EN
Liên kết nhanh
Trong các thiết bị điện tử, thường có một bộ lọc được đặt trên đường vào AC. Điều này là do đối với các thiết bị điện tử sử dụng nguồn xung, nguồn gốc chính gây ra nhiễu điện từ (EMI) chính là bản thân bộ nguồn. Các nguồn gây nhiễu EMI rất đa dạng, bao gồm các hiện tượng tự nhiên như sét và từ trường Trái Đất, cũng như các nguồn nhân tạo như động cơ, công nghệ tần số vô tuyến (RF), và các tín hiệu tương tự/số, tất cả đều có thể tạo ra nhiễu. Bộ lọc là thành phần không thể thiếu để ngăn chặn các tín hiệu nhiễu này truyền ra ngoài thiết bị hoặc ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử khác ở gần. Bài viết này sẽ tìm hiểu về nguyên nhân gây ra nhiễu điện từ và các biện pháp xử lý vấn đề này.
1- Các loại tín hiệu nhiễu và cách chúng được phát sinh
Nhiễu trong các thiết bị điện tử đề cập đến các tín hiệu điện không mong muốn bên trong thiết bị. Đây là những nhiễu điện áp hoặc dòng điện không thể tránh khỏi. Nếu mức độ nhiễu quá lớn, có thể xảy ra các hiện tượng sau:
① Nghe thấy tiếng ồn trong radio hoặc các thiết bị đa phương tiện mà không liên quan đến âm thanh mong muốn.
② Hiển thị hình ảnh bị méo hoặc rối trên màn hình tivi ngoài nội dung gốc.
③ Các thiết bị kỹ thuật số có thể khởi động sai hoặc không hoạt động bình thường.
④ Thiết bị truyền thông có thể không truyền được tín hiệu bình thường.
⑤ Các tác động khác làm ảnh hưởng đến hoạt động đúng đắn của các thiết bị điện tử.
Vì những lý do này, các quốc gia và khu vực đã ban hành các yêu cầu và quy định tương ứng đối với thiết bị điện tử, quy định rằng các tín hiệu nhiễu do các thiết bị này tạo ra không được vượt quá một giới hạn nhất định. Các nhà sản xuất có nghĩa vụ kiểm soát mức nhiễu điện từ (EMI) do sản phẩm của họ tạo ra trong giới hạn đã quy định.
Trong những năm gần đây, các thiết bị điện tử đã áp dụng rộng rãi công nghệ số và công nghệ chuyển mạch. Miễn là một sản phẩm sử dụng những công nghệ này, nó sẽ không tránh khỏi việc tạo ra các tín hiệu EMI. Việc sử dụng bộ lọc là cách hiệu quả để giữ mức độ nhiễu này trong giới hạn quy định. Giới hạn nhiễu có thể khác nhau giữa các quốc gia hoặc khu vực, điều này đồng nghĩa với việc đặc tính của các bộ lọc yêu cầu cũng sẽ khác nhau. Hình dưới đây minh họa ví dụ về bộ lọc đường dây điện được sử dụng bên ngoài cho thiết bị công nghiệp và bộ lọc nội bộ (cuộn cảm chế chung, cuộn cảm chế đối) được lắp đặt bên trong nguồn điện.
Hình 1 (Trái): Bộ Lọc Đường Dây Điện Công Nghiệp Bên Ngoài
Hình 2 (Phải): Bộ Lọc Nguồn Chuyển Mạch Nội Bộ (Cuộn Cảm Chế Chung)
Trong một nguồn điện chuyển mạch, transistor chuyển mạch, diode chỉnh lưu tần số cao và biến áp chuyển mạch tạo ra mức độ nhiễu cao hơn. Các dạng sóng hoạt động bên trong một nguồn điện chuyển mạch thường là sóng vuông hoặc sóng tam giác (các dạng sóng cơ bản). Những dạng sóng này chứa các thành phần tần số cao là bội số nguyên của tần số cơ bản. Khi những dạng sóng tần số cao này lan truyền ra ngoài, chúng trở thành các tín hiệu nhiễu.
Hơn nữa, tốc độ chuyển mạch của các transistor cực kỳ nhanh. Ví dụ, một dòng điện 2A ở 12V có thể được bật/tắt với tần số khoảng 300 kHz. Như minh họa trong sơ đồ bên dưới, trong trạng thái chuyển tiếp khi chuyển mạch, tốc độ thay đổi của dòng điện (di/dt) rất cao. Vì độ tự cảm tồn tại không chỉ ở cuộn dây cảm ứng mà còn dưới dạng độ tự cảm ký sinh trên bảng mạch in (PCB), sự thay đổi nhanh chóng của dòng điện này có thể tạo ra các tín hiệu điện áp gây nhiễu, làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh hoặc các linh kiện điện tử khác. Những tín hiệu nhiễu này không chỉ truyền dẫn theo các đường mạch trên PCB mà còn phát xạ ra ngoài thông qua sóng điện từ và dây dẫn. Tần số của EMI này không cố định; có nhiều thành phần di/dt trong một chu kỳ chuyển mạch đơn lẻ, dẫn đến phổ tần số rộng của điện áp nhiễu được tạo ra.
Hình 3: Mô hình Mạch Điện Tương Đương
Hình 4: Mô hình Tín hiệu Điện áp Nhiễu
Hình 5: Tín hiệu Điện áp Nhiễu
Hình 6: Tín hiệu dòng nhiễu
Hình 7: Mô hình dòng ngắn mạch tắt điốt
Không chỉ giới hạn ở các bộ nguồn chuyển mạch, chúng ta có thể phân loại rộng rãi nơi phát sinh nhiễu trong một thiết bị điện tử dựa trên đường dẫn điện áp/dòng điện. Như được hiển thị trong sơ đồ bên dưới, nhiễu phát sinh ở chế độ chênh lệch và chế độ chung lần lượt được gọi là nhiễu chế độ chênh lệch và nhiễu chế độ chung.
Hình 8: Sơ đồ mô hình tín hiệu nhiễu
Nhiễu xuất hiện giữa các dây của dây nguồn xoay chiều, hoặc giữa các cực dương và âm của đầu ra một chiều, được gọi là nhiễu chế độ vi sai. Ngược lại, nhiễu chế độ chung ám chỉ thành phần tín hiệu nhiễu phát sinh giữa bất kỳ dây nào trong mạch với dây nối đất (tức là so với mặt đất). Nhiễu do các mạch điện tạo ra hầu như lúc đầu luôn là chế độ vi sai. Tuy nhiên, khi tín hiệu vi sai này lan truyền sang các mạch khác, sự cân bằng trở kháng của nó đối với đất có thể bị phá vỡ do ảnh hưởng điện từ hoặc tĩnh điện, dẫn đến việc chuyển đổi thành tín hiệu chế độ chung. Cuối cùng, phần lớn nhiễu trở thành nhiễu chế độ chung.
Ngoài ra, các tín hiệu nhiễu bên ngoài xâm nhập vào thiết bị từ môi trường tự nhiên thường là nhiễu chế độ chung, vì sự phát sinh của chúng hầu như luôn liên quan đến trái đất (mass). Hơn nữa, khi nhiễu chế độ chung xâm nhập vào mạch, nó cũng có thể được chuyển đổi thành nhiễu chế độ vi sai dưới nhiều điều kiện và ảnh hưởng của các linh kiện khác nhau, điều này có thể tác động trực tiếp và bất lợi đến hoạt động của mạch.
Trong các thiết bị điện tử hoặc mạch điện nguồn, cần phải xem xét và thực hiện các biện pháp đối phó đối với cả nhiễu chế độ chung và nhiễu chế độ vi sai, vốn hoàn toàn khác nhau về bản chất.
2- Các biện pháp đối phó với nhiễu điện từ
Xét từ góc độ lan truyền tín hiệu nhiễu, nhiễu có thể được phân loại rộng rãi thành nhiễu dẫn và nhiễu bức xạ. Xét từ loại tín hiệu nhiễu, có thể chia thành nhiễu chế độ chung và nhiễu chế độ vi sai. Có hai phương pháp chính để kìm hãm tín hiệu nhiễu:
① Ngăn ngừa việc phát sinh tín hiệu nhiễu.
② Chặn, hấp thụ hoặc loại bỏ sự lan truyền của tín hiệu nhiễu.
Các thiết bị điện tử hiện đại chủ yếu sử dụng công nghệ nguồn chuyển mạch và công nghệ số. Các thiết bị sử dụng những công nghệ này chắc chắn sẽ tạo ra tín hiệu nhiễu, điều mà khó có thể kìm hãm chỉ bằng cách nâng cấp công nghệ. Hiện nay, phần lớn các giải pháp tập trung vào việc chặn hoặc làm giảm sự lan truyền của tín hiệu nhiễu.
2.1 Sử dụng các linh kiện thụ động để chặn (hấp thụ hoặc loại bỏ) sự dẫn truyền tín hiệu nhiễu, ví dụ như kết hợp cuộn cảm chế độ chung, cuộn cảm chế độ vi sai, tụ điện X và tụ điện Y nhằm ức chế nhiễu dẫn.
2.2 Sử dụng cuộn cảm nguồn có hạt ferrite hoặc cấu trúc chắn từ tính để ngăn chặn tín hiệu nhiễu bức xạ lan truyền ra ngoài.
Để xử lý EMI dẫn, Codaca cung cấp một loạt cuộn cảm chế độ chung cho đường tín hiệu (dòng SPRHS, dòng CSTP, dòng VSTCB, v.v.), cuộn cảm chế độ chung cho đường nguồn (dòng TCB, dòng SQH, dòng TCMB), và cuộn cảm chế độ vi sai (dòng SPRH, dòng PRD, cùng các loại cuộn cảm nguồn khác có thể dùng làm cuộn cảm chế độ vi sai). Các cuộn cảm chế độ chung và chế độ vi sai này giúp thiết bị điện tử chống lại nhiễu điện từ bên ngoài và đồng thời ngăn thiết bị phát ra EMI sinh ra từ bên trong.
Hiệu quả của việc ức chế nhiễu có liên quan mật thiết đến trở kháng của cuộn cảm. Vui lòng tham khảo các bảng thông số kỹ thuật và biểu đồ đặc tính tần số dưới đây để biết thêm chi tiết.
Bảng 1: Đặc tính Cuộn cảm Chống nhiễu Mô-men chung Codaca BÀN
Ghi chú: Bảng này chỉ hiển thị một số mẫu cuộn cảm, để biết thêm thông tin, vui lòng truy cập trang web chính thức của Codaca.
Hình 9: Biểu đồ Đặc tính Trở kháng - Tần số cho Cuộn cảm Chống nhiễu Mô-men chung Đường tín hiệu
Hình 10: Biểu đồ Đặc tính Trở kháng - Tần số cho Cuộn cảm Chống nhiễu Mô-men chung Đường nguồn
Đối với giải pháp EMI bức xạ, có thể sử dụng các hạt ferit. Trong một số mạch tần số cao, chẳng hạn như mạch RF và mạch dao động, cần phải thêm một hạt ferit ở phần đầu vào nguồn. Codaca cung cấp một loạt các hạt ferit, chẳng hạn như các dòng RHD, RHV, SMB và UUN.
Bảng 2: Bảng Đặc tính Hạt Ferit
Ghi chú: Bảng này chỉ hiển thị một số mẫu, để biết thêm thông tin, vui lòng truy cập trang web chính thức của Codaca.
Như đã đề cập trước đó, các cuộn cảm nguồn được bọc từ tính cũng có thể ngăn chặn sự lan truyền của nhiễu bức xạ. Đối với nhiễu EMI dạng bức xạ, Codaca cung cấp một loạt các linh kiện được bọc từ tính, bao gồm cuộn cảm đúc, cuộn cảm dòng cao, cuộn cảm khuếch đại số và cuộn cảm chip. Những cuộn cảm nguồn này có thể được sử dụng trong các đường điện của bộ nguồn chuyển mạch. Cấu trúc bọc từ tính hiệu quả ngăn chặn nhiễu do cuộn cảm tạo ra phát tán ra ngoài, đồng thời bảo vệ cuộn cảm khỏi nhiễu bức xạ bên ngoài. Các cuộn cảm được bọc này cũng được sử dụng trong các giải pháp xử lý nhiễu chế độ sai biệt cho đường tín hiệu và đường điện.
Bảng 3: Bảng Đặc Tính Cuộn Cảm Được Bọc Từ Tính
Ghi chú: Bảng này chỉ hiển thị một số mẫu, để biết thêm thông tin, vui lòng truy cập trang web chính thức của Codaca.
Hình 11: Đồ Thị Dòng Điện Gây Tăng Nhiệt & Dòng Điện Bão Hòa, Đặc Tính Độ Tự Cảm - Tần Số & Trở Kháng - Tần Số cho VSHB0421-4R7MC
3- Kết luận
Với sự tích hợp ngày càng tăng và độ phức tạp của các sản phẩm điện tử, môi trường EMI/EMC mà chúng hoạt động cũng đối mặt với những thách thức đáng kể. Để giúp các thiết bị điện tử giải quyết các vấn đề EMI/EMC, Codaca đã phát triển nhiều series tiêu chuẩn hóa cuộn kháng chế độ chung cho đường tín hiệu , cuộn cảm chế độ chung đường nguồn theo yêu cầu , cuộn kháng chế độ vi sai, hạt ferrite , và nhiều cuộn cảm công suất được bọc từ tính . Kỹ sư có thể lựa chọn các loại cuộn kháng chung chế độ, cuộn kháng chế độ vi sai hoặc cuộn cảm công suất tiêu chuẩn phù hợp từ Codaca dựa trên yêu cầu cụ thể của thiết kế mạch nguồn của họ.