Những yếu tố nào nên được xem xét khi tùy chỉnh cuộn cảm chung?

Khi thiết kế mạch, nếu các cuộn kháng chung loại tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường không đáp ứng được yêu cầu, thì việc tùy chỉnh sản phẩm trở nên cần thiết. Điều này đảm bảo rằng chế độ chung choke có thể đáp ứng nhu cầu của mạch về ức chế nhiễu điện từ (EMI), bố trí kết cấu và các thông số kỹ thuật khác. Việc tùy chỉnh một cuộn kháng chung đòi hỏi phải lựa chọn vật liệu phù hợp và cấu trúc sản phẩm dựa trên tình huống ứng dụng thực tế và các thông số hiệu suất yêu cầu. Đối với một kỹ sư thiết kế, việc xác định rõ những nhu cầu này là bước đầu tiên quan trọng.

1.Định nghĩa về Cuộn Kháng Chung

Trước tiên, hãy làm rõ cuộn kháng chung là gì.

Định nghĩa: Một cuộn chống chế độ chung, còn được gọi là cuộn dây chống chế độ chung, bao gồm hai cuộn dây có cùng số vòng quấn theo hướng ngược nhau trên một lõi từ khép kín duy nhất. Nó tạo ra trở kháng rất cao đối với nhiễu chế độ chung, cho phép ngăn chặn can thiệp chế độ chung. Ngược lại, nó có trở kháng rất thấp đối với tín hiệu chế độ vi sai, do đó hầu như không gây suy giảm tín hiệu mong muốn.

Nguyên tắc: Theo quy tắc bàn tay phải, khi dòng điện chế độ chung chạy qua các cuộn dây, các trường từ được tạo ra bởi hai cuộn dây sẽ tăng cường lẫn nhau (Hình 1). Điều này khiến toàn bộ linh kiện thể hiện trở kháng cao, làm suy giảm tín hiệu nhiễu. Khi dòng điện chế độ vi sai chạy qua, hai trường từ được tạo ra bằng nhau và ngược chiều nhau, triệt tiêu lẫn nhau (Hình 2). Điều này cho phép tín hiệu dòng điện mong muốn đi qua mà không bị ảnh hưởng. Vì lý do này, các cuộn chống chế độ chung được sử dụng trong mạch để ức chế can thiệp chế độ chung.

Hình 1: Khi dòng điện chế độ chung chạy qua, các trường từ tính sẽ tăng cường lẫn nhau

Hình 2: Khi dòng điện chế độ vi sai chạy qua, các trường từ tính sẽ triệt tiêu lẫn nhau

2.Các Danh Mục Chính Của Cuộn Kháng Chế Độ Chung

Cuộn kháng chế độ chung có thể được chia thành hai danh mục chính dựa trên ứng dụng: cuộn kháng chế độ chung cho đường tín hiệu và cuộn kháng chế độ chung cho đường nguồn .

Dưới đây là phân loại sản phẩm tiêu chuẩn và các mô hình sản phẩm tương ứng của cuộn kháng chế độ chung trên trang web chính thức. Codaca trang này có thể được truy cập tại đây:
https://www.codaca.com/Productsctr_Common-Mode-Choke.html

Hình 3: Cuộn Kháng Chế Độ Chung Cho Đường Tín Hiệu

Hình 4: Cuộn cảm chế độ chung đường dây điện

Giải thích thông số:

Lấy cuộn cảm chung Codaca CPSQ1515L-203  ví dụ:

Bảng 1: Các thông số đặc trưng của cuộn kháng chế độ chung CPSQ1515L-203

① Độ tự cảm: Trong điều kiện tần số và điện dung ký sinh giống nhau, độ tự cảm lớn hơn sẽ tạo ra trở kháng cao hơn.

② Trở kháng: Trở kháng cao hơn mang lại hiệu suất lọc tốt hơn. Giá trị trở kháng thay đổi ở các tần số khác nhau.

Hình 5: Đường cong đặc tính Trở kháng theo Tần số của cuộn kháng chế độ chung CPSQ1515L-203

③ Điện trở một chiều (DCR): Điện trở thể hiện trên toàn bộ cuộn cảm trong điều kiện dòng một chiều; nói chung, DCR thấp hơn là tốt hơn.

④ Dòng điện định mức: Dòng điện tối đa mà cuộn cảm có thể chịu được liên tục mà không bị quá nhiệt.

⑤ Điện áp định mức: Điện áp mà mạch được thiết kế để hoạt động bình thường.

⑥ Hi-pot (Điện áp chịu đựng): Điện áp mà cuộn dây có thể chịu được giữa các vòng dây hoặc giữa các cuộn dây trong một khoảng thời gian quy định mà không bị đánh thủng.

⑦ Dải Nhiệt Độ Hoạt Động: Dải nhiệt độ trong đó linh kiện có thể hoạt động ổn định.

3. 6 Bước Tùy Chỉnh Cuộn Xác Lập Chế Độ Chung

Khi các sản phẩm tiêu chuẩn không thể đáp ứng nhu cầu của khách hàng, việc tùy chỉnh cuộn xác lập chế độ chung là cần thiết. Sau khi đã làm rõ định nghĩa, nguyên lý và các thông số của cuộn xác lập chế độ chung, chúng ta sẽ tiếp tục thảo luận về cách tùy chỉnh một sản phẩm phù hợp cho khách hàng.

Bước 1: Làm Rõ Yêu Cầu Của Khách Hàng

Phân Tích Tình Huống Ứng Dụng: Tiến hành phân tích toàn diện về trường hợp sử dụng của cuộn xác lập chế độ chung. Bao gồm ứng dụng cụ thể (xác định cấp độ sản phẩm cần thiết — ô tô hoặc công nghiệp), điện áp hoạt động, dòng điện và tần số hoạt động. Những yếu tố này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế và lựa chọn cuộn xác lập chế độ chung.

Bước 2: Xác Định Các Thông Số Đặc Tính

Độ tự cảm: Độ tự cảm là một trong những thông số hiệu suất quan trọng nhất của cuộn chống chế độ chung và ảnh hưởng trực tiếp đến ứng dụng của nó. Độ tự cảm yêu cầu phải được xác định dựa trên trường hợp sử dụng cụ thể.
Công thức tính độ tự cảm tối thiểu cần thiết cho cuộn chống chế độ chung trong mạch lọc (bỏ qua điện dung ký sinh) là:

Ở đâu là giá trị trở kháng yêu cầu tại tần số .

Độ Impedance: Khả năng của cuộn chống chế độ chung trong việc ức chế nhiễu chế độ chung có liên hệ mật thiết với trở kháng của nó. Giá trị trở kháng phù hợp phải được xác định dựa trên hiệu quả lọc mong muốn.

Bước 3: Chọn Vật liệu và Cấu trúc Sản phẩm Phù hợp

Vật liệu chính: Lõi được sử dụng để tăng độ từ thẩm của cuộn dây, nhờ đó làm tăng cường độ cảm ứng từ trong cuộn dây và nâng cao giá trị độ tự cảm. Các vật liệu có độ từ thẩm cao như ferrite độ từ thẩm cao, vật liệu vô định hình hoặc nanocrystalline thường được lựa chọn. Việc chọn vật liệu lõi ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của cuộn cảm, và một vật liệu phù hợp cũng có thể giúp giảm kích thước thực tế của sản phẩm.

Vật liệu cuộn dây: Cuộn dây thường được quấn bằng dây đồng. Số vòng dây và đường kính dây được thiết kế dựa trên giá trị độ tự cảm và dòng điện hiệu dụng yêu cầu.

Công thức tính độ tự cảm là:

μ ₀độ từ thẩm của không gian tự do

μ _e độ từ thẩm tương đối của lõi

A _e diện tích mặt cắt ngang hiệu dụng của lõi

l _e chiều dài đường đi từ hiệu dụng của lõi

N số vòng dây của cuộn dây

Như công thức đã nêu, để đạt được sự thu nhỏ kích thước sản phẩm, có thể cân nhắc sử dụng lõi có độ từ thẩm cao hơn nhằm giảm thể tích của lõi.

Thiết kế cấu trúc: Dựa trên bố trí không gian của bo mạch khách hàng, thiết kế hợp lý cấu trúc sản phẩm theo chiều dọc hoặc chiều ngang và lựa chọn loại đóng gói dạng lỗ xuyên hay hàn mặt để đảm bảo cuộn kháng có thể được lắp đặt chính xác.

Bước 4: Tham chiếu các tiêu chuẩn an toàn

Tham khảo các tiêu chuẩn an toàn như IEC 60664-1 hoặc các tiêu chuẩn nội bộ của khách hàng.

Bước 5: Cân nhắc các yếu tố môi trường

Môi trường hoạt động cũng ảnh hưởng đến hiệu suất điện của cuộn cảm. Khi tùy chỉnh một cuộn kháng chung, cần xem xét các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và phương pháp làm mát để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định trong ứng dụng thực tế.

Bước 6: Kiểm tra và tối ưu hóa hiệu suất

Sau khi tùy chỉnh, cuộn kháng chung phải trải qua kiểm tra hiệu suất, bao gồm các bài kiểm tra về độ tự cảm, trở kháng và các thông số khác. Nếu kết quả kiểm tra không đáp ứng yêu cầu, thiết kế cần được tối ưu hóa cho đến khi thỏa mãn nhu cầu ứng dụng.

4.Kết Luận

Tóm lại, việc tùy chỉnh một cuộn kháng chung phù hợp đòi hỏi phải xem xét toàn diện nhiều yếu tố, bao gồm nhu cầu ứng dụng của khách hàng, vật liệu và cấu trúc, thông số hiệu suất, yêu cầu an toàn, các yếu tố môi trường, cũng như kiểm tra và tối ưu hóa hiệu suất. Chỉ thông qua phân tích khoa học và thiết kế hợp lý mới có thể đảm bảo cuộn kháng chung được tùy chỉnh đáp ứng được yêu cầu trong ứng dụng thực tế.

Đội ngũ R&D tại Codaca Electronics có kinh nghiệm phong phú trong phát triển cuộn kháng chung theo yêu cầu. Chúng tôi có thể nhanh chóng cung cấp các giải pháp sản phẩm phù hợp cho các tình huống ứng dụng khác nhau của khách hàng. Chúng tôi rất mong được đón tiếp bạn liên hệ để tư vấn và nhận thêm thông tin.