Aplikace magnetických korálků v EMC návrhu napájecího zdroje
EMC se v dnešním elektronickém designu a výrobě stala horkým a obtížným problémem. Problém EMC v praxi je velmi komplikovaný a nelze jej vyřešit spoléháním se na teoretické znalosti. Záleží spíše na praktických zkušenostech elektroinženýrů. Aby bylo možné lépe vyřešit problém EMC elektronických produktů, je nutné zvážit otázky, jako je uzemnění, návrh obvodů a desek plošných spojů, návrh kabelů a návrh stínění.
Tento článek představuje základní principy a charakteristiky magnetických kuliček, aby ilustroval jejich důležitost v EMC spínaných napájecích zdrojů, aby konstruktérům produktů spínaných napájecích zdrojů poskytl více a lepší možnosti při navrhování nových produktů.
1 Feritové komponenty pro potlačení elektromagnetického rušení
Ferit je ferimagnetický materiál s kubickou mřížkovou strukturou. Jeho výrobní proces a mechanické vlastnosti jsou podobné jako u keramiky a jeho barva je šedočerná. Jedním typem magnetického jádra často používaného ve filtrech EMI je feritový materiál a mnoho výrobců poskytuje feritové materiály speciálně používané pro potlačení EMI. Tento materiál se vyznačuje velmi velkými vysokofrekvenčními ztrátami. Pro ferit používaný k potlačení elektromagnetického rušení jsou nejdůležitější výkonnostní parametry magnetická permeabilita μ a saturační hustota magnetického toku Bs. Magnetickou permeabilitu μ lze vyjádřit jako komplexní číslo, reálnou část tvoří indukčnost a imaginární část představuje ztrátu, která se zvyšuje s rostoucí frekvencí. Proto je jeho ekvivalentní obvod sériový obvod složený z induktoru L a rezistoru R, L i R jsou funkcemi frekvence. Když drát prochází tímto feritovým jádrem, tvar vytvořené indukční impedance se zvyšuje s rostoucí frekvencí, ale mechanismus je zcela odlišný při různých frekvencích.
V nízkofrekvenčním pásmu je impedance složena z indukční reaktance indukčnosti. Při nízkých frekvencích je R velmi malé a magnetická permeabilita magnetického jádra je vysoká, takže indukčnost je velká a L hraje hlavní roli a elektromagnetické rušení se odráží a potlačuje; a v této době magnetické Ztráta jádra je malá a celé zařízení je induktor s nízkou ztrátou a vysokou Q charakteristikou. Tento induktor snadno způsobí rezonanci. Proto může v nízkofrekvenčním pásmu někdy po použití feritových kuliček docházet k jevu zvýšené interference.
Ve vysokofrekvenčním pásmu je impedance složena z odporových složek. Se zvyšující se frekvencí se magnetická permeabilita magnetického jádra snižuje, což má za následek snížení indukčnosti induktoru a snížení indukční složky reaktance. V této době však narůstá ztráta magnetického jádra a zvyšuje se odporová složka. , což vede ke zvýšení celkové impedance, když vysokofrekvenční signál prochází feritem, elektromagnetické rušení je absorbováno a rozptýleno ve formě tepelné energie.
Feritové odrušovací komponenty jsou široce používány na deskách plošných spojů, elektrických vedeních a datových vedeních. Pokud je na vstupní konec napájecího vedení desky s plošnými spoji přidán feritový odrušovací prvek, lze odfiltrovat vysokofrekvenční rušení. Feritové magnetické kroužky nebo magnetické kuličky se používají speciálně k potlačení vysokofrekvenčního rušení a špičatého rušení na signálových a silových vedeních. Má také schopnost absorbovat rušení elektrostatickým výbojem.
2. Princip a vlastnosti magnetických perliček Když proud protéká drátem v jeho středovém otvoru, bude to magnetická dráha, která cirkuluje uvnitř magnetické perličky. Ferity pro řízení EMI by měly být formulovány tak, aby většina magnetického toku byla rozptýlena jako teplo v materiálu. Tento jev lze modelovat sériovou kombinací induktoru a rezistoru. jak je znázorněno na obrázku 2
Číselná hodnota dvou složek je úměrná délce magnetické kuličky a délka magnetické kuličky má významný vliv na účinek potlačení. Čím delší je délka magnetické kuličky, tím lepší je účinek potlačení. Vzhledem k tomu, že energie signálu je magneticky spojena s magnetickou kuličkou, reaktance a odpor induktoru se zvyšují se zvyšováním frekvence. Účinnost magnetické vazby závisí na magnetické permeabilitě materiálu kuliček vůči vzduchu. Obvykle může být ztráta feritového materiálu, který tvoří kuličku, vyjádřena jako komplexní veličina prostřednictvím její propustnosti vzhledem ke vzduchu.
Magnetické materiály často používají tento poměr k charakterizaci úhlu ztráty. Pro komponenty pro potlačení EMI je vyžadován velký ztrátový úhel, což znamená, že většina rušení bude rozptýlena a neodrazí se. Široká škála dnes dostupných feritových materiálů poskytuje návrhářům širokou škálu možností použití feritových kuliček v různých aplikacích.
3 Aplikace magnetických kuliček
3.1 Tlumič špiček
Největší nevýhodou spínaných zdrojů je snadné generování šumu a rušení, což je klíčový technický problém, který spínané napájení dlouhodobě sužuje. Hluk spínaného zdroje je způsoben především rychle se měnícím vysokonapěťovým spínáním a pulzním zkratovým proudem spínané výkonové elektronky a spínací usměrňovací diody. Proto je použití účinných komponent k jejich omezení na minimum jednou z hlavních metod potlačení hluku. Nelineární nasycená indukčnost se obvykle používá k potlačení špičky zpětného zotavovacího proudu, v tomto okamžiku je pracovní stav železného jádra od -Bs do plus Bs. Podle konzistence vysoké magnetické permeability a saturovatelných ultra-malých indukčních elementů-magnetických kuliček na volnoběžné diodě spínaného zdroje byl vyvinut potlačovač špiček používaný k potlačení špičkového proudu generovaného při spínání spínaného zdroje.
Výkonové charakteristiky hrotových supresorů
(1) Počáteční a maximální hodnoty indukčnosti jsou velmi vysoké a nelinearita hodnoty zbytkové indukčnosti po nasycení je extrémně zřejmá. Po sériovém zapojení do obvodu proud stoupá a vykazuje okamžitě vysokou impedanci, kterou lze použít jako tzv. prvek okamžité impedance.
(2) Je vhodný pro zamezení špičkového signálu přechodového proudu v polovodičovém obvodu, obvodu nárazového buzení a doprovodného šumu a může také zabránit poškození polovodiče.
(3) Zbytková indukčnost je extrémně malá a ztráta je velmi malá, když je obvod stabilní.
(4) Je zcela odlišný od výkonu feritových výrobků.
(5) Pokud se zabrání magnetickému nasycení, lze jej použít jako ultra malý indukční prvek s vysokou indukčností.
(6) Může být použit jako vysoce výkonné saturovatelné železné jádro s nízkou ztrátou pro řízení a vytváření oscilací.
Potlačovač špiček vyžaduje, aby materiál železného jádra měl vyšší magnetickou permeabilitu pro získání větší indukčnosti; vysoký čtvercový poměr může způsobit nasycení železného jádra a indukčnost by měla rychle klesnout na nulu; koercitivní síla je malá a vysokofrekvenční ztráta nízká, jinak jádro nebude správně fungovat kvůli odvodu tepla.
Účelem potlačovače špiček je hlavně snížit proudový špičkový signál; snížit šum způsobený aktuálním špičkovým signálem; zabránit poškození spínacího tranzistoru; snížit spínací ztrátu spínacího tranzistoru; kompenzovat zotavovací charakteristiky diody; zabránit rázovému buzení vysokofrekvenčním pulzním proudem. Použití jako ultra-malý síťový filtr atd.
3.2 Aplikace ve filtru a) Výsledek testu bez magnetických kuliček b) Výsledek testu s magnetickými kuličkami c) Výsledek testu s L linkou a magnetickými kuličkami d) Výsledek testu s N linkou a magnetickými kuličkami
Běžné filtry jsou složeny z bezeztrátově reaktivních složek. Jeho funkcí v obvodu je odrážet kmitočet dorazového pásma zpět ke zdroji signálu, proto se tomuto typu filtru říká také odrazový filtr. Když odrazový filtr neodpovídá impedanci zdroje signálu, část energie se odrazí zpět do zdroje signálu, což má za následek zvýšení úrovně rušení. Aby se vyřešila tato nevýhoda, může být na vstupním vedení filtru použit feritový magnetický kroužek nebo pouzdro s magnetickou kuličkou a ztráta vířivých proudů vysokofrekvenčního signálu feritovým prstencem nebo magnetickou kuličkou může být použita k převodu vysokofrekvenčního signálu. -frekvenční složka do tepelných ztrát. Proto magnetický prstenec a magnetické kuličky skutečně absorbují vysokofrekvenční složky, takže se jim někdy říká absorpční filtry.
Různé feritové odrušovací komponenty mají různé optimální frekvenční rozsahy potlačení. Obecně platí, že čím vyšší je propustnost, tím nižší je potlačená frekvence. Kromě toho, čím větší je objem feritu, tím lepší je účinek potlačení. Když je objem konstantní, dlouhý a tenký tvar má lepší potlačovací účinek než krátký a tlustý, a čím menší je vnitřní průměr, tím lepší je potlačovací účinek. V případě stejnosměrného nebo střídavého předpětí však stále existuje problém saturace feritu. Čím větší je průřez odrušovacího prvku, tím je méně pravděpodobné, že bude nasycený, a tím větší předpětí může odolat.
Na základě výše uvedených principů a vlastností magnetických kuliček je aplikován na filtr spínaného zdroje a efekt je zřejmý. Z výsledků testu je vidět, že aplikace magnetických kuliček je výrazně odlišná. Z experimentálních výsledků je patrné, že vlivem spínaného napájecího obvodu, konstrukčního uspořádání a výkonu má někdy dobrý potlačující účinek na diferenciální rušení, někdy má dobrý potlačovací účinek na rušení společného režimu a někdy nemůže potlačit rušení Naopak zvýší rušení šumem.
Když elektromagnetický kroužek/kulička absorbující EMI potlačuje interferenci v diferenciálním režimu, hodnota proudu procházející jím je úměrná jeho objemu a nerovnováha mezi těmito dvěma způsobuje saturaci, která snižuje výkon součásti; při potlačení běžného rušení připojte dva vodiče (kladný a záporný) napájecího zdroje Projděte současně magnetickým kroužkem, efektivní signál je signál diferenciálního režimu a magnetický kroužek/magnetická kulička absorbující EMI nemá žádný vliv na něm, ale bude vykazovat velkou indukčnost pro signál společného režimu. Další lepší metodou při použití magnetického kroužku je nechat drát procházející magnetickým kroužkem několikrát navinout, aby se zvýšila indukčnost. Podle jeho principu potlačení elektromagnetického rušení lze jeho účinek potlačení rozumně využít.
Feritové odrušovací komponenty by měly být instalovány blízko zdroje rušení. Vstupní/výstupní obvod by měl být co nejblíže vstupu a výstupu stínícího pouzdra. U absorpčního filtru složeného z feritového magnetického kroužku a magnetických kuliček je třeba kromě výběru ztrátových materiálů s vysokou magnetickou permeabilitou věnovat pozornost také příležitostem jeho použití. Jejich odpor vůči vysokofrekvenčním součástkám ve vedení je asi deset až stovky Ω, takže jejich role ve vysokoimpedančních obvodech není zřejmá. Naopak v obvodech s nízkou impedancí (jako jsou rozvody energie, napájecí nebo radiofrekvenční obvody) bude použití velmi efektivní.
