抑制電機噪聲的又一神器 -- 三線共模電感

1. 概述

針對電機產(chǎn)品，尤其是三相無刷電機，如圖1，其噪聲源主要是電機的開關驅(qū)動模塊（具體可參閱另一篇文章“”），而一般的等效天線即為連接電機與驅(qū)動板的電機線（等效天線、四分之一波長的理論解釋可以關注我司抖音號或微信視頻號觀看相關的短視頻介紹）。

圖1?無刷電機驅(qū)動模塊產(chǎn)生噪聲

針對電機驅(qū)動的噪聲抑制，常用的手段有：

• 在開關模塊加RC來延緩開關信號的上升沿、或降低開關信號的過沖/高頻噪聲等，或者直接針對輸出的開關信號繼續(xù)濾波（如圖2）；
• 或者在電機的驅(qū)動線纜上繞磁環(huán)的方式進行抑制（如圖3）；

圖2?電機驅(qū)動模塊限流或濾波

圖3 電機驅(qū)動線上繞磁環(huán)

但這些措施或多或少對電機的有用信號會產(chǎn)生影響，或者影響驅(qū)動開關的效率、增加開關管的發(fā)熱量等；另外在電機線纜上繞磁環(huán)也會影響產(chǎn)品的機械可靠性。所以有些情況下會利用共模電感（濾波共模噪聲、而對差模有用信號影響?。┑膬?yōu)良特性進行濾波。但針對三相無刷電機，其三相驅(qū)動信號若加普通共模電感的話至少就需要3顆器件，這個時候，就可以用到三相共模電感這種神器了。

2. 比創(chuàng)達整改實例：

如圖4為無刷電機產(chǎn)品未整改前的初始RE測試結(jié)果，最大超標近6dB：

圖4?某無刷電機產(chǎn)品RE測試超標

從測試頻譜圖看，100MHz附近的大包像是典型的電源開關噪聲類噪聲產(chǎn)生的輻射，現(xiàn)場定位分析，噪聲源也確實是電機的開關驅(qū)動模塊所產(chǎn)生的噪聲；

現(xiàn)場通過在驅(qū)動模塊開關管柵極加RC、驅(qū)動輸出加電容濾波，可以將噪聲水平降低一些，但裕量仍是不足，且電機的轉(zhuǎn)動似乎已有些不正常，此方案不可行。且因為結(jié)構(gòu)限制及可靠性要求，客戶也不同意在線纜上繞磁環(huán)。

圖5 電機驅(qū)動輸出串入三相共模電感

又由于PCB板的空間有限，大的共模電感擺放不下，所以采用一顆三相共模電感（BWCF1243P500L4A5）解決問題。如圖5，三相共模電感串在電機的驅(qū)動信號輸出與電機負載端之間（此為現(xiàn)場整改的臨時方案，后續(xù)需改板、將此器件直接布局在PCB之上）。串入三相共模電感后測試裕量在10dB以上（如圖6），效果立竿見影。

圖6 串入三相共模電感后的RE輻射水平

3. 器件特性進一步分析：

如圖7，是BWCF1243P500L4A5三相共模電感中的兩組共模線圈的共模和差模插損曲線，可以看出該器件的共模插損有效區(qū)間較寬（-20dB @ 1.5MHz ~ 3GHz），在30M~300MHz范圍內(nèi)均有40dB的插損，而我們產(chǎn)品的實際噪聲范圍（65M~200MHz）剛好落在器件的高插損范圍內(nèi)，所以此器件用上后，產(chǎn)品噪聲水平明顯下降。

圖7 BWCF1243P500L4A5的插損參數(shù)

如圖8和圖9，是普通共模電感和三相共模電感的應用對比，可以看出三項共模電感使用起來更方便，一顆器件實現(xiàn)了3顆器件的功能，簡化了原理圖設計、節(jié)省了布局布線空間。

圖8 普通共模電感vs三相共模電感（原理圖）

圖9 普通共模電感vs三相共模電感（布局布線）

如圖9，因為多顆共模電感在3組信號線上應用時的布局布線的局限性，可能會存在未經(jīng)過濾波的信號線上的噪聲又耦合到已經(jīng)濾過波的較干凈的信號線上，形成“二次污染”，導致實際的濾波效果大打折扣；而三相共模電感只有一顆器件，若布線合規(guī)，輸入輸出可基本做到相對隔離、不同信號線間的耦合干擾也不影響最終的濾波效果。

4. 小結(jié)：

• 常規(guī)的三相無刷電機的主要噪聲源來自驅(qū)動模塊的開關噪聲，所以常規(guī)的噪聲抑制設計包括：開關管柵極RC濾波，驅(qū)動輸出濾波等。
• 共模電感因其高效的共模抑制能力、較小的差模損耗，也常常用來對有用信號內(nèi)包含的噪聲進行抑制，保證濾除共模噪聲的同時不損傷差模有用信號。
• 三相共模電感可以看作是為三相無刷電機量身定做的濾波器件，利用1顆器件可替代常規(guī)的3顆器件，節(jié)省空間、節(jié)省成本還能提高產(chǎn)品可靠性。