Primjena magnetskih kuglica u EMC dizajnu izvora napajanja
EMC je postalo vruće i teško pitanje u današnjem elektroničkom dizajnu i proizvodnji. Problem elektromagnetske kompatibilnosti u praktičnoj primjeni vrlo je kompliciran i ne može se riješiti oslanjanjem na teorijska znanja. To više ovisi o praktičnom iskustvu elektroničkih inženjera. Kako bi se bolje riješio problem elektromagnetske kompatibilnosti elektroničkih proizvoda, potrebno je razmotriti pitanja kao što su uzemljenje, dizajn strujnog kruga i PCB ploče, dizajn kabela i dizajn oklopa.
Ovaj rad uvodi osnovne principe i karakteristike magnetskih zrnaca kako bi ilustrirao njihovu važnost u EMC sklopnom napajanju, kako bi dizajnerima sklopnog napajanja pružio više i bolje mogućnosti pri dizajniranju novih proizvoda.
1 Feritne komponente za suzbijanje elektromagnetskih smetnji
Ferit je ferimagnetski materijal s kubičnom rešetkastom strukturom. Proces izrade i mehanička svojstva slični su keramičkim, a boja je sivo-crna. Jedna vrsta magnetske jezgre koja se često koristi u EMI filterima je feritni materijal, a mnogi proizvođači nude feritne materijale koji se posebno koriste za suzbijanje EMI. Ovaj materijal karakteriziraju vrlo veliki visokofrekventni gubici. Za ferit koji se koristi za suzbijanje elektromagnetskih smetnji, najvažniji parametri performansi su magnetska permeabilnost μ i gustoća magnetskog toka zasićenja Bs. Magnetska permeabilnost μ može se izraziti kao kompleksan broj, realni dio čini induktivitet, a imaginarni dio predstavlja gubitak, koji raste s porastom frekvencije. Stoga je njegov ekvivalentni krug serijski krug sastavljen od prigušnice L i otpornika R, pri čemu su i L i R funkcije frekvencije. Kada žica prolazi kroz ovu feritnu jezgru, formirana induktivna impedancija se povećava u obliku kako se povećava frekvencija, ali mehanizam je potpuno drugačiji na različitim frekvencijama.
U niskofrekventnom pojasu, impedancija se sastoji od induktivne reaktancije induktiviteta. Na niskim frekvencijama, R je vrlo mali, a magnetska permeabilnost magnetske jezgre je visoka, tako da je induktivitet velik, a L igra glavnu ulogu, a elektromagnetske smetnje se reflektiraju i potiskuju; iu ovom trenutku magnetski Gubitak jezgre je mali, a cijeli uređaj je induktor s malim gubicima i visokim Q karakteristikama. Ovaj induktor je lako izazvati rezonanciju. Stoga, u niskofrekventnom pojasu, ponekad može doći do fenomena pojačanih smetnji nakon korištenja feritnih kuglica.
U visokofrekventnom pojasu, impedancija se sastoji od komponenti otpora. Kako se frekvencija povećava, magnetska permeabilnost magnetske jezgre se smanjuje, što rezultira smanjenjem induktiviteta induktora i smanjenjem komponente induktivne reaktancije. Međutim, u ovom trenutku se povećava gubitak magnetske jezgre i komponenta otpora se povećava. , što dovodi do povećanja ukupne impedancije, kada visokofrekventni signal prolazi kroz ferit, elektromagnetske smetnje se apsorbiraju i rasipaju u obliku toplinske energije.
Komponente za suzbijanje ferita naširoko se koriste na tiskanim pločama, električnim i podatkovnim vodovima. Ako se element za suzbijanje ferita doda na ulazni kraj strujne linije tiskane ploče, visokofrekventne smetnje mogu se filtrirati. Feritni magnetski prstenovi ili magnetske kuglice posebno se koriste za suzbijanje visokofrekventnih smetnji i šiljastih smetnji na signalnim vodovima i dalekovodima. Također ima sposobnost apsorbiranja smetnji pulsa elektrostatskog pražnjenja.
2. Princip i karakteristike magnetskih kuglica Kada struja teče kroz žicu u središnjem otvoru, to će biti magnetski trag koji cirkulira unutar magnetske kuglice. Feriti za EMI kontrolu trebaju biti formulirani tako da se većina magnetskog toka rasipa kao toplina u materijalu. Ovaj se fenomen može modelirati serijskom kombinacijom induktora i otpornika. kao što je prikazano na slici 2
Numerička vrijednost dviju komponenti proporcionalna je duljini magnetske kuglice, a duljina magnetske kuglice ima značajan utjecaj na učinak potiskivanja. Što je dužina magnetske kuglice veća, to je učinak potiskivanja bolji. Budući da je energija signala magnetski povezana s magnetskom kuglicom, reaktancija i otpor induktora rastu s povećanjem frekvencije. Učinkovitost magnetske spojke ovisi o magnetskoj propusnosti materijala zrna u odnosu na zrak. Obično se gubitak feritnog materijala koji čini zrno može izraziti kao složena veličina kroz njegovu propusnost u odnosu na zrak.
Magnetski materijali često koriste ovaj omjer za karakterizaciju kuta gubitka. Za komponente za suzbijanje EMI-ja potreban je veliki kut gubitka, što znači da će se većina smetnji raspršiti i neće se reflektirati. Širok izbor feritnih materijala koji su danas dostupni dizajnerima nudi širok raspon opcija za korištenje feritnih kuglica u različitim primjenama.
3 Primjena magnetskih kuglica
3.1 Prigušivač šiljaka
Najveći nedostatak sklopnog napajanja je lako generiranje buke i smetnji, što je ključni tehnički problem koji već dugo muči sklopno napajanje. Buka sklopnog napajanja uglavnom je uzrokovana brzom promjenom visokonaponske sklopne i pulsne struje kratkog spoja sklopne energetske cijevi i sklopne ispravljačke diode. Stoga je korištenje učinkovitih komponenti za njihovo smanjenje na minimum jedna od glavnih metoda suzbijanja buke. Nelinearni zasićeni induktivitet obično se koristi za suzbijanje vrha povratne struje povrata, u ovom trenutku radno stanje željezne jezgre je od -Bs do plus Bs. U skladu s dosljednošću visoke magnetske permeabilnosti i elementa ultra-malog induktiviteta koji se mogu zasititi - magnetskih zrnaca na slobodnoj diodi prekidačkog napajanja, razvijen je prigušivač šiljaka koji se koristi za potiskivanje vršne struje koja se stvara kada se prekidački izvor napajanja uključi.
Radne karakteristike supresora šiljaka
(1) Početna i maksimalna vrijednost induktiviteta su vrlo visoke, a nelinearnost vrijednosti zaostalog induktiviteta nakon zasićenja je krajnje neočita. Nakon spajanja u seriju u krug, struja raste i trenutno pokazuje visoku impedanciju, koja se može koristiti kao takozvani element trenutne impedancije.
(2) Pogodan je za sprječavanje vršnog signala prijelazne struje u poluvodičkom krugu, udarnom pobudnom krugu i popratnom šumu, a također može spriječiti oštećenje poluvodiča.
(3) Preostali induktivitet je izuzetno mali, a gubitak je vrlo mali kada je krug stabilan.
(4) Potpuno se razlikuje od izvedbe feritnih proizvoda.
(5) Sve dok se izbjegava magnetsko zasićenje, može se koristiti kao ultra-mali element induktiviteta visoke induktivnosti.
(6) Može se koristiti kao visokoučinkovita željezna jezgra koja se može zasititi s malim gubicima za kontrolu i stvaranje oscilacija.
Supresor šiljaka zahtijeva da materijal željezne jezgre ima veću magnetsku permeabilnost kako bi se dobio veći induktivitet; visoki kvadratni omjer može dovesti do zasićenja željezne jezgre, a induktivitet bi trebao brzo pasti na nulu; prisilna sila je mala i gubitak visoke frekvencije je nizak, inače jezgra neće ispravno raditi zbog rasipanja topline.
Svrha supresora šiljaka je uglavnom smanjiti trenutni vršni signal; smanjiti šum uzrokovan trenutnim vršnim signalom; spriječiti oštećenje sklopnog tranzistora; smanjiti gubitke sklopke sklopnog tranzistora; kompenzirati karakteristike oporavka diode; spriječiti visokofrekventnu pulsnu struju udarne pobude. Koristi se kao ultra-mali linijski filtar, itd.
3.2 Primjena u filtru a) Rezultat ispitivanja bez magnetskih kuglica b) Rezultat ispitivanja s magnetskim kuglicama c) Rezultat ispitivanja s L linijom i magnetskim kuglicama d) Rezultat ispitivanja s N linijom i magnetskim kuglicama
Obični filteri sastoje se od reaktivnih komponenti bez gubitaka. Njegova funkcija u krugu je reflektirati zaustavnu frekvenciju natrag na izvor signala, pa se ova vrsta filtra također naziva refleksijski filtar. Kada filtar refleksije ne odgovara impedanciji izvora signala, dio energije će se reflektirati natrag na izvor signala, što će rezultirati povećanjem razine smetnji. Kako bi se riješio ovaj nedostatak, feritni magnetski prsten ili rukavac magnetske kuglice mogu se koristiti na dolaznom vodu filtra, a gubitak vrtložne struje visokofrekventnog signala od strane feritnog prstena ili magnetske kuglice može se koristiti za pretvaranje visokog -frekvencijska komponenta u gubitak topline. Stoga magnetski prsten i magnetske kuglice zapravo apsorbiraju visokofrekventne komponente, pa se ponekad nazivaju apsorpcijskim filtrima.
Različite feritne komponente za suzbijanje imaju različite optimalne frekvencijske raspone za suzbijanje. Općenito, što je veća propusnost, niža je potisnuta frekvencija. Osim toga, što je veći volumen ferita, to je bolji učinak potiskivanja. Kada je volumen konstantan, dugi i tanki oblik ima bolji učinak potiskivanja od kratkog i debelog oblika, a što je manji unutarnji promjer, bolji je učinak potiskivanja. Međutim, u slučaju istosmjerne ili izmjenične prednaponske struje još uvijek postoji problem zasićenja feritom. Što je veći poprečni presjek elementa za potiskivanje, manja je vjerojatnost da će biti zasićen i veća je prednaponska struja koju može izdržati.
Na temelju gore navedenih principa i karakteristika magnetskih kuglica, primjenjuje se na filtar prekidačkog napajanja, a učinak je očit. Iz rezultata ispitivanja vidljivo je da je primjena magnetskih kuglica značajno drugačija. Iz eksperimentalnih rezultata može se vidjeti da zbog utjecaja sklopnog kruga napajanja, strukturnog rasporeda i snage, ponekad ima dobar učinak potiskivanja smetnji diferencijalnog načina rada, ponekad ima dobar učinak potiskivanja smetnji zajedničkog načina rada, a ponekad ne može potisnuti smetnje. Naprotiv, povećat će smetnje buke.
Kada magnetski prsten/perla koja apsorbira EMI potiskuje smetnje diferencijalnog načina rada, trenutna vrijednost koja prolazi kroz njega proporcionalna je njegovom volumenu, a neravnoteža između to dvoje uzrokuje zasićenje, što smanjuje izvedbu komponente; kada suzbijate smetnje zajedničkog načina rada, spojite dvije žice (pozitivnu i negativnu) napajanja Prođite kroz magnetski prsten u isto vrijeme, efektivni signal je signal diferencijalnog načina rada, a magnetski prsten/magnetsko zrno koje apsorbira EMI nema učinka na njemu, ali će pokazati veliki induktivitet za zajednički način signala. Još jedna bolja metoda u korištenju magnetskog prstena je da se žica koja prolazi kroz magnetski prsten nekoliko puta više puta namota kako bi se povećao induktivitet. U skladu s njegovim principom suzbijanja elektromagnetskih smetnji, njegov učinak suzbijanja može se razumno koristiti.
Komponente za suzbijanje ferita treba postaviti u blizini izvora smetnji. Za ulazno/izlazni krug, trebao bi biti što je moguće bliže ulazu i izlazu zaštitnog kućišta. Za apsorpcijski filtar sastavljen od feritnog magnetskog prstena i magnetskih kuglica, osim odabira materijala s gubicima i visokom magnetskom propusnošću, treba obratiti pozornost i na prilike njegove primjene. Njihov otpor prema visokofrekventnim komponentama u vodu je oko deset do stotina Ω, tako da njegova uloga u krugovima visoke impedancije nije očita. Naprotiv, u krugovima niske impedancije (kao što su krugovi za distribuciju struje, napajanje ili radiofrekvencijski krugovi) uporaba će biti vrlo učinkovita.
