Aplicarea margelelor magnetice în proiectarea EMC a sursei de alimentare
EMC a devenit o problemă fierbinte și dificilă în proiectarea și fabricarea electronică de astăzi. Problema EMC în aplicarea practică este foarte complicată și nu poate fi rezolvată bazându-se pe cunoștințele teoretice. Depinde mai mult de experiența practică a inginerilor electronici. Pentru a rezolva mai bine problema EMC a produselor electronice, este necesar să se ia în considerare probleme precum împământarea, proiectarea circuitelor și a plăcii PCB, proiectarea cablurilor și proiectarea ecranului.
Această lucrare prezintă principiile și caracteristicile de bază ale granulelor magnetice pentru a ilustra importanța acesteia în EMC cu sursă de alimentare cu comutație, pentru a oferi designerilor de produse cu surse de alimentare cu comutație alegeri mai multe și mai bune atunci când proiectează produse noi.
1 Componente de suprimare a interferențelor electromagnetice din ferită
Ferita este un material ferimagnetic cu o structură cu rețea cubică. Procesul său de fabricație și proprietățile mecanice sunt similare cu cele ale ceramicii, iar culoarea sa este gri-negru. Un tip de miez magnetic folosit adesea în filtrele EMI este materialul de ferită, iar mulți producători furnizează materiale de ferită special utilizate pentru suprimarea EMI. Acest material se caracterizează prin pierderi foarte mari de frecvență înaltă. Pentru ferita utilizată pentru suprimarea interferențelor electromagnetice, cei mai importanți parametri de performanță sunt permeabilitatea magnetică μ și densitatea fluxului magnetic de saturație Bs. Permeabilitatea magnetică μ poate fi exprimată ca număr complex, partea reală constituie inductanța, iar partea imaginară reprezintă pierderea, care crește odată cu creșterea frecvenței. Prin urmare, circuitul său echivalent este un circuit în serie compus dintr-un inductor L și un rezistor R, atât L, cât și R sunt funcții de frecvență. Când firul trece prin acest miez de ferită, impedanța inductivă formată crește pe măsură ce frecvența crește, dar mecanismul este complet diferit la frecvențe diferite.
În banda de joasă frecvență, impedanța este compusă din reactanța inductivă a inductanței. La frecvențe joase, R este foarte mic, iar permeabilitatea magnetică a miezului magnetic este mare, astfel încât inductanța este mare, iar L joacă un rol major, iar interferența electromagnetică este reflectată și suprimată; și în acest moment magnetic Pierderea miezului este mică, iar întregul dispozitiv este un inductor cu pierderi reduse și caracteristici Q ridicate. Acest inductor este ușor de provocat rezonanță. Prin urmare, în banda de frecvență joasă, uneori poate exista un fenomen de interferență sporită după utilizarea granulelor de ferită.
În banda de înaltă frecvență, impedanța este compusă din componente de rezistență. Pe măsură ce frecvența crește, permeabilitatea magnetică a miezului magnetic scade, rezultând o scădere a inductanței inductorului și o scădere a componentei de reactanță inductivă. Cu toate acestea, în acest moment, pierderea miezului magnetic crește și componenta de rezistență crește. , ducând la o creștere a impedanței totale, atunci când semnalul de înaltă frecvență trece prin ferită, interferența electromagnetică este absorbită și disipată sub formă de energie termică.
Componentele de suprimare a feritei sunt utilizate pe scară largă pe plăcile de circuite imprimate, liniile de alimentare și liniile de date. Dacă un element de suprimare a ferită este adăugat la capătul de intrare al liniei de alimentare a plăcii imprimate, interferențele de înaltă frecvență pot fi filtrate. Inelele magnetice de ferită sau margele magnetice sunt utilizate în mod special pentru a suprima interferențele de înaltă frecvență și interferențele de vârf pe liniile de semnal și liniile electrice. De asemenea, are capacitatea de a absorbi interferența pulsului de descărcare electrostatică.
2. Principiul și caracteristicile margelelor magnetice Când curentul curge prin sârmă în orificiul central al acestuia, va fi o pistă magnetică care circulă în interiorul mărgelei magnetice. Feritele pentru controlul EMI ar trebui formulate astfel încât cea mai mare parte a fluxului magnetic să fie disipată sub formă de căldură în material. Acest fenomen poate fi modelat printr-o combinație în serie de un inductor și un rezistor. asa cum se vede in poza 2
Valoarea numerică a celor două componente este proporțională cu lungimea margelei magnetice, iar lungimea mărgei magnetice are un impact semnificativ asupra efectului de suprimare. Cu cât lungimea mărgei magnetice este mai mare, cu atât efectul de suprimare este mai bun. Deoarece energia semnalului este cuplată magnetic la granula magnetică, reactanța și rezistența inductorului cresc odată cu creșterea frecvenței. Eficiența cuplajului magnetic depinde de permeabilitatea magnetică a materialului de mărgele față de aer. De obicei, pierderea materialului ferit care alcătuiește mărgele poate fi exprimată ca o cantitate complexă prin permeabilitatea sa față de aer.
Materialele magnetice folosesc adesea acest raport pentru a caracteriza unghiul de pierdere. Este necesar un unghi mare de pierdere pentru componentele de suprimare a EMI, ceea ce înseamnă că cea mai mare parte a interferenței va fi disipată și nu va fi reflectată. Varietatea largă de materiale de ferită disponibile astăzi oferă designerilor o gamă largă de opțiuni pentru utilizarea granulelor de ferită în diferite aplicații.
3 Aplicarea margelelor magnetice
3.1 Suprimator de vârfuri
Cel mai mare dezavantaj al sursei de comutare este că este ușor de generat zgomot și interferențe, care este o problemă tehnică cheie care a afectat sursa de comutație pentru o lungă perioadă de timp. Zgomotul sursei de comutare este cauzat în principal de comutația de înaltă tensiune cu schimbare rapidă și curentul de scurtcircuit impuls al tubului de comutare de putere și al diodei redresoare de comutare. Prin urmare, utilizarea componentelor eficiente pentru a le limita la minimum este una dintre principalele metode de suprimare a zgomotului. Inductanța saturată neliniară este de obicei utilizată pentru a suprima vârful curentului de recuperare inversă, în acest moment starea de lucru a miezului de fier este de la -Bs la plus Bs. În conformitate cu consistența permeabilității magnetice ridicate și a perlelor magnetice saturabile a elementului de inductanță ultra-mică pe dioda cu roată liberă a sursei de alimentare cu comutație, a fost dezvoltat un supresor de vârf utilizat pentru a suprima curentul de vârf generat atunci când sursa de comutație este comutată.
Caracteristicile de performanță ale supresoarelor de vârfuri
(1) Valorile inductanței inițiale și maxime sunt foarte mari, iar neliniaritatea valorii inductanței reziduale după saturație este extrem de neevidentă. După ce a fost conectat în serie la circuit, curentul crește și arată instantaneu o impedanță ridicată, care poate fi folosită ca așa-numit element de impedanță instantanee.
(2) Este potrivit pentru prevenirea semnalului de vârf de curent tranzitoriu în circuitul semiconductor, circuitul de excitare a impactului și zgomotul însoțitor și poate preveni, de asemenea, deteriorarea semiconductorului.
(3) Inductanța reziduală este extrem de mică, iar pierderea este foarte mică atunci când circuitul este stabil.
(4) Este complet diferit de performanța produselor din ferită.
(5) Atâta timp cât se evită saturația magnetică, poate fi folosit ca element de inductanță ultra-mic, cu inductanță ridicată.
(6) Poate fi folosit ca un miez de fier saturabil de înaltă performanță, cu pierderi reduse pentru a controla și a genera oscilații.
Suprimatorul de vârf necesită ca materialul miezului de fier să aibă o permeabilitate magnetică mai mare pentru a obține o inductanță mai mare; raportul pătrat ridicat poate face miezul de fier saturat, iar inductanța ar trebui să scadă rapid la zero; forța coercitivă este mică și pierderea de înaltă frecvență este scăzută, altfel miezul nu va funcționa corect din cauza disipării căldurii.
Scopul supresorului de vârf este în principal de a reduce semnalul de vârf curent; reduce zgomotul cauzat de semnalul de vârf curent; previne deteriorarea tranzistorului de comutare; reduce pierderea de comutare a tranzistorului de comutare; compensați caracteristicile de recuperare ale diodei; împiedică excitarea șocului cu curent de impuls de înaltă frecvență. Utilizați ca filtru de linie ultra-mic etc.
3.2 Aplicarea în filtru a) Rezultatul testului fără margele magnetice b) Rezultatul testului cu margele magnetice c) Rezultatul testului cu linie L și margele magnetice d) Rezultatul testului cu linie N și margele magnetice
Filtrele obișnuite sunt compuse din componente reactive fără pierderi. Funcția sa în circuit este de a reflecta frecvența benzii de oprire înapoi la sursa semnalului, astfel încât acest tip de filtru este numit și filtru de reflexie. Când filtrul de reflexie nu se potrivește cu impedanța sursei de semnal, o parte din energie va fi reflectată înapoi la sursa de semnal, rezultând o creștere a nivelului de interferență. Pentru a rezolva acest dezavantaj, pe linia de intrare a filtrului poate fi utilizat inelul magnetic de ferită sau manșonul magnetic, iar pierderea semnalului de înaltă frecvență prin curent turbionar de către inelul de ferită sau mărgea magnetică poate fi utilizată pentru a converti -componenta de frecventa in pierderi de caldura. Prin urmare, inelul magnetic și margelele magnetice absorb de fapt componentele de înaltă frecvență, așa că uneori sunt numite filtre de absorbție.
Diferitele componente de suprimare a feritei au diferite intervale optime de frecvență de suprimare. În general, cu cât permeabilitatea este mai mare, cu atât frecvența suprimată este mai mică. În plus, cu cât volumul feritei este mai mare, cu atât efectul de suprimare este mai bun. Când volumul este constant, forma lungă și subțire are un efect de suprimare mai bun decât cea scurtă și groasă, iar cu cât diametrul interior este mai mic, cu atât efectul de suprimare este mai bun. Cu toate acestea, în cazul curentului de polarizare DC sau AC, există încă problema saturației feritei. Cu cât secțiunea transversală a elementului de suprimare este mai mare, cu atât este mai puțin probabil ca acesta să fie saturat și cu atât este mai mare curentul de polarizare pe care îl poate suporta.
Pe baza principiilor și caracteristicilor de mai sus ale margelelor magnetice, se aplică filtrului de alimentare cu comutare, iar efectul este evident. Din rezultatele testelor, se poate observa că aplicarea margelelor magnetice este semnificativ diferită. Din rezultatele experimentale se poate observa că, din cauza influenței circuitului de alimentare cu comutare, a aspectului structural și a puterii, uneori are un efect bun de suprimare asupra interferenței în modul diferențial, uneori are un efect bun de suprimare asupra interferenței în modul comun și uneori nu poate suprima interferența. Dimpotrivă, va crește interferența de zgomot.
Atunci când inelul/sferă magnetică absorbantă EMI suprimă interferența în modul diferențial, valoarea curentului care trece prin acesta este proporțională cu volumul său, iar dezechilibrul dintre cele două cauzează saturație, ceea ce reduce performanța componentei; atunci când suprimați interferența în modul comun, conectați cele două fire (pozitiv și negativ) ale sursei de alimentare Treceți printr-un inel magnetic în același timp, semnalul efectiv este un semnal în mod diferențial, iar inelul magnetic/sferă magnetică care absorb EMI nu are niciun efect pe el, dar va arăta o inductanță mare pentru semnalul de mod comun. O altă metodă mai bună în utilizarea inelului magnetic este de a face firul care trece prin inelul magnetic înfășurat în mod repetat de mai multe ori pentru a crește inductanța. Conform principiului său de suprimare a interferențelor electromagnetice, efectul său de suprimare poate fi utilizat în mod rezonabil.
Componentele de suprimare a feritei trebuie instalate aproape de sursa de interferență. Pentru circuitul de intrare/ieșire, acesta ar trebui să fie cât mai aproape posibil de intrarea și ieșirea carcasei de ecranare. Pentru filtrul de absorbție compus din inel magnetic de ferită și margele magnetice, pe lângă alegerea materialelor cu pierderi cu permeabilitate magnetică ridicată, trebuie acordată atenție și ocaziilor de aplicare a acestuia. Rezistența lor la componentele de înaltă frecvență din linie este de aproximativ zece până la sute de Ω, astfel încât rolul său în circuitele de înaltă impedanță nu este evident. Dimpotrivă, în circuitele cu impedanță scăzută (cum ar fi distribuția de energie, alimentarea cu energie sau circuitele de radiofrecvență) Utilizarea va fi foarte eficientă.
