Aplikácia magnetických guľôčok v EMC návrhu spínaného zdroja energie
Tento článok predstavuje charakteristiky feritovej guľôčky a podľa jej charakteristík analyzuje a predstavuje jej dôležitú aplikáciu pri návrhu EMC spínaného napájacieho zdroja a poskytuje experimentálne a testovacie výsledky vo filtri elektrického vedenia.
EMC sa stala horúcou a zložitou otázkou v dnešnom dizajne a výrobe elektroniky. Problém EMC v praktickej aplikácii je veľmi komplikovaný a nedá sa vyriešiť spoliehaním sa na teoretické znalosti. Záleží skôr na praktických skúsenostiach elektronických inžinierov. Aby bolo možné lepšie vyriešiť problém EMC elektronických produktov, je potrebné zvážiť otázky, ako je uzemnenie, návrh obvodov a dosiek plošných spojov, návrh káblov a návrh tienenia.
Tento dokument predstavuje základné princípy a charakteristiky magnetických guľôčok, aby ilustroval ich dôležitosť pri EMC spínaných napájacích zdrojoch s cieľom poskytnúť dizajnérom produktov spínaných zdrojov viac a lepších možností pri navrhovaní nových produktov.
1 Feritové komponenty na potlačenie EMI
Ferit je ferimagnetický materiál s kubickou mriežkovou štruktúrou. Výrobný proces a mechanické vlastnosti sú podobné ako u keramiky a farba je šedo-čierna. Jeden typ magnetického jadra, ktorý sa často používa vo filtroch EMI, je feritový materiál a mnohí výrobcovia poskytujú feritové materiály špeciálne používané na potlačenie EMI. Tento materiál sa vyznačuje veľmi veľkými vysokofrekvenčnými stratami. Pre ferit používaný na potlačenie elektromagnetického rušenia sú najdôležitejšími výkonnostnými parametrami magnetická permeabilita μ a saturačná hustota magnetického toku Bs. Magnetickú permeabilitu μ možno vyjadriť ako komplexné číslo, reálnu časť tvorí indukčnosť a imaginárnu časť predstavuje stratu, ktorá sa zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou. Preto je jeho ekvivalentným obvodom sériový obvod zložený z induktora L a odporu R, pričom L aj R sú funkciami frekvencie. Keď drôt prechádza týmto feritovým jadrom, formovaná indukčná impedancia sa zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou, ale mechanizmus je úplne odlišný pri rôznych frekvenciách.
V nízkofrekvenčnom pásme je impedancia zložená z indukčnej reaktancie induktora. Pri nízkych frekvenciách je R veľmi malé a magnetická permeabilita magnetického jadra je vysoká, takže indukčnosť je veľká a L hrá hlavnú úlohu a elektromagnetické rušenie sa odráža a potláča; a v tomto čase je strata magnetického jadra malá a celé zariadenie je induktor s nízkou stratou a vysokou Q charakteristikou.
Vo vysokofrekvenčnom pásme je impedancia zložená z odporových zložiek. So zvyšovaním frekvencie klesá magnetická permeabilita magnetického jadra, čo má za následok zníženie indukčnosti tlmivky a zníženie indukčnej zložky reaktancie. V tomto čase sa však zvyšuje strata magnetického jadra a zvyšuje sa odporová zložka, čo má za následok zvýšenie celkovej impedancie. Keď vysokofrekvenčný signál prechádza cez ferit, elektromagnetické rušenie sa absorbuje a rozptýli vo forme tepelnej energie.
Feritové odrušovacie komponenty sú široko používané na doskách plošných spojov, elektrických vedeniach a dátových vedeniach. Ak sa na vstupný koniec elektrického vedenia dosky plošných spojov pridá feritový odrušovací prvok, možno odfiltrovať vysokofrekvenčné rušenie. Feritové magnetické krúžky alebo magnetické guľôčky sa špeciálne používajú na potlačenie vysokofrekvenčného rušenia a rušenia špičiek na signálnych vedeniach a elektrických vedeniach. Má tiež schopnosť absorbovať rušenie impulzov elektrostatického výboja.
2. Princíp a charakteristiky magnetických guľôčok Keď prúd preteká drôtom v jeho stredovom otvore, bude to magnetická dráha, ktorá cirkuluje vo vnútri magnetickej guľôčky. Ferity na kontrolu EMI by mali byť formulované tak, aby väčšina magnetického toku bola rozptýlená ako teplo v materiáli. Tento jav je možné modelovať sériovou kombináciou induktora a rezistora. ako je znázornené na obrázku 2
Číselná hodnota dvoch zložiek je úmerná dĺžke magnetickej guľôčky a dĺžka magnetickej guľôčky má významný vplyv na účinok potlačenia. Čím väčšia je dĺžka magnetickej guľôčky, tým lepší je účinok potlačenia. Pretože energia signálu je magneticky spojená s magnetickou guľôčkou, reaktancia a odpor induktora sa zvyšujú so zvyšujúcou sa frekvenciou. Účinnosť magnetickej väzby závisí od magnetickej permeability materiálu guľôčok voči vzduchu. Zvyčajne môže byť strata feritového materiálu, ktorý tvorí guľôčku, vyjadrená ako komplexná veličina prostredníctvom jeho priepustnosti vzhľadom na vzduch.
Magnetické materiály často používajú tento pomer na charakterizáciu stratového uhla. Pre komponenty na potlačenie EMI je potrebný veľký stratový uhol, čo znamená, že väčšina rušenia sa rozptýli a neodrazí sa. Široká škála dnes dostupných feritových materiálov poskytuje dizajnérom širokú škálu možností použitia feritových guľôčok v rôznych aplikáciách.
3 Aplikácia magnetických guľôčok
3.1 Tlmič hrotov
Najväčšou nevýhodou spínaného napájacieho zdroja je ľahké vytváranie šumu a rušenia, čo je kľúčový technický problém, ktorý spínaný zdroj trápi už dlhší čas. Hluk spínaného zdroja je spôsobený najmä rýchlo sa meniacim vysokonapäťovým spínacím a impulzným skratovým prúdom spínacej výkonovej elektrónky a spínacej usmerňovacej diódy. Preto je použitie účinných komponentov na ich obmedzenie na minimum jednou z hlavných metód potlačenia hluku. Nelineárna nasýtená indukčnosť sa zvyčajne používa na potlačenie špičky spätného zotavovacieho prúdu, v tomto čase je pracovný stav železného jadra od -Bs do plus Bs. Podľa konzistencie vysokej magnetickej permeability a saturovateľných ultra-malých indukčných elementov-magnetických guľôčok na voľnobežnej dióde spínaného zdroja je vyvinutý potlačovač špičiek, ktorý sa používa na potlačenie špičkového prúdu generovaného pri spínaní spínaného zdroja.
Výkonnostné charakteristiky hrotových supresorov
(1) Počiatočné a maximálne hodnoty indukčnosti sú veľmi vysoké a nelinearita hodnoty zvyškovej indukčnosti po nasýtení je extrémne nezrejmá. Po sériovom zapojení do obvodu prúd stúpa a okamžite vykazuje vysokú impedanciu, ktorú možno použiť ako takzvaný prvok okamžitej impedancie.
(2) Je vhodný na zabránenie špičkového signálu prechodného prúdu v polovodičovom obvode, obvode nárazového budenia a sprievodného šumu a môže tiež zabrániť poškodeniu polovodiča.
(3) Zvyšková indukčnosť je extrémne malá a strata je veľmi malá, keď je obvod stabilný.
(4) Je úplne odlišný od výkonu feritových výrobkov.
(5) Pokiaľ sa zabráni magnetickej saturácii, môže sa použiť ako ultra malý indukčný prvok s vysokou indukčnosťou.
(6) Môže byť použitý ako vysokovýkonné saturovateľné železné jadro s nízkou stratou na riadenie a generovanie oscilácií.
Potláčač hrotov vyžaduje, aby materiál železného jadra mal vyššiu magnetickú permeabilitu na získanie väčšej indukčnosti; keď vysoký štvorcový pomer môže nasýtiť železné jadro, indukčnosť by mala rýchlo klesnúť na nulu; koercitívna sila je malá a strata vysokej frekvencie je nízka, inak nebude odvod tepla železného jadra fungovať normálne.
Účelom potlačenia špičiek je hlavne zníženie aktuálneho špičkového signálu; znížiť šum spôsobený aktuálnym špičkovým signálom; zabrániť poškodeniu spínacieho tranzistora; znížiť spínaciu stratu spínacieho tranzistora; kompenzovať charakteristiky zotavenia diódy; zabrániť vysokofrekvenčnému pulznému prúdovému šokovému budeniu. Použitie ako ultra-malý sieťový filter atď.
3.2 Aplikácia vo filtri a) Výsledok testu bez magnetických guľôčok b) Výsledok testu s magnetickými guľôčkami c) Výsledok testu s čiarou L a magnetickými guľôčkami d) Výsledok testu s čiarou N a magnetickými guľôčkami
Bežné filtre sú zložené z bezstratových reaktívnych komponentov. Jeho funkciou v obvode je odrážať frekvenciu stoppásma späť do zdroja signálu, preto sa tento typ filtra nazýva aj odrazový filter. Keď sa odrazový filter nezhoduje s impedanciou zdroja signálu, časť energie sa odrazí späť do zdroja signálu, čo vedie k zvýšeniu úrovne rušenia. Na vyriešenie tejto nevýhody je možné na vstupnom vedení filtra použiť feritový magnetický krúžok alebo objímku s magnetickou guľôčkou a stratu vysokofrekvenčného signálu vírivým prúdom feritovým krúžkom alebo magnetickou guľôčkou možno použiť na konverziu vysokofrekvenčného signálu. -frekvenčná zložka do tepelných strát. Preto magnetický krúžok a magnetické guľôčky skutočne absorbujú vysokofrekvenčné zložky, preto sa niekedy nazývajú absorpčné filtre.
Rôzne feritové odrušovacie komponenty majú rôzne optimálne frekvenčné rozsahy potlačenia. Vo všeobecnosti platí, že čím vyššia je priepustnosť, tým nižšia je potlačená frekvencia. Okrem toho, čím väčší je objem feritu, tým lepší je účinok potlačenia. Keď je objem konštantný, dlhý a tenký tvar má lepší účinok potlačenia ako krátky a hrubý a čím menší je vnútorný priemer, tým lepší je účinok potlačenia. V prípade jednosmerného alebo striedavého prúdu predpätia však stále existuje problém saturácie feritu. Čím väčší je prierez odrušovacieho prvku, tým je menej pravdepodobné, že bude nasýtený, a tým väčší predpätý prúd môže vydržať.
Na základe vyššie uvedených princípov a charakteristík magnetických guľôčok sa aplikuje na filter spínaného zdroja a efekt je zrejmý. Z výsledkov testov je vidieť, že aplikácia magnetických guľôčok je výrazne odlišná. Z experimentálnych výsledkov je zrejmé, že v dôsledku vplyvu spínaného napájacieho obvodu, konštrukčného usporiadania a výkonu má niekedy dobrý potláčací účinok na rušenie diferenciálneho režimu, niekedy má dobrý potláčací účinok na rušenie spoločného režimu, a niekedy nemá potlačujúci účinok na rušenie, ale zvyšuje rušenie šumom.
Keď elektromagnetický krúžok/magnetická guľôčka absorbujúci EMI potláča interferenciu v diferenciálnom režime, prúdová hodnota, ktorá ním prechádza, je úmerná jeho objemu a nerovnováha medzi nimi spôsobuje saturáciu, ktorá znižuje výkon komponentu; pri potlačení bežného rušenia prechádzajú dva vodiče (kladný a záporný) napájacieho zdroja súčasne cez magnetický krúžok a efektívnym signálom je diferenciálny signál. Ďalšou lepšou metódou pri použití magnetického krúžku je urobiť drôt prechádzajúci magnetickým krúžkom opakovane niekoľkokrát navinutý, aby sa zvýšila indukčnosť. Podľa jeho princípu potlačenia elektromagnetického rušenia možno jeho účinok potlačenia rozumne využiť.
Feritové odrušovacie komponenty by mali byť inštalované blízko zdroja rušenia. Pre vstupno/výstupný obvod by mal byť čo najbližšie k vstupu a výstupu tienenia. Pri absorpčnom filtri zloženom z feritového magnetického krúžku a magnetických guľôčok by sa okrem výberu stratových materiálov s vysokou magnetickou permeabilitou mala venovať pozornosť aj príležitostiam jeho použitia. Ich odolnosť voči vysokofrekvenčným komponentom vo vedení je asi desať až stovky Ω, takže ich úloha vo vysokoimpedančných obvodoch nie je zrejmá. Naopak, veľmi efektívne bude v obvodoch s nízkou impedanciou (ako sú rozvody energie, napájanie alebo rádiofrekvenčné obvody).
