Primjena magnetnih perli u EMC dizajnu prekidačkog napajanja
U ovom radu su predstavljene karakteristike feritne perle, a prema njenim karakteristikama analizirana je i predstavljena njena značajna primena u EMC projektovanju prekidačkog napajanja, i dati su eksperimentalni i rezultati ispitivanja filtera za strujne mreže.
EMC je postao vruće i teško pitanje u današnjem elektronskom dizajnu i proizvodnji. Problem elektromagnetske kompatibilnosti u praktičnoj primeni je veoma komplikovan i ne može se rešiti oslanjanjem na teorijsko znanje. Više zavisi od praktičnog iskustva elektronskih inženjera. Kako bi se bolje riješio problem EMC elektronskih proizvoda, potrebno je razmotriti pitanja kao što su uzemljenje, dizajn kola i PCB ploče, dizajn kablova i dizajn oklopa.
Ovaj rad uvodi osnovne principe i karakteristike magnetnih perli kako bi se ilustrovao njihov značaj u elektromagnetskoj kompatibilnosti prekidačkog napajanja, kako bi se dizajnerima proizvoda za prekidačko napajanje pružio veći i bolji izbor pri dizajniranju novih proizvoda.
1 Feritne komponente za suzbijanje EMI
Ferit je ferimagnetni materijal sa kubičnom rešetkastom strukturom. Proizvodni proces i mehanička svojstva su slični keramici, a boja mu je sivo-crna. Jedna vrsta magnetnog jezgra koji se često koristi u EMI filterima je feritni materijal, a mnogi proizvođači pružaju feritne materijale koji se posebno koriste za suzbijanje EMI. Ovaj materijal karakteriziraju vrlo veliki gubici visoke frekvencije. Za ferit koji se koristi za suzbijanje elektromagnetnih smetnji, najvažniji parametri performansi su magnetna permeabilnost μ i gustina magnetnog fluksa zasićenja Bs. Magnetska permeabilnost μ se može izraziti kao kompleksan broj, realni dio čini induktivnost, a imaginarni dio predstavlja gubitak, koji raste sa povećanjem frekvencije. Prema tome, njegov ekvivalentni krug je serijski krug sastavljen od induktora L i otpornika R, i L i R su funkcije frekvencije. Kada žica prođe kroz ovu feritnu jezgru, formirana induktivna impedansa se povećava u obliku kako frekvencija raste, ali mehanizam je potpuno drugačiji na različitim frekvencijama.
U niskofrekventnom opsegu, impedancija se sastoji od induktivne reaktancije induktora. Na niskim frekvencijama, R je vrlo mali, a magnetna permeabilnost magnetnog jezgra je visoka, tako da je induktivnost velika, a L igra glavnu ulogu, a elektromagnetne smetnje se reflektiraju i potiskuju; i u ovom trenutku, gubitak magnetnog jezgra je mali, a cijeli uređaj je induktor s malim gubicima i visokim Q karakteristikama.
U visokofrekventnom opsegu, impedancija se sastoji od komponenti otpora. Kako frekvencija raste, magnetska permeabilnost magnetskog jezgra se smanjuje, što rezultira smanjenjem induktivnosti induktora i smanjenjem komponente induktivne reaktanse. Međutim, u ovom trenutku se povećava gubitak magnetnog jezgra i povećava se komponenta otpora, što rezultira povećanjem ukupne impedanse. Kada visokofrekventni signal prođe kroz ferit, elektromagnetne smetnje se apsorbuju i rasipaju u obliku toplotne energije.
Komponente za suzbijanje ferita se široko koriste na štampanim pločama, električnim vodovima i vodovima podataka. Ako se feritni element za suzbijanje doda na ulazni kraj strujnog voda štampane ploče, visokofrekventne smetnje se mogu filtrirati. Feritni magnetni prstenovi ili magnetne perle se posebno koriste za suzbijanje visokofrekventnih smetnji i smetnji na signalnim linijama i dalekovodima. Takođe ima sposobnost da apsorbuje smetnje impulsa elektrostatičkog pražnjenja.
2. Princip i karakteristike magnetnih perli Kada struja teče kroz žicu u njenoj centralnoj rupi, to će biti magnetna staza koja cirkuliše unutar magnetne perle. Feriti za kontrolu elektromagnetskog zračenja treba da budu formulisani tako da se većina magnetnog fluksa rasprši kao toplota u materijalu. Ovaj fenomen se može modelirati serijskom kombinacijom induktora i otpornika. kao što je prikazano na slici 2
Numerička vrijednost dvije komponente je proporcionalna dužini magnetne perle, a dužina magnetne perle ima značajan uticaj na efekat potiskivanja. Što je dužina magnetne perle, to je bolji efekat potiskivanja. Budući da je energija signala magnetski povezana s magnetskom perlom, reaktanca i otpor induktora rastu s povećanjem frekvencije. Efikasnost magnetne sprege zavisi od magnetne permeabilnosti materijala perle u odnosu na vazduh. Obično se gubitak feritnog materijala koji čini zrno može izraziti kao kompleksna veličina kroz njegovu propusnost u odnosu na zrak.
Magnetni materijali često koriste ovaj omjer za karakterizaciju ugla gubitka. Potreban je veliki ugao gubitka za komponente za suzbijanje EMI, što znači da će se većina smetnji raspršiti i neće reflektovati. Širok izbor feritnih materijala koji su danas dostupni dizajnerima pruža širok spektar mogućnosti za korištenje feritnih perli u različitim primjenama.
3 Primjena magnetnih perli
3.1 Prigušivač šiljaka
Najveći nedostatak prekidačkog napajanja je to što se lako stvara šum i smetnje, što je ključni tehnički problem koji muči prekidačko napajanje već duže vrijeme. Buka sklopnog napajanja uglavnom je uzrokovana brzom promjenjivom visokonaponskom sklopkom i impulsnom strujom kratkog spoja prekidačke energetske cijevi i sklopne ispravljačke diode. Stoga je korištenje efikasnih komponenti za njihovo smanjenje na minimum jedan od glavnih metoda suzbijanja buke. Nelinearna zasićena induktivnost se obično koristi za potiskivanje vrha struje povratnog oporavka, u ovom trenutku radno stanje gvozdenog jezgra je od -Bs do plus Bs. U skladu sa konzistentnošću visoke magnetne permeabilnosti i zasićenih ultra-malih induktivnih elementa-magnetnih perli na slobodnoj diodi prekidačkog napajanja, razvijen je supresor šiljaka koji se koristi za suzbijanje vršne struje generirane kada se uključi prekidačko napajanje.
Karakteristike performansi supresora šiljaka
(1) Početna i maksimalna vrijednost induktivnosti su vrlo visoke, a nelinearnost vrijednosti preostale induktivnosti nakon zasićenja je krajnje neočigledna. Nakon što se serijski spoji na kolo, struja raste i trenutno pokazuje visoku impedanciju, koja se može koristiti kao takozvani element trenutne impedancije.
(2) Pogodan je za sprečavanje prolaznog strujnog vršnog signala u poluvodičkom kolu, strujnom krugu pobude i prateće buke, a može spriječiti i oštećenje poluvodiča.
(3) Preostala induktivnost je izuzetno mala, a gubitak je vrlo mali kada je kolo stabilno.
(4) Potpuno se razlikuje od performansi feritnih proizvoda.
(5) Sve dok se izbjegava magnetno zasićenje, može se koristiti kao ultra-mali induktivni element visoke induktivnosti.
(6) Može se koristiti kao zasićeno željezno jezgro visokih performansi sa malim gubicima za kontrolu i stvaranje oscilacija.
Supresor šiljaka zahteva da materijal gvozdenog jezgra ima veću magnetnu permeabilnost da bi se dobila veća induktivnost; kada visoki kvadratni omjer može zasititi željezno jezgro, induktivnost bi trebala brzo pasti na nulu; koercitivna sila je mala i gubitak visoke frekvencije je nizak, u suprotnom disipacija topline željeznog jezgra neće raditi normalno.
Svrha supresora šiljaka je uglavnom smanjenje trenutnog vršnog signala; smanjiti šum uzrokovan trenutnim vršnim signalom; spriječiti oštećenje sklopnog tranzistora; smanjiti komutacijski gubitak sklopnog tranzistora; nadoknaditi karakteristike oporavka diode; spriječiti pobuđivanje šoka visokofrekventnom impulsnom strujom. Koristi se kao filter za ultra male linije itd.
3.2 Primena u filteru a) Rezultat testa bez magnetnih perli b) Rezultat ispitivanja sa magnetnim perlama c) Rezultat ispitivanja sa L linijom i magnetnim perlama d) Rezultat testa sa N linijom i magnetnim perlama
Obični filteri se sastoje od reaktivnih komponenti bez gubitaka. Njegova funkcija u kolu je da reflektira frekvenciju zaustavnog pojasa natrag do izvora signala, pa se ovaj tip filtera naziva i refleksijski filter. Kada filter refleksije ne odgovara impedanciji izvora signala, dio energije će se reflektirati natrag u izvor signala, što rezultira povećanjem razine smetnji. Kako bi se riješio ovaj nedostatak, feritni magnetni prsten ili navlaka za magnetne perle može se koristiti na ulaznom vodu filtera, a gubitak visokofrekventnog signala na vrtložne struje pomoću feritnog prstena ili magnetne perle može se koristiti za pretvaranje visoke -frekvencijska komponenta u gubitke topline. Stoga, magnetni prsten i magnetne perle zapravo apsorbiraju visokofrekventne komponente, pa se ponekad nazivaju apsorpcijskim filterima.
Različite komponente za suzbijanje ferita imaju različite optimalne frekvencijske opsege supresije. Generalno, što je veća permeabilnost, to je niža potisnuta frekvencija. Osim toga, što je veća zapremina ferita, to je bolji efekat supresije. Kada je zapremina konstantna, dugi i tanki oblik imaju bolji efekat supresije od kratkog i debelog, a što je manji unutrašnji prečnik, to je bolji efekat potiskivanja. Međutim, u slučaju istosmjerne ili naizmjenične struje, još uvijek postoji problem zasićenja ferita. Što je veći poprečni presjek elementa za potiskivanje, to je manja vjerovatnoća da će biti zasićen, a to je veća struja prednapona koju može izdržati.
Na osnovu gore navedenih principa i karakteristika magnetnih perli, primenjuje se na filter prekidačkog napajanja, a efekat je očigledan. Iz rezultata ispitivanja može se vidjeti da se primjena magnetnih perli značajno razlikuje. Iz eksperimentalnih rezultata može se vidjeti da zbog utjecaja sklopa sklopnog napajanja, strukturalnog rasporeda i snage, ponekad ima dobar efekat suzbijanja smetnji diferencijalnog moda, ponekad ima dobar efekat supresije na smetnje uobičajenog moda, a ponekad nema efekat suzbijanja smetnji, ali povećava smetnje buke.
Kada magnetni prsten/magnetna perla koji apsorbuje EMI potiskuje smetnje u diferencijalnom modu, trenutna vrednost koja prolazi kroz njega je proporcionalna njegovom volumenu, a neravnoteža između ta dva izaziva zasićenje, što smanjuje performanse komponente; pri suzbijanju smetnji zajedničkog moda, dvije žice (pozitivna i negativna) napajanja istovremeno prolaze kroz magnetni prsten, a efektivni signal je signal diferencijalnog moda. Još jedna bolja metoda u korištenju magnetnog prstena je da se žica koja prolazi kroz magnetni prsten nekoliko puta namota kako bi se povećala induktivnost. Prema principu suzbijanja elektromagnetnih smetnji, njegov efekat suzbijanja se može razumno koristiti.
Komponente za suzbijanje ferita treba postaviti u blizini izvora smetnji. Za ulazno/izlazno kolo, ono bi trebalo biti što bliže ulazu i izlazu zaštitnog kućišta. Za apsorpcioni filter sastavljen od feritnog magnetnog prstena i magnetnih perli, pored odabira materijala sa gubitkom sa visokom magnetnom permeabilnosti, treba obratiti pažnju i na prilike njegove primene. Njihov otpor prema visokofrekventnim komponentama u liniji je oko deset do stotine Ω, tako da njihova uloga u visokoimpedansnim kolima nije očigledna. Naprotiv, biće veoma efikasan u kolima niske impedancije (kao što su distribucija energije, napajanje ili kola radio frekvencije).
