối quan hệ đồng nhất. Bản chất của nó được suy ra từ định luật điện từ trường Gauss trong phương trình điện từ Maxwell.

Hình 1 Phân bố từ trường không gian của các cuộn dây A và B khi có điện

Khi một cuộn dây B khác trong không gian tiếp cận cuộn dây A đang có điện ở một mối quan hệ vị trí nhất định (như trong Hình 1), từ thông được phân bố một phần bởi cuộn dây A sẽ tất yếu đi qua cuộn dây B, tạo thành mối quan hệ chia sẻ. Theo định luật Ampere, khi từ thông trong vòng mạch bao quanh bởi cuộn dây B thay đổi, một suất điện động cảm ứng, hay còn gọi là điện áp cảm ứng, sẽ được sinh ra trong vòng mạch của cuộn dây B. Có thể dự đoán rằng nếu cuộn dây B là một cuộn dây dẫn điện hở mạch, thì sẽ không thể hình thành dòng điện vòng, mà chỉ tạo ra điện áp cảm ứng ở hai đầu cuộn dây B. Vì không có dòng điện trong vòng mạch của nó, nên tự nhiên cũng sẽ không có từ trường phân bố trong không gian tương ứng; Tuy nhiên, nếu cuộn dây B là một mạch kín, chắc chắn sẽ xuất hiện dòng điện chạy trong vòng mạch, tức là dòng điện cảm ứng. Đồng thời, vì có dòng điện cảm ứng, nó sẽ tạo ra một phân bố từ trường ngược chiều trong không gian. Theo mối quan hệ không gian giữa cuộn dây B và cuộn dây A, cuộn dây A sẽ tất yếu chia sẻ từ thông phân bố của cuộn dây B. Vậy, kết quả cuối cùng của sự cảm ứng hỗ tương như vậy sẽ là gì? Rõ ràng, nếu cuộn dây A chỉ có dòng điện không đổi, cuộn dây B sẽ không cảm nhận bất kỳ sự thay đổi nào của từ thông mà nó chia sẻ ở vị trí cố định. Do đó, chỉ khi dòng điện biến đổi (ví dụ như dòng điện xoay chiều) được tạo ra trong cuộn dây A thì mới xảy ra hiện tượng cảm ứng hỗ tương. Trong trường hợp một-một (chỉ xét tình huống ghép nối giữa hai cuộn dây), dòng điện cảm ứng luôn có tác dụng chống lại sự thay đổi của từ thông. Do đó, ảnh hưởng tương ứng của cuộn dây B lên cuộn dây A sẽ triệt tiêu chính sự thay đổi từ thông mà cuộn dây A chia sẻ với cuộn dây B. Từ thông chia sẻ giữa hai cuộn dây sẽ triệt tiêu lẫn nhau về mặt sự thay đổi.

Sự ghép nối từ trường ở vị trí cố định (khác với động cơ điện hoặc máy phát điện) mô tả sự tương tác giữa các cuộn dây khác nhau do từ thông chung trong điều kiện dòng điện xoay chiều. Khi hoạt động như một máy biến áp để chuyển đổi công suất hoặc cách ly tín hiệu, hoặc như một cuộn cảm chế độ chung để bù trừ dòng điện, đây là trường hợp của sự ghép nối từ trường. Khi thiết kế hoặc sản xuất một cuộn cảm chế độ chung, luôn phải đối mặt với một câu hỏi: hai cuộn dây phải đảm bảo các thông số nào để đáp ứng yêu cầu? Hoặc ngoài cường độ dòng điện và độ tự cảm một phía, những yêu cầu cần thiết nào phải được xem xét để xác định mối quan hệ giữa hai cuộn dây? Một yêu cầu thông thường về thông số là sai số cảm biến ở cả hai bên phải đủ nhỏ, hoặc đôi khi hệ số ghép nối phải đạt mức cao (ví dụ như 98%). Lý do là bởi vì đối với một cuộn cảm chế độ chung kiểu bù trừ dòng điện, nếu điện cảm rò rỉ quá lớn sẽ gây ảnh hưởng đáng kể đến tín hiệu chế độ vi sai, có thể tạo ra trở kháng vi sai không mong muốn (dẫn đến suy giảm tín hiệu hoặc giảm dải thông vi sai), hoặc gây ra hiện tượng bão hòa lõi từ và làm ảnh hưởng đến khả năng triệt tiêu nhiễu chế độ chung. Do đó, việc kiểm soát hệ số ghép nối của sự ghép nối từ trường là cần thiết.

Khi sự ghép nối từ trường xảy ra giữa hai cuộn dây thông qua một môi trường ghép nối (lõi từ) với độ từ thẩm đồng đều, từ thông cụ thể được chia sẻ bởi cuộn A sang cuộn B là ngược lại, nó bằng . Sau đó, do từ thông chia sẻ (ghép nối từ trường) tương ứng với điện cảm hỗ cảm, nó có thể được định nghĩa lần lượt là phân loại ứng dụng và lựa chọn của điện cảm chế độ chung và phân loại ứng dụng và lựa chọn của điện cảm chế độ chung và  : 

Tổng từ thông chia sẻ tại đầu cuộn cảm ứng cũng được gọi là liên kết (linkage, ), có thể được biểu diễn thông qua mối quan hệ dựa trên mật độ từ thông và véctơ từ vị trí:

Véctơ từ vị trí được phân bố bởi cuộn A tại mỗi điểm trên cuộn B là (trong trường hợp trung bình của phân loại ứng dụng và lựa chọn với khoảng cách từ tâm đến tâm của điện cảm chế độ chung):

Liên kết từ thông giữa cuộn dây A và cuộn dây B được xác định như sau:

Do đó, độ tự cảm hỗ cảm tác động lên cuộn dây A bởi cuộn dây B được biểu diễn như sau:

Nguyên lý tương tự có thể được áp dụng để xác định biểu thức cho:

Như đã đề cập trước đó, sự ghép nối từ trường xảy ra giữa hai cuộn dây thông qua một môi trường ghép nối (lõi từ) với độ từ thẩm đồng đều. Do đó , rõ ràng:

Giải thích trên cho thấy hai cuộn dây quấn trên cùng một lõi từ sẽ có độ tự cảm hỗ cảm bằng nhau, ký hiệu là M. Quá trình chứng minh chi tiết nêu trên có thể tham khảo công thức Neumann. Bây giờ, giả sử toàn bộ từ thông của cuộn dây A phần chung tỷ lệ của , tức là . Tương tự, hệ số chia sẻ của cuộn dây B là , sẽ có:

Do đó, mối quan hệ giữa điện cảm hỗ cảm giữa hai cuộn dây với điện cảm độc lập của chúng có thể được xác định dựa vào mối quan hệ phương trình nêu trên:

Trên đây là nguồn gốc của hệ số ghép nối từ trường k: điện cảm chế độ chung thực tế có thể được xác định bằng cách đo riêng biệt giá trị điện cảm của hai cuộn dây (cuộn dây còn lại để ở trạng thái hở), cũng như điện cảm rò (cuộn dây còn lại để ở trạng thái ngắn mạch), ) và các giá trị tương ứng của điện cảm hỗ cảm cũng như hệ số ghép nối k. Cụ thể, đối với một cuộn điện cảm chế độ chung rất đối xứng được quấn trên lõi từ vòng có độ từ thẩm cao (ví dụ như vòng Ferrite MnZn), giá trị điện cảm của hai cuộn dây sẽ rất gần nhau, và độ lớn của điện cảm rò sẽ xấp xỉ bằng . Có thể thấy rằng hệ số ghép nối càng cao thì điện cảm rò càng thấp.

iI. Ứng dụng của Cuộn cảm Chế độ Chung

Như đã đề cập ở đầu bài viết này, một cuộn cảm chế độ chung thực chất chỉ là một cuộn cảm được kết nối đồng thời qua hai mạch điện. Chức năng của nó là triệt tiêu hoặc giảm thiểu nhiễu chế độ chung có thể tồn tại trên cả hai mạch điện. Tuy nhiên, hai mạch điện song song này không chỉ giới hạn trong trường hợp tạo thành một mạch vi sai, ví dụ như hai dây L và N trong một cặp dây nguồn, hoặc hai đường D+ và D- trên cổng đường dữ liệu. Do sự phát sinh nhiễu chế độ chung, việc cần thiết phải triệt tiêu nhiễu chế độ chung có thể xảy ra giữa các đường truyền dẫn chia sẻ cùng một điểm tiếp đất.

Để xác định ứng dụng của cảm biến chế độ chung, trước tiên cần hiểu rõ cách phát sinh nhiễu chế độ chung: như trong Hình.2 (thiết kế tham khảo cho bộ nguồn chuyển mạch 60W của Infineon: DEMO_5QSAG_60W1), đầu vào là điện áp xoay chiều đầu vào 85~300VAC, và các dây dẫn L, N tại cổng nguồn tạo thành một điểm nối đất chung với đất tham chiếu. Trên thực tế, còn có một dây tiếp địa màu xanh lá (Green Line) được kết nối với đất tham chiếu này và nối tới đất vật lý. Dây L và dây N lúc này tạo thành mạch điện nguồn và được nối song song với phía sơ cấp của biến áp Flyback này. Linh kiện Q11 đóng vai trò là transistor công tắc chính sử dụng loại MOS siêu nút 800V IPA80R600P7, với giới hạn Rds (on) tối đa là 600mΩ. Để hạn chế nhiệt lượng phát sinh, chất liệu tản nhiệt (các cánh nhôm tản nhiệt) thường được gắn vào vỏ ngoài của nó, điều này làm tăng điện dung ký sinh từ chân điện áp cao xuống đất, tạo ra ghép điện dung, và truyền điện áp đầu vào có điện áp cao và tần số cao để hình thành một điện thế mang tính nhiễu. Dây dẫn L và N tại cổng đầu vào cũng sẽ nhận được điện thế này thông qua đất tham chiếu, do đó tạo thành một nguồn nhiễu chế độ chung. Cần lưu ý rằng ghép điện dung, với tư cách là nguồn nhiễu chế độ chung chủ yếu mà kiểm tra dẫn truyền trong kiểm tra EMC phải đối mặt, tồn tại rộng rãi trong nhiều nguồn điện khác nhau có dạng thức chính là AC-DC với các cấu trúc topo khác nhau. Đồng thời, trên thực tế còn tồn tại rất nhiều mạch dòng điện nhỏ ở cả phía sơ cấp và thứ cấp của biến áp, và mỗi mạch dòng điện nhỏ đều làm gia tăng dòng nhiễu ghép cảm ứng, gây ra nhiễu chế độ chung hoặc nhiễu chế độ vi sai khó dự đoán. Do đó, điều này mang lại nhiều bất ổn cho việc xử lý EMC, cũng chính là lý do vì sao hiện vẫn chưa thể hoàn toàn dựa vào phần mềm mô phỏng để tiến hành mô phỏng tương thích điện từ.

Hình.2 Ví dụ về các thành phần Chiến lược tương ứng EMI (Infineon DEMO_5QSAG_60W1)

Để ước tính mức độ của nhiễu chế độ chung, thường cần giả định điện dung ký sinh trên mạch nhiễu chế độ chung, thông thường nằm trong khoảng vài chục pF. Trong ví dụ được minh họa ở Hình.2, giả sử điện dung ký sinh là 20pF, khi điện áp đầu vào là 230Vac và tần số chuyển mạch của bóng bán dẫn công suất chính là 200KHz, tổng độ rộng xung khi bật và tắt là 1 µs và các cạnh lên/xuống lần lượt là 0.2 µs. Điện áp cực đại tại đầu vào là , chu kỳ hoạt động của điện áp AC đầu vào thông qua công tắc là . Tần số góc đầu tiên trong phân bố mật độ phổ là:

Điện áp tương ứng tại đỉnh đầu tiên (bậc hài thứ nhất 1st harmonic) trong phân bố mật độ phổ là:

Trên một mạch có nhiễu chế độ chung, nếu không nối thêm cuộn cảm chế độ chung, dòng điện chế độ chung tối đa có thể được ước tính bằng cách bỏ qua tổng trở tương đương mắc nối tiếp (như điện trở dây dẫn, điện cảm ký sinh, v.v.), như trong Hình 3. Khi nối với mạng ổn định trở kháng tuyến tính (LISN), độ lớn của dòng điện chế độ chung sẽ là:

Do đó, biên độ điện áp nhiễu chế độ chung mà máy thu đo dẫn truyền (máy phân tích phổ) nhận được tại cổng LISN sẽ là:

Mặc dù kết quả thực tế được phát hiện trên máy thu đo kiểm tra là:

Điều đó có nghĩa là các biên độ của nhiễu chế độ chung và nhiễu chế độ vi sai được chồng chất lên nhau, nhưng rõ ràng chỉ cần chế độ chung được hạn chế thì kết quả kiểm tra cuối cùng sẽ được cải thiện. Do đó, ví dụ như trong tiêu chuẩn EMC EN55022 dành cho các ứng dụng công nghiệp và viễn thông thông thường, biên độ QP phải thấp hơn trong dải tần từ 150KHz đến 500KHz. Vì vậy, giá trị tối đa việc suy giảm nhiễu chế độ chung phải được thực hiện tại đây. Lấy mục tiêu suy giảm là -20dB làm ví dụ, thông qua phép tính đơn giản, trở kháng chính trong mạch chế độ chung là trở kháng của điện dung rò, xấp xỉ 25K Ω. Như minh họa trong Hình 4, trở kháng chế độ chung cần thiết tương ứng là khoảng 250K Ω, có thể chuyển đổi thành cuộn cảm chế độ chung 125mH.

Hình 3 Sơ đồ mạch kiểm tra dẫn truyền trong kiểm tra EMC (sơ đồ mạch của nhiễu chế độ chung và tín hiệu chế độ vi sai)

Hình 4 Mối quan hệ giữa mạch tổn hao chèn của bộ lọc (trái) và biên độ suy giảm tương ứng cùng trở kháng bộ lọc (phải)

Ngoài các ứng dụng cảm biến chế độ chung trên đường điện, cảm biến chế độ chung cũng thường được sử dụng trên các đường tín hiệu tốc độ cao như USB 3.0, HDMI, LAN, v.v., hoặc một số đường tín hiệu LVDS như CAN BUS, SPI hoặc RS232, RS485, v.v. Việc sử dụng cuộn cảm chế độ chung trên các đường tín hiệu cũng có chức năng hạn chế nhiễu chế độ chung, ví dụ như tỷ lệ khử nhiễu chế độ chung cần thiết để đáp ứng các tiêu chuẩn truyền thông nhất định. Tuy nhiên, điểm quan trọng hơn nằm ở hiệu ứng bù trừ dòng điện đi kèm của nó, như đã đề cập ở phần đầu, đó chính là cuộn cảm chế độ chung kiểu bù trừ dòng điện.

Như thể hiện trong Hình 5, các đường tín hiệu tốc độ cao nói chung sử dụng phương pháp truyền vi sai để truyền tín hiệu. Trên các đường tín hiệu có điện trở, tụ điện ký sinh và cuộn cảm phân bố. Cáp xoắn đôi có thể giảm hiệu quả các tụ điện ký sinh nhưng không thể loại bỏ các cuộn cảm phân bố. Do đó, ở đầu thu sẽ tồn tại điện cảm đầu vào vi sai, và dòng điện ghép nối trên đường dây sẽ tạo ra nhiễu trên biểu đồ tín hiệu. Những tín hiệu nhiễu này gần như được phân bố đều ở cả hai đầu của bộ thu theo tính đối xứng của đường truyền. Khi một cuộn cảm chế độ chung được đặt tại vị trí đầu vào của bộ thu, lượng nhiễu gần như bằng nhau này sẽ bị triệt tiêu thông qua ghép vòng dây của cuộn cảm chế độ chung, làm giảm đáng kể nhiễu ghép nối. Nói cách khác, hiệu ứng bù trừ dòng điện làm giảm nhiễu đầu vào tại bộ thu.

Hình.6 Quá trình truyền tín hiệu vi sai dọc theo đường truyền từ đầu phát đến đầu thu (trái) và cải thiện khi sử dụng cuộn cảm chế độ chung tại đầu thu (phải)

Trên giản đồ mắt của tín hiệu, như thể hiện ở Hình 6, bằng cách giảm tổn hao chèn (insertion loss) gây ra bởi độ tự cảm rò rỉ của đường dây, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (signal-to-noise ratio) sẽ được cải thiện, điều này đặc biệt quan trọng đối với các đường truyền dẫn dài hơn hoặc các đường tín hiệu tốc độ cao. Nói chung, các đường truyền dẫn được sử dụng cho các cổng tín hiệu nói trên thường là các đường truyền dẫn có trở kháng 90~120 Ω. Dựa vào yêu cầu cụ thể về dải tần số của tín hiệu, người ta thường chọn các cuộn cảm chống nhiễu chung (common mode inductors) có trở kháng từ 1 đến 10 lần để cung cấp mức triệt nhiễu chung (common mode suppression) khoảng -6dB đến -20dB. Điều này tương tự như ứng dụng nguồn điện đã đề cập trước đó, phụ thuộc vào mức trở kháng của mạch nhiễu chế độ chung. Tất nhiên, khi tần số tăng lên (do yêu cầu của việc truyền dẫn tín hiệu tốc độ cao), trở kháng chế độ chung của hệ thống sẽ giảm xuống, và việc cung cấp quá nhiều độ tự cảm sẽ làm hẹp dải thông lọc (filtering bandwidth). Do đó, cần xác minh xem giá trị độ tự cảm đã chọn có phù hợp với yêu cầu truyền dẫn của các tín hiệu tốc độ cao hay không.

Hình 6 Sơ đồ khối minh họa chất lượng tín hiệu bị ảnh hưởng bởi tổn hao chèn trên các đường truyền dẫn vi sai

iII. Tác hại của nhiễu chế độ chung

Vậy, vấn đề với tiếng ồn chế độ chung (common mode noise) là gì? Tại sao việc tập trung vào việc triệt tiêu tiếng ồn chế độ chung trên mạch lại thường cần thiết trong kiểm tra EMC? Tất nhiên, để đáp ứng các tiêu chuẩn chứng nhận EMC của nhiều quốc gia, cần phải giới hạn biên độ của các tín hiệu chế độ chung và chế độ vi sai, đảm bảo an toàn cho sản phẩm và giảm thiểu nguy cơ gây hại tiềm tàng đến lưới điện hoặc các thiết bị lân cận từ phía tiêu thụ điện. Thứ hai, xét từ góc độ tính toàn vẹn nguồn (power integrity) và toàn vẹn tín hiệu (signal integrity), hầu hết các thiết bị điện và bộ điều khiển thiết bị gia dụng hoạt động ở mức điện áp thấp, và điện áp nhiễu bổ sung có thể dẫn đến tín hiệu điều khiển hoặc dữ liệu truyền tải bất thường, thậm chí gây ra lỗi và ngừng hoạt động. Những can thiệp bất thường này có thể xuất phát cả từ bo mạch và nhiễu RF của nó, ví dụ như hiện tượng mất kết nối thiết bị di động hoặc tiếng rít nhiễu khi phát sóng. Cuối cùng, tiếng ồn chế độ chung quá mức có khả năng được phát ra không gian dưới dạng bức xạ tần số cao, ví dụ như trong các mạch chế độ chung lớn hoặc trên các dây dẫn tương tự như ăng-ten, gây ra những ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe mà con người khó nhận biết.

Để đơn giản hóa vấn đề, chúng ta tương đương đường truyền thành một cặp từ trường Hertz và thu được mô hình bức xạ nhiễu chế độ chung như trong Hình 7. Khoảng cách giữa điểm đo và vị trí trung tâm của đường truyền chế độ chung là d, thường lớn hơn đáng kể so với kích thước mạch, do đó đây là điểm đo trường xa. Do đó, đối với bức xạ trường xa của anten, cường độ trường được xác định bằng:

Trong số đó, là hằng số pha tương ứng với bước sóng bức xạ, là khoảng cách giữa các vị trí đo, là góc phẳng lệch θ độ từ mẫu bức xạ anten, và đối với cặp từ trường Hertz , và , phụ thuộc vào loại anten. Vì bức xạ nhận được tại điểm xa là tác động đồng thời của hai đường chế độ chung ở góc , do đó:

Đối với nhiễu chế độ chung, như trong Hình 7: và , mức bức xạ tối đa tại điểm đo được xác định như sau:

Khi khoảng cách giữa các đường s đủ nhỏ Vì vậy có thể đơn giản hóa thành:

Do đó, cường độ bức xạ chế độ chung tỷ lệ thuận với chiều dài đường truyền dẫn chế độ chung và giảm dần theo khoảng cách. Ví dụ về mức độ của biên độ này: giả sử chiều dài đường truyền dẫn chế độ chung là 1 mét và biên độ dòng điện chế độ chung là 7,96 µA, tương ứng với bài kiểm tra trường ở khoảng cách 3 mét theo tiêu chuẩn FCC Class B tại tần số 30MHz, cường độ bức xạ sẽ là:

Cường độ này đúng bằng giới hạn tiêu chuẩn. Nếu có một dây dẫn hoặc con người dài 1 mét tại điểm thử nghiệm cách 3 mét, nó sẽ cảm nhận được điện áp 100 µV. Việc tiếp xúc lâu dài với môi trường như vậy sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, và lượng bức xạ tích lũy có thể gây ra nhiều bệnh mãn tính hoặc tổn thương cá biệt, đây cũng chính là ý nghĩa quan trọng của chứng nhận EMC.

Hình 7 Mô hình bức xạ và sơ đồ điểm kiểm tra của tiếng ồn chế độ chung

Cấu trúc dạng sóng trên hầu hết các mạch chuyển mạch có thể được phân loại là sóng răng cưa, và phổ tần số của nó thể hiện hai giai đoạn giảm tốc từ đến với mức độ hài tăng lên. Các nút là tần số góc đầu tiên và thời gian cạnh tăng tần số góc. Quang phổ tần số của cường độ bức xạ chế độ chung được đề cập ở trên rõ ràng tăng theo tần số bởi . Do đó, đối với các nguồn cấp chuyển mạch thông thường và các mạch tín hiệu sóng vuông, quang phổ bức xạ chế độ chung sẽ có xu hướng phân bố đặc trưng là ban đầu tăng sau đó giảm như trong Hình 8. Vì vậy, phần giữa là đoạn cần được kiểm soát hoặc triệt tiêu đặc biệt.

Hình 8 Phân bố cường độ nhiễu bức xạ chế độ chung tương ứng với các sóng hình thang thông dụng

4. Lựa chọn cuộn cảm chế độ chung

Đối với các đường dây điện, nguồn gây ra tiếng ồn chế độ chung tương đối rõ ràng, nhưng các yếu tố rải rác khó có thể đo lường được thông qua các thiết bị. Trong hầu hết các trường hợp, kết quả sẽ được xấp xỉ dần thông qua phân tích sau khi thử nghiệm, vì vậy kinh nghiệm tích lũy đóng vai trò rất quan trọng. Khi giới thiệu ứng dụng của cuộn cảm chế độ chung trong Phần 2 của bài viết này, chúng ta đã đề cập rằng việc ước tính lý thuyết về biên độ tiếng ồn chế độ chung và yêu cầu điện cảm tương ứng của cuộn cảm chế độ chung có thể được sử dụng làm điểm khởi đầu cho các thí nghiệm ban đầu.

Thông thường, cuộn cảm chế độ chung được sử dụng trong giai đoạn lọc của đầu vào nguồn AC-DC sử dụng lõi từ dạng vòng kín làm lõi từ. Ưu điểm của thiết kế này là có thể dễ dàng đạt được độ tự cảm rò rất thấp và hệ số ghép nối rất cao. Đối với điện áp đầu vào cao và tần số chuyển mạch tương đối thấp, nó có thể cung cấp trở kháng chế độ chung cao để hạn chế biên độ nhiễu chế độ chung có mức điện áp lớn. Do tính chất từ thẩm của vật liệu từ có thể được chia thành phần cảm ứng và phần tổn hao Khi lõi từ tính tiếp cận hoặc vượt quá điểm đặc trưng trở kháng cao nhất, phần tổn hao sẽ chiếm phần chính trong trở kháng. Lúc này, việc giảm tiếng ồn không còn đạt được bằng cách giảm biên độ nhiễu thông qua trở kháng cảm ứng nữa, mà là bằng cách hấp thụ năng lượng nhiễu thông qua nhiệt sinh ra do tổn hao. Do đó, một mức độ bão hòa thích hợp (quá bão hòa sẽ gây giảm trở kháng) sẽ không ảnh hưởng đến hiệu quả giảm tiếng ồn, vì vậy chúng ta không cần phải tìm kiếm các thông số bão hòa tương tự như những thông số trong các cuộn cảm công suất.

Khi chọn cuộn cảm chế độ chung. Đồng thời, nếu là phần điện cảm rò, ví dụ như một điện cảm 1mH có hệ số ghép nối 99%, sẽ tồn tại điện cảm rò 10uH trên mạch vi sai. Khi xem xét việc triệt nhiễu chế độ vi sai (thường sử dụng cầu lọc LC), phần điện cảm rò này cũng cần được tính đến. Điện cảm rò vừa phải sẽ hữu ích trong việc hạn chế nhiễu tần số cao chế độ vi sai, nhưng do cuộn cảm chế độ chung chủ yếu sử dụng lõi từ khép kín nên dễ gây bão hòa lõi ở dòng điện lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng và dải tần số nhiễu lọc. Việc tăng tỷ lệ điện cảm rò thường có thể đạt được bằng cách sử dụng cấu trúc lõi từ hình vuông hoặc khung (lõi từ UU hoặc lõi từ PQ, v.v.), hoặc bằng cách sử dụng cuộn dây bất đối xứng ). Việc lựa chọn cụ thể cần được người dùng xác định thông qua thử nghiệm nhận dạng bộ tách chế độ chung vi sai để xác định xem có thực sự cần thiết hay không.

Đối với các thông số của cảm kháng chế độ chung (common mode inductance), chúng chủ yếu bao gồm giá trị cảm kháng một phía, Rdc, Dòng điện định mức, Điện áp định mức và Điện áp chịu đựng (Hi pot). Giá trị cảm kháng một phía chủ yếu xác định kích thước của trở kháng chế độ chung. Rdc là tổn hao DC của dây dẫn, và sự tăng nhiệt độ do tổn hao này tạo ra giới hạn dòng điện định mức. Cuối cùng, vì nó được sử dụng trên các đường điện áp cao, giới hạn điện áp và yêu cầu an toàn được đánh dấu riêng biệt. Tuy nhiên, người dùng thường thích đánh giá hiệu quả lọc nhiễu, vì vậy nói chung, tài liệu kỹ thuật sẽ cung cấp hai dạng đường cong đặc tính trở kháng. Một dạng là trở kháng chế độ chung/chế độ vi sai (common mode/differential mode impedance) như trong Hình 9-a, và dạng còn lại là dạng suy hao chèn (insertion loss dB) như trong Hình 9-b. Hai dạng này tương đương với nhau, và đường cong dạng suy hao chèn dB được hình thành bằng cách chuyển đổi trở kháng chế độ chung/chế độ vi sai sang hệ thống có trở kháng 50 Ω+50 Ω.

Hình.9 (a) Dạng trở kháng chế độ chung/chế độ vi sai (b) Dạng tổn hao chèn (dB)

Đối với cùng một dãy chế độ chung, các cấu trúc đóng gói có kích thước khác nhau phù hợp với các mức dòng điện và dải tần số lọc khác nhau: kích thước càng lớn thì điện trở từ của lõi từ càng thấp, nhờ đó giảm được số vòng dây quấn, cho phép tăng đường kính dây đồng và sử dụng vòng dòng điện lớn hơn; giá trị điện cảm càng cao hoặc tần số ổn định thấp hơn của độ từ thẩm vật liệu thì dải tần số lọc phù hợp càng hẹp, và cuộn cảm chế độ chung loại này đặt trong vòng mạch có thể không mang lại hiệu quả giảm nhiễu ở đầu tần số cao.

Codaca Các điện cảm chế độ chung thông dụng của ngành điện tử hiện nay chủ yếu được chia làm hai phần: đường tín hiệu và đường điện nguồn. Có hơn 10 dòng sản phẩm và 50 kích thước gói linh kiện khác nhau, cùng với gần 300 mã linh kiện tiêu chuẩn khác nhau. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các đường truyền tín hiệu như CAN BUS, RS485 và các thiết bị cấp nguồn offline với công suất từ vài watt đến hàng kilowatt. Đội ngũ kỹ thuật R&D của chúng tôi cũng có thể hỗ trợ người dùng từ khâu thử nghiệm, phân tích hoặc tùy chỉnh thông số kỹ thuật phù hợp, cho đến việc hoàn tất các chứng nhận EMC liên quan.

Tham khảo

[1] Infineon Technologies AG. Engineering_report_DEMO_5QSAG_60W1-AN-v01_00-EN.pdf. www.infineon.com

[2] Thông tin sản phẩm điện cảm CODACA： www.codaca.com

[3] Clayton R.Paul. Nhập môn Tương thích Điện từ (Introduction to Electromagnetic Compatibility). Phiên bản thứ 2. Wiley-interscience.

[4] Bhag Singh Guru và Huseyin R. Hiziroglu. Những nguyên lý cơ bản về Lý thuyết Trường Điện từ (Electromagnetic Field Theory Fundamentals). Phiên bản thứ 2. Cambridge University Press.

Giải thích về Bảo hộ Sở hữu Trí tuệ

CODACA "hoặc" Codaca "là một thương hiệu đã đăng ký của Công ty TNHH Điện tử Thâm Quyến Codaca Công ty TNHH Điện tử Codaca Thâm Quyến. Mọi việc sử dụng hoặc tham chiếu văn bản, dữ liệu hoặc các loại thông tin công khai khác chứa nội dung sở hữu trí tuệ được xuất bản hoặc phân phối bởi Công ty TNHH Điện tử Codaca Thâm Quyến đều thuộc phạm vi bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ của Công ty TNHH Điện tử Codaca Thâm Quyến. Công ty TNHH Điện tử Codaca Thâm Quyến giữ quyền tuyên bố liên quan đến sở hữu trí tuệ, quyền bảo vệ và các quyền lợi bảo hộ khác. Để làm rõ rằng bạn không gặp bất kỳ xung đột tiềm ẩn nào về sở hữu trí tuệ trong các vấn đề liên quan, vui lòng liên hệ với Công ty TNHH Điện tử Kedajia Thâm Quyến khi cần thiết.