抑制電機(jī)噪聲的又一神器 -- 三線共模電感

1. 概述

針對電機(jī)產(chǎn)品，尤其是三相無刷電機(jī)，如圖1，其噪聲源主要是電機(jī)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(jī)與驅(qū)動(dòng)板的電機(jī)線（等效天線、四分之一波長的理論解釋可以關(guān)注我司抖音號或微信視頻號觀看相關(guān)的短視頻介紹）。

圖1?無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生噪聲

針對電機(jī)驅(qū)動(dòng)的噪聲抑制，常用的手段有：

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

圖2?電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊限流或?yàn)V波

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)線上繞磁環(huán)

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

2. 比創(chuàng)達(dá)整改實(shí)例：

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

圖4?某無刷電機(jī)產(chǎn)品RE測試超標(biāo)

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

現(xiàn)場通過在驅(qū)動(dòng)模塊開關(guān)管柵極加RC、驅(qū)動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)似乎已有些不正常，此方案不可行。且因?yàn)榻Y(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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)的驅(qū)動(dòng)信號輸出與電機(jī)負(fù)載端之間（此為現(xiàn)場整改的臨時(shí)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(jìn)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(shí)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(yīng)用對比，可以看出三項(xiàng)共模電感使用起來更方便，一顆器件實(shí)現(xiàn)了3顆器件的功能，簡化了原理圖設(shè)計(jì)、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?yàn)槎囝w共模電感在3組信號線上應(yīng)用時(shí)的布局布線的局限性，可能會(huì)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(dǎo)致實(shí)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(jī)的主要噪聲源來自驅(qū)動(dòng)模塊的開關(guān)噪聲，所以常規(guī)的噪聲抑制設(shè)計(jì)包括：開關(guān)管柵極RC濾波，驅(qū)動(dòng)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(jìn)行抑制，保證濾除共模噪聲的同時(shí)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(jī)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。