Aplicació de les perles magnètiques en el disseny EMC de la font d'alimentació
EMC s'ha convertit en un problema candent i difícil en el disseny i fabricació electrònica actual. El problema de l'EMC en l'aplicació pràctica és molt complicat i no es pot resoldre basant-se en coneixements teòrics. Depèn més de l'experiència pràctica dels enginyers electrònics. Per resoldre millor el problema de la compatibilitat electromagnètica dels productes electrònics, cal tenir en compte qüestions com ara el disseny de la connexió a terra, el circuit i la placa PCB, el disseny de cables i el disseny de blindatge.
Aquest article presenta els principis bàsics i les característiques de les perles magnètiques per il·lustrar la seva importància en l'EMC de la font d'alimentació de commutació, per tal de proporcionar als dissenyadors de productes d'alimentació de commutació més i millors opcions a l'hora de dissenyar nous productes.
1 Components de supressió d'interferències electromagnètiques de ferrita
La ferrita és un material ferrimagnètic amb una estructura de gelosia cúbica. El seu procés de fabricació i propietats mecàniques són semblants a les de la ceràmica, i el seu color és gris-negre. Un tipus de nucli magnètic que s'utilitza sovint als filtres EMI és el material de ferrita, i molts fabricants ofereixen materials de ferrita especialment utilitzats per a la supressió d'EMI. Aquest material es caracteritza per pèrdues d'alta freqüència molt grans. Per a la ferrita utilitzada per suprimir la interferència electromagnètica, els paràmetres de rendiment més importants són la permeabilitat magnètica μ i la densitat de flux magnètic de saturació Bs. La permeabilitat magnètica μ es pot expressar com un nombre complex, la part real constitueix la inductància i la part imaginària representa la pèrdua, que augmenta amb l'augment de la freqüència. Per tant, el seu circuit equivalent és un circuit en sèrie compost per un inductor L i una resistència R, tant L com R són funcions de freqüència. Quan el cable passa per aquest nucli de ferrita, la impedància inductiva formada augmenta de forma a mesura que augmenta la freqüència, però el mecanisme és completament diferent a diferents freqüències.
A la banda de baixa freqüència, la impedància es compon de la reactància inductiva de la inductància. A baixes freqüències, R és molt petita i la permeabilitat magnètica del nucli magnètic és alta, de manera que la inductància és gran i L juga un paper important i la interferència electromagnètica es reflecteix i suprimeix; i en aquest moment el magnètic La pèrdua del nucli és petita i tot el dispositiu és un inductor amb característiques de baixa pèrdua i alta Q. Aquest inductor és fàcil de causar ressonància. Per tant, a la banda de baixa freqüència, de vegades pot haver-hi un fenomen d'interferència millorada després d'utilitzar perles de ferrita.
A la banda d'alta freqüència, la impedància es compon de components de resistència. A mesura que augmenta la freqüència, la permeabilitat magnètica del nucli magnètic disminueix, donant lloc a una disminució de la inductància de l'inductor i una disminució del component de la reactància inductiva. Tanmateix, en aquest moment, la pèrdua del nucli magnètic augmenta i el component de resistència augmenta. , donant lloc a un augment de la impedància total, quan el senyal d'alta freqüència passa per la ferrita, la interferència electromagnètica s'absorbeix i es dissipa en forma d'energia tèrmica.
Els components de supressió de ferrita s'utilitzen àmpliament en plaques de circuits impresos, línies elèctriques i línies de dades. Si s'afegeix un element de supressió de ferrita a l'extrem d'entrada de la línia elèctrica de la placa impresa, es poden filtrar les interferències d'alta freqüència. Els anells magnètics de ferrita o les perles magnètiques s'utilitzen especialment per suprimir les interferències d'alta freqüència i les interferències de punta a les línies de senyal i les línies elèctriques. També té la capacitat d'absorbir la interferència de pols de descàrrega electrostàtica.
2. Principi i característiques de les perles magnètiques Quan el corrent circula pel cable pel seu forat central, serà una pista magnètica que circula per l'interior de la perla magnètica. Les ferrites per al control EMI s'han de formular de manera que la major part del flux magnètic es dissipi com a calor al material. Aquest fenomen es pot modelar mitjançant una combinació en sèrie d'un inductor i una resistència. com es mostra a la imatge 2
El valor numèric dels dos components és proporcional a la longitud de la perla magnètica, i la longitud de la perla magnètica té un impacte significatiu en l'efecte de supressió. Com més llarga sigui la perla magnètica, millor serà l'efecte de supressió. Com que l'energia del senyal s'acobla magnèticament a la perla magnètica, la reactància i la resistència de l'inductor augmenten amb l'augment de la freqüència. L'eficiència de l'acoblament magnètic depèn de la permeabilitat magnètica del material de les perles en relació amb l'aire. Normalment, la pèrdua del material de ferrita que forma la perla es pot expressar com una quantitat complexa a través de la seva permeabilitat relativa a l'aire.
Els materials magnètics sovint utilitzen aquesta relació per caracteritzar l'angle de pèrdua. Es requereix un gran angle de pèrdua per als components de supressió EMI, el que significa que la major part de la interferència es dissiparà i no es reflectirà. La gran varietat de materials de ferrita disponibles avui dia ofereix als dissenyadors una àmplia gamma d'opcions per utilitzar perles de ferrita en diferents aplicacions.
3 Aplicació de perles magnètiques
3.1 Supressor d'espigues
El major desavantatge de la font d'alimentació de commutació és que és fàcil de generar soroll i interferències, que és un problema tècnic clau que ha afectat la font d'alimentació de commutació durant molt de temps. El soroll de la font d'alimentació de commutació és causat principalment per la commutació d'alta tensió que canvia ràpidament i el corrent de curtcircuit de pols del tub d'alimentació de commutació i el díode rectificador de commutació. Per tant, utilitzar components efectius per limitar-los al mínim és un dels principals mètodes per suprimir el soroll. La inductància saturada no lineal s'utilitza normalment per suprimir el pic de corrent de recuperació inversa, en aquest moment l'estat de treball del nucli de ferro és de -Bs a més Bs. D'acord amb la consistència de l'alta permeabilitat magnètica i les perles magnètiques d'elements d'inductància ultra-petites saturables al díode de roda lliure de la font d'alimentació de commutació, es va desenvolupar un supressor de pics utilitzat per suprimir el corrent màxim generat quan es canvia la font d'alimentació.
Característiques de rendiment dels supressors d'espigues
(1) Els valors d'inductància inicial i màxim són molt alts i la no linealitat del valor d'inductància residual després de la saturació és extremadament poc òbvia. Després de connectar-se en sèrie al circuit, el corrent augmenta i mostra una alta impedància a l'instant, que es pot utilitzar com a element anomenat d'impedància instantània.
(2) És adequat per prevenir el senyal de pic de corrent transitori al circuit semiconductor, el circuit d'excitació d'impacte i el soroll que l'acompanya, i també pot evitar que el semiconductor es faci malbé.
(3) La inductància residual és extremadament petita i la pèrdua és molt petita quan el circuit és estable.
(4) És completament diferent del rendiment dels productes de ferrita.
(5) Sempre que s'evita la saturació magnètica, es pot utilitzar com a element d'inductància ultra petit i d'alta inductància.
(6) Es pot utilitzar com a nucli de ferro saturable d'alt rendiment amb pèrdues baixes per controlar i generar oscil·lacions.
El supressor d'espigues requereix que el material del nucli de ferro tingui una major permeabilitat magnètica per obtenir una inductància més gran; l'alta proporció quadrada pot fer que el nucli de ferro es saturi, i la inductància hauria de baixar a zero ràpidament; la força coercitiva és petita i la pèrdua d'alta freqüència és baixa, en cas contrari, el nucli no funcionarà correctament a causa de la dissipació de calor.
El propòsit del supressor de pics és principalment reduir el senyal de pic actual; reduir el soroll causat pel senyal de pic actual; evitar el dany del transistor de commutació; reduir la pèrdua de commutació del transistor de commutació; compensar les característiques de recuperació del díode; evitar l'excitació de xoc de corrent de pols d'alta freqüència. Utilitzeu-lo com a filtre de línia ultra petit, etc.
3.2 Aplicació al filtre a) Resultat de la prova sense perles magnètiques b) Resultat de la prova amb perles magnètiques c) Resultat de la prova amb línia L i perles magnètiques d) Resultat de la prova amb línia N i perles magnètiques
Els filtres ordinaris estan formats per components reactius sense pèrdues. La seva funció al circuit és reflectir la freqüència de la banda d'aturada de nou a la font del senyal, de manera que aquest tipus de filtre també s'anomena filtre de reflexió. Quan el filtre de reflexió no coincideix amb la impedància de la font del senyal, part de l'energia es reflectirà de nou a la font del senyal, donant lloc a un augment del nivell d'interferència. Per resoldre aquest inconvenient, es pot utilitzar l'anell magnètic de ferrita o la funda magnètica a la línia d'entrada del filtre, i la pèrdua de corrent de Foucault del senyal d'alta freqüència per l'anell de ferrita o la perla magnètica es pot utilitzar per convertir l'alta - component de freqüència en la pèrdua de calor. Per tant, l'anell magnètic i les perles magnètiques absorbeixen realment components d'alta freqüència, de manera que de vegades s'anomenen filtres d'absorció.
Els diferents components de supressió de ferrita tenen diferents rangs de freqüència òptims de supressió. En general, com més gran sigui la permeabilitat, menor serà la freqüència suprimida. A més, com més gran sigui el volum de la ferrita, millor serà l'efecte de supressió. Quan el volum és constant, la forma llarga i prima té un millor efecte de supressió que la curta i gruixuda, i com més petit sigui el diàmetre interior, millor serà l'efecte de supressió. Tanmateix, en el cas del corrent de polarització de CC o CA, encara hi ha el problema de la saturació de ferrita. Com més gran sigui la secció transversal de l'element de supressió, menys probable serà que estigui saturat i més gran serà el corrent de polarització que pot suportar.
Basant-se en els principis i característiques anteriors de les perles magnètiques, s'aplica al filtre de la font d'alimentació de commutació i l'efecte és evident. A partir dels resultats de les proves, es pot veure que l'aplicació de les perles magnètiques és significativament diferent. A partir dels resultats experimentals es pot veure que, a causa de la influència del circuit d'alimentació de commutació, la disposició estructural i la potència, de vegades té un bon efecte de supressió sobre la interferència del mode diferencial, de vegades té un bon efecte de supressió sobre la interferència del mode comú i de vegades no pot suprimir les interferències. Al contrari, augmentarà la interferència del soroll.
Quan l'anell/perla magnètica absorbent EMI suprimeix la interferència del mode diferencial, el valor actual que la travessa és proporcional al seu volum i el desequilibri entre els dos provoca la saturació, la qual cosa redueix el rendiment del component; en suprimir la interferència en mode comú, connecteu els dos cables (positiu i negatiu) de la font d'alimentació Passeu a través d'un anell magnètic alhora, el senyal efectiu és un senyal de mode diferencial i l'anell magnètic que absorbeix l'EMI no té cap efecte. en ell, però mostrarà una gran inductància per al senyal de mode comú. Un altre mètode millor en l'ús de l'anell magnètic és fer que el cable que passa per l'anell magnètic s'enrotlli repetidament diverses vegades per augmentar la inductància. Segons el seu principi de supressió d'interferències electromagnètiques, el seu efecte de supressió es pot utilitzar raonablement.
Els components de supressió de ferrita s'han d'instal·lar a prop de la font d'interferència. Per al circuit d'entrada/sortida, hauria d'estar el més a prop possible de l'entrada i sortida de la caixa de blindatge. Per al filtre d'absorció compost per anell magnètic de ferrita i perles magnètiques, a més d'escollir materials amb pèrdues amb una alta permeabilitat magnètica, també s'ha de prestar atenció a les seves ocasions d'aplicació. La seva resistència als components d'alta freqüència de la línia és d'uns deu a centenars de Ω, de manera que el seu paper en circuits d'alta impedància no és obvi. Per contra, en circuits de baixa impedància (com ara circuits de distribució d'energia, font d'alimentació o circuits de radiofreqüència) l'ús serà molt efectiu.
