ISO กำหนดมาตรฐานความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ในระบบไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่อาจทำให้สัญญาณผิดเพี้ยน ก่อนที่จะนำตัวแปลงพลังงานออกสู่ตลาด นักออกแบบต้องมั่นใจว่าการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในขอบเขตที่กำหนดโดยข้อบังคับที่เกี่ยวข้อง แนวทางการออกแบบทั่วไปในการบรรลุเป้าหมายนี้คือการใช้โช้คโหมดร่วม (common-mode choke) ซึ่งกรองสัญญาณรบกวนแบบโหมดร่วมในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งได้อย่างมีประสิทธิภาพ บทความนี้จะแนะนำหลักการทำงานของโช้คโหมดร่วมโดยพิจารณาจากสัญญาณแบบโหมดร่วมและแบบโหมดดิฟเฟอเรนเชียล (differential-mode signals) พร้อมทั้งระบุเส้นทางสัญญาณที่เกี่ยวข้องอย่างชัดเจน

หลังจากเปิดใช้งานผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์แล้ว คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นเนื่องจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งอาจก่อให้เกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ใกล้เคียง ผลกระทบนี้จะเด่นชัดเป็นพิเศษในแหล่งจ่ายไฟกำลังสูงในระหว่างการสลับพลังงานอย่างรวดเร็ว ดังแสดงในรูปที่ 1 การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าอาจส่งผ่านตัวนำหรือแผ่กระจายไปในอากาศ ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อวงจรที่ไวต่อการรบกวนได้

ตัวอย่างเช่น เมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายชิ้นในบ้านใช้ระบบไฟฟ้าเดียวกัน การเปิดใช้งานอุปกรณ์ชิ้นหนึ่งอาจทำให้อุปกรณ์อีกชิ้นทำงานผิดปกติได้ ในทำนองเดียวกัน เมื่อรถยนต์วิ่งผ่านอาคารพาณิชย์หรือสถานีโทรคมนาคม สัญญาณวิทยุที่ปล่อยออกมาจากเสาอากาศภายนอกอาจรบกวนการทำงานของเครื่องรับสัญญาณภายในรถได้

ดังนั้น การบรรลุประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีขึ้นและความน่าเชื่อถือของระบบ ทำให้การลดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในตัวแปลงพลังงานแบบสวิตชิ่งเป็นความท้าทายสำคัญสำหรับนักออกแบบทุกคน ปัจจุบันมีวิธีการแก้ปัญหามากมาย เช่น การลดผลกระทบจากพาราสิตในลายวงจรพิมพ์ การเพิ่มวงจรบัฟเฟอร์ และการลดความยาวของลูปกระแสสูง อย่างไรก็ตาม แม้จะมีเค้าโครงวงจรพิมพ์ที่เหมาะสมแล้ว ระบบหลายระบบยังคงต้องการการกรองเพิ่มเติม ในบรรดาวิธีการแก้ปัญหาเหล่านี้ ส่วนประกอบที่สำคัญในตัวกรองอินพุตคือโช้คโหมดร่วม (common-mode choke)

โช้คโหมดร่วม (common-mode choke) คือตัวกรองที่บล็อกสัญญาณรบกวนความถี่สูงที่พบได้ทั่วไปในสายสัญญาณหรือสายไฟสองสายขึ้นไป ในขณะที่ยอมให้สัญญาณความถี่ที่ต้องการผ่านไปได้ โช้คโหมดร่วมถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเพื่อกรองสัญญาณรบกวน แม้ว่าจะมีการใช้งานอย่างกว้างขวาง แต่ผู้ใช้จำนวนมากยังคงไม่คุ้นเคยกับหน้าที่และการทำงานพื้นฐานของมัน ส่วนต่อไปนี้จะอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับประเภทและหลักการทำงานของโช้คโหมดร่วม

เส้นทางสัญญาณของโช้คโหมดร่วม

โช้คโหมดร่วม หรือที่รู้จักในชื่อ common-mode choke ประกอบด้วยขดลวดหุ้มฉนวนสองขดขึ้นไปที่พันรอบแกนเฟอร์ไรต์เดียว โครงสร้างทั่วไปคือการพันลวดทองแดงสองเส้นที่มีจำนวนรอบเท่ากันอย่างสมมาตรรอบแกนเฟอร์ไรต์รูปวงแหวน อุปกรณ์นี้ทำงานในสองโหมด ได้แก่ โหมดหนึ่งที่กระแสไหลไปในทิศทางเดียวกันผ่านขดลวด และอีกโหมดหนึ่งที่กระแสไหลในทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งเรียกว่าโหมดร่วม (common mode) และโหมดดิฟเฟอเรนเชียล (differential mode) ตามลำดับ

ด้วยเหตุนี้ การกระจายสนามแม่เหล็กของโช้คโหมดร่วมจึงแตกต่างกันภายใต้สภาวะโหมดดิฟเฟอเรนเชียลและโหมดร่วม ส่งผลให้อิมพีแดนซ์ที่เกิดขึ้นต่อสัญญาณรบกวนแตกต่างกัน ซึ่งหมายความว่าลักษณะการลดทอนสัญญาณรบกวนจะแตกต่างกันอย่างมากระหว่างสองโหมดนี้ แผนภาพวงจรอย่างง่ายด้านล่างแสดงให้เห็นถึงพฤติกรรมนี้ โดยโช้คโหมดร่วมถูกวางอนุกรมกับตัวแปลงกำลัง

(1) โหมดดิฟเฟอเรนเชียล

เมื่อกระแสแบบดิฟเฟอเรนเชียลไหลผ่านขดลวดทั้งสอง ทิศทางของสนามแม่เหล็กภายในแกนเฟอร์ไรต์แบบวงแหวนจะตรงข้ามกัน ตามกฎของฟาราเดย์และกฎมือขวา เมื่อกระแสเข้าสู่โช้คโหมดร่วม กระแสย้อนกลับจากแหล่งจ่ายไฟขาเข้าก็จะไหลผ่านโช้คด้วย ณ จุดนี้ ฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดขึ้นในแต่ละขดลวดจะมีขนาดเท่ากันแต่มีทิศทางตรงข้ามกัน ทำให้ฟลักซ์หักล้างกัน ส่งผลให้ฟลักซ์แม่เหล็กสุทธิในแกนเกือบเป็นศูนย์ ทำให้สัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลสามารถผ่านไปได้โดยมีการลดทอนน้อยที่สุด

อิมพีแดนซ์โหมดดิฟเฟอเรนเชียลคำนวณจากแรงดันอินพุตหารด้วยกระแสอินพุตโหมดดิฟเฟอเรนเชียล:

โดยที่ Rcl แทนการสูญเสียในทองแดงเนื่องจากความต้านทานของขดลวด

ตามหลักการแล้ว ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กของโช้คโหมดร่วมจะไม่เพิ่มขึ้นภายใต้กระแสแบบดิฟเฟอเรนเชียล ซึ่งหมายความว่าแม้จะมีกระแสแบบดิฟเฟอเรนเชียลขนาดใหญ่ไหลผ่านโช้ค ก็จะไม่ทำให้แกนแม่เหล็กเกิดการอิ่มตัว

(2) โหมดร่วม

เมื่อกระแสโหมดร่วมไหลผ่านขดลวดทั้งสอง ทิศทางของสนามแม่เหล็กภายในแกนเฟอร์ไรต์รูปวงแหวนจะเป็นไปในทิศทางเดียวกัน ตามกฎของฟาราเดย์และกฎมือขวา เมื่อกระแสโหมดร่วมเข้าสู่ขดลวดของโช้คโหมดร่วม ฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดขึ้นในแต่ละขดลวดจะมีขนาดเท่ากันและเรียงตัวไปในทิศทางเดียวกัน แทนที่จะหักล้างกัน ฟลักซ์ทั้งสองจะรวมกัน ทำให้เกิดค่าความเหนี่ยวนำที่ค่อนข้างสูง ค่าความเหนี่ยวนำสูงนี้ทำให้เกิดอิมพีแดนซ์สูงต่อสัญญาณรบกวนโหมดร่วม ป้องกันไม่ให้กระแสโหมดร่วมเข้าสู่ตัวแปลงพลังงาน

อิมพีแดนซ์โหมดร่วมคำนวณจากแรงดันอินพุตหารด้วยกระแสอินพุตโหมดร่วม:

ขอแนะนำให้ผู้ใช้งานออกแบบขดลวดตามกระแสพิกัดที่ผู้ผลิตกำหนด เนื่องจากหากใช้กระแสไฟฟ้าเกินกว่าค่าที่กำหนด อาจทำให้สนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้นและนำไปสู่การอิ่มตัวของแกนแม่เหล็กได้

วิธีเลือกโช้คโหมดร่วม

ในการเลือกโช้คโหมดร่วม (common-mode choke) ตามการใช้งานของผู้ใช้ มีสิ่งสำคัญบางประการที่ควรตรวจสอบในเอกสารข้อมูลจำเพาะ ได้แก่:

ความต้านทานของขดลวด

หมายถึงค่าความต้านทานของขดลวดภายในโช้คโหมดร่วม ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติการลดทอนของตัวกรอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่สูง เนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำของโช้คโหมดร่วมสามารถเกิดการสั่นพ้องกับค่าความจุอินพุตของระบบหรือกับค่าความจุแฝงในลายวงจรพิมพ์ได้ ดังนั้นผลการลดทอนที่เกิดจากค่าความต้านทานของขดลวดจึงเป็นประโยชน์ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียคือค่าความต้านทานของขดลวดที่สูงเกินไปจะทำให้แรงดันตกคร่อมระหว่างอินพุตและเอาต์พุตเพิ่มขึ้น และยังส่งผลให้เกิดความร้อนสูงขึ้นด้วย

ช่วงความถี่การลดทอนโหมดร่วม

การลดทอนสัญญาณโหมดร่วมโดยโช้คโหมดร่วมจะแปรผันตามความถี่ของสัญญาณรบกวน หากทราบช่วงความถี่ของสัญญาณรบกวน ผู้ใช้สามารถกำหนดช่วงความถี่การลดทอนของโช้คโหมดร่วมที่ต้องการได้

กระแสพิกัด

กระแสพิกัดของโช้คโหมดร่วมถูกกำหนดโดยอิงจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของอุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจริงนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ตำแหน่งการติดตั้ง พื้นที่หน้าตัดของขดลวด และการระบายอากาศ ปัจจัยเหล่านี้จำกัดประเภทของระบบที่สามารถใช้โช้คได้ รวมถึงตำแหน่งการติดตั้งที่อนุญาตภายในระบบด้วย

อิมพีแดนซ์โหมดร่วมและอิมพีแดนซ์โหมดดิฟเฟอเรนเชียล

ในการเลือกโช้คโหมดร่วม ผู้ใช้ควรพิจารณาทั้งอิมพีแดนซ์โหมดร่วมและอิมพีแดนซ์โหมดดิฟเฟอเรนเชียล ต้องกำหนดช่วงความถี่ของการรบกวนแบบโหมดร่วมก่อน ภายในช่วงความถี่นี้ อิมพีแดนซ์โหมดร่วมที่สูงขึ้นจะช่วยลดทอนสัญญาณรบกวนโหมดร่วมได้มากขึ้น ในทางกลับกัน อิมพีแดนซ์โหมดดิฟเฟอเรนเชียลควรต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลสามารถผ่านตัวกรองได้โดยมีการลดทอนน้อยที่สุด

ดังนั้น ตัวเลือกที่เหมาะสมคือโช้คโหมดร่วมที่มีอิมพีแดนซ์โหมดร่วมสูงและอิมพีแดนซ์โหมดดิฟเฟอเรนเชียลต่ำภายในช่วงความถี่ที่ต้องการ เพื่อแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอิมพีแดนซ์และความถี่ แผนภาพต่อไปนี้แสดงลักษณะอิมพีแดนซ์โหมดร่วมและโหมดดิฟเฟอเรนเชียลของโช้คโหมดร่วม

จากรูปที่ 4 จะเห็นได้ชัดว่า เมื่อความถี่ต่ำกว่า 200 MHz อิมพีแดนซ์โหมดร่วมจะสูงกว่าอิมพีแดนซ์โหมดดิฟเฟอเรนเชียลอย่างมาก ซึ่งแสดงว่าโช้คโหมดร่วมเหมาะสมสำหรับการใช้งานในช่วงความถี่นี้ อย่างไรก็ตาม เมื่อความถี่เกิน 200 MHz อิมพีแดนซ์โหมดดิฟเฟอเรนเชียลจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และช่องว่างระหว่างอิมพีแดนซ์ทั้งสองจะค่อยๆ แคบลง ณ จุดนี้ ตัวกรองจะไม่สามารถลดทอนสัญญาณรบกวนโหมดร่วมได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกต่อไป

บทสรุป

ในปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิดให้ความสำคัญกับความสมบูรณ์ของสัญญาณ โดยตรวจสอบให้แน่ใจว่าสัญญาณที่เข้าสู่ระบบได้รับการกรองอย่างเหมาะสมเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนที่อาจเกิดขึ้น ดังนั้น การใช้โช้คโหมดร่วมสามารถลดการรบกวนแบบโหมดร่วมได้ ในขณะที่ยอมให้สัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลผ่านไปได้โดยมีการลดทอนน้อยที่สุด นอกจากนี้ เกณฑ์การเลือกโช้คโหมดร่วมที่สำคัญ ได้แก่ ความต้านทานขดลวดต่ำ ช่วงความถี่การลดทอนแบบโหมดร่วมกว้าง กระแสพิกัดสูง และความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างอิมพีแดนซ์แบบโหมดร่วมและแบบดิฟเฟอเรนเชียลภายในย่านความถี่ที่ใช้งานได้