Tillämpning av magnetiska pärlor i EMC-design av switchande strömförsörjning
Detta dokument introducerar egenskaperna hos ferritpärlor, och enligt dess egenskaper analyserar och introducerar dess viktiga tillämpning i EMC-design av switchande strömförsörjning, och ger experimentella och testresultat i kraftledningsfilter.
EMC har blivit en het och svår fråga i dagens elektroniska design och tillverkning. EMC-problemet i praktisk tillämpning är mycket komplicerat, och det kan inte lösas genom att förlita sig på teoretisk kunskap. Det beror mer på elektronikingenjörernas praktiska erfarenhet. För att bättre lösa problemet med EMC för elektroniska produkter är det nödvändigt att överväga frågor som jordning, krets- och PCB-kortdesign, kabeldesign och skärmningsdesign.
Det här dokumentet introducerar de grundläggande principerna och egenskaperna hos magnetiska pärlor för att illustrera dess betydelse vid växling av strömförsörjning EMC, för att ge växelströmförsörjningsproduktdesigners fler och bättre val när de designar nya produkter.
1 Ferrit EMI-dämpande komponenter
Ferrit är ett ferrimagnetiskt material med en kubisk gitterstruktur. Dess tillverkningsprocess och mekaniska egenskaper liknar de för keramik, och dess färg är gråsvart. En typ av magnetisk kärna som ofta används i EMI-filter är ferritmaterial, och många tillverkare tillhandahåller ferritmaterial speciellt som används för EMI-undertryckning. Detta material kännetecknas av mycket stora högfrekventa förluster. För ferrit som används för att undertrycka elektromagnetisk interferens är de viktigaste prestandaparametrarna magnetisk permeabilitet μ och mättnadsmagnetisk flödestäthet Bs. Den magnetiska permeabiliteten μ kan uttryckas som ett komplext tal, den reella delen utgör induktansen och den imaginära delen representerar förlusten, som ökar med frekvensökningen. Därför är dess ekvivalenta krets en seriekrets som består av en induktor L och ett motstånd R, både L och R är frekvensfunktioner. När tråden passerar genom denna ferritkärna ökar den bildade induktiva impedansen i form när frekvensen ökar, men mekanismen är helt annorlunda vid olika frekvenser.
I lågfrekvensbandet är impedansen sammansatt av induktorns induktiva reaktans. Vid låga frekvenser är R mycket liten och den magnetiska kärnans magnetiska permeabilitet är hög, så induktansen är stor och L spelar en stor roll, och den elektromagnetiska interferensen reflekteras och undertrycks; och vid denna tidpunkt är förlusten av den magnetiska kärnan liten, och hela enheten är en induktor med låg förlust och höga Q-egenskaper.
I högfrekvensbandet är impedansen sammansatt av motståndskomponenter. När frekvensen ökar, minskar den magnetiska permeabiliteten hos den magnetiska kärnan, vilket resulterar i en minskning av induktansen hos induktansen och en minskning av den induktiva reaktanskomponenten. Men vid denna tidpunkt ökar förlusten av den magnetiska kärnan och motståndskomponenten ökar, vilket resulterar i en ökning av den totala impedansen. När den högfrekventa signalen passerar genom ferriten absorberas den elektromagnetiska störningen och försvinner i form av värmeenergi.
Ferritdämpningskomponenter används i stor utsträckning på kretskort, kraftledningar och dataledningar. Om ett ferritundertryckande element läggs till inloppsänden av kraftledningen på det tryckta kortet, kan högfrekventa störningar filtreras bort. Ferritmagnetiska ringar eller magnetiska pärlor används speciellt för att undertrycka högfrekventa störningar och spikstörningar på signalledningar och kraftledningar. Den har också förmågan att absorbera elektrostatisk urladdningspulsstörning.
2. Principen och egenskaperna hos magnetiska pärlor När strömmen flyter genom ledningen i dess centrala hål, kommer det att vara ett magnetiskt spår som cirkulerar inuti den magnetiska pärlan. Ferriter för EMI-kontroll bör formuleras så att det mesta av det magnetiska flödet försvinner som värme i materialet. Detta fenomen kan modelleras av en seriekombination av en induktor och ett motstånd. som visas på bild 2
Det numeriska värdet av de två komponenterna är proportionellt mot längden på den magnetiska pärlan, och längden på den magnetiska pärlan har en betydande inverkan på undertryckningseffekten. Ju längre den magnetiska pärlan är, desto bättre dämpningseffekt. Eftersom signalenergin är magnetiskt kopplad till den magnetiska pärlan, ökar reaktansen och resistansen hos induktorn med ökningen av frekvensen. Effektiviteten hos den magnetiska kopplingen beror på den magnetiska permeabiliteten hos pärlmaterialet i förhållande till luft. Vanligtvis kan förlusten av ferritmaterialet som utgör pärlan uttryckas som en komplex storhet genom dess permeabilitet i förhållande till luft.
Magnetiska material använder ofta detta förhållande för att karakterisera förlustvinkeln. En stor förlustvinkel krävs för EMI-undertryckande komponenter, vilket innebär att det mesta av störningen kommer att skingras och inte reflekteras. Det stora utbudet av ferritmaterial som finns tillgängligt idag ger designers ett brett utbud av alternativ för att använda ferritpärlor i olika applikationer.
3 Applicering av magnetiska pärlor
3.1 Spike suppressor
Den största nackdelen med att byta strömförsörjning är att det är lätt att generera brus och störningar, vilket är ett centralt tekniskt problem som har plågat byte av strömförsörjning under lång tid. Bruset från omkopplingsströmförsörjningen orsakas huvudsakligen av den snabbt föränderliga högspänningsomkopplings- och pulskortslutningsströmmen hos omkopplingsströmröret och omkopplingslikriktardioden. Att använda effektiva komponenter för att begränsa dem till ett minimum är därför en av huvudmetoderna för att dämpa brus. Icke-linjär mättad induktans används vanligtvis för att undertrycka den omvända återhämtningsströmstoppen, vid denna tidpunkt är arbetstillståndet för järnkärnan från -Bs till plus Bs. I enlighet med konsistensen av den höga magnetiska permeabiliteten och mättningsbara ultrasmå induktanselement-magnetiska pärlor på frihjulsdioden på omkopplingsströmförsörjningen, utvecklas en spikdämpare som används för att undertrycka toppströmmen som genereras när omkopplingsströmförsörjningen kopplas om.
Prestandaegenskaper hos spikdämpare
(1) De initiala och maximala induktansvärdena är mycket höga, och olinjäriteten hos restinduktansvärdet efter mättnad är extremt otydlig. Efter att ha kopplats i serie till kretsen stiger strömmen och visar hög impedans direkt, vilket kan användas som ett så kallat momentan impedanselement.
(2) Det är lämpligt för att förhindra den transienta strömtoppsignalen i halvledarkretsen, stötexciteringskretsen och det medföljande bruset, och det kan också förhindra att halvledaren skadas.
(3) Restinduktansen är extremt liten och förlusten är mycket liten när kretsen är stabil.
(4) Det skiljer sig helt från prestanda för ferritprodukter.
(5) Så länge magnetisk mättnad undviks kan den användas som ett ultralitet induktanselement med hög induktans.
(6) Den kan användas som en högpresterande mättbar järnkärna med låg förlust för att kontrollera och generera oscillation.
Spikdämparen kräver att järnkärnmaterialet har en högre magnetisk permeabilitet för att erhålla en större induktans; när det höga kvadratförhållandet kan mätta järnkärnan, bör induktansen snabbt sjunka till noll; tvångskraften är liten och den höga frekvensförlusten är låg, annars fungerar inte värmeavledningen av järnkärnan normalt.
Syftet med spikdämparen är främst att reducera den aktuella toppsignalen; minska bruset som orsakas av den aktuella toppsignalen; förhindra skador på omkopplingstransistorn; minska omkopplingsförlusten för omkopplingstransistorn; kompensera återställningsegenskaperna för dioden; förhindra excitation av högfrekvent pulsström. Använd som ett ultra-litet linjefilter, etc.
3.2 Applicering i filter a) Testresultat utan magnetiska pärlor b) Testresultat med magnetiska pärlor c) Testresultat med L-linje och magnetiska pärlor d) Testresultat med N-linje och magnetiska pärlor
Vanliga filter är sammansatta av förlustfria reaktiva komponenter. Dess funktion i kretsen är att reflektera stoppbandsfrekvensen tillbaka till signalkällan, så denna typ av filter kallas även för reflektionsfilter. När reflektionsfiltret inte matchar signalkällans impedans kommer en del av energin att reflekteras tillbaka till signalkällan, vilket resulterar i en ökning av interferensnivån. För att lösa denna nackdel kan ferritmagnetring eller magnetisk pärlhylsa användas på filtrets inkommande linje, och virvelströmsförlusten av högfrekvenssignalen från ferritringen eller magnetisk pärla kan användas för att omvandla den höga -frekvenskomponent till värmeförlust. Därför absorberar den magnetiska ringen och de magnetiska pärlorna faktiskt högfrekventa komponenter, så de kallas ibland absorptionsfilter.
Olika ferritdämpningskomponenter har olika optimala dämpningsfrekvensområden. Generellt gäller att ju högre permeabiliteten är, desto lägre undertryckt frekvens. Dessutom, ju större volym ferriten är, desto bättre blir undertryckningseffekten. När volymen är konstant har den långa och tunna formen bättre dämpningseffekt än den korta och tjocka, och ju mindre innerdiameter, desto bättre dämpningseffekt. Men i fallet med DC- eller AC-förspänningsström finns det fortfarande problemet med ferritmättnad. Ju större tvärsnitt av undertryckningselementet, desto mindre sannolikt kommer det att bli mättat, och desto större förspänningsström kan det motstå.
Baserat på ovanstående principer och egenskaper hos magnetiska pärlor, appliceras den på filtret för omkoppling av strömförsörjning, och effekten är uppenbar. Av testresultaten kan man se att appliceringen av magnetiska pärlor skiljer sig markant. Det kan ses från de experimentella resultaten att på grund av påverkan av omkopplingsströmförsörjningskretsen, strukturell layout och ström, ibland har det en bra undertryckande effekt på differentiallägesinterferens, ibland har det en bra undertryckningseffekt på common mode-interferens, och ibland har det inte en undertryckande effekt på störningar utan ökar brusstörningar.
När den EMI-absorberande magnetiska ringen/magnetiska pärlan undertrycker interferens i differentialläge, är strömvärdet som passerar genom den proportionellt mot dess volym, och obalansen mellan de två orsakar mättnad, vilket minskar komponentens prestanda; vid undertryckning av common-mode-interferens passerar de två ledningarna (positiva och negativa) i strömförsörjningen genom en magnetisk ring samtidigt, och den effektiva signalen är en differential-mode-signal. En annan bättre metod vid användningen av den magnetiska ringen är att få tråden som passerar genom den magnetiska ringen att lindas upprepade gånger flera gånger för att öka induktansen. Enligt dess undertryckningsprincip för elektromagnetisk störning kan dess undertryckningseffekt användas rimligt.
Ferritdämpande komponenter bör installeras nära störningskällan. För ingångs-/utgångskretsen ska den vara så nära ingången och utloppet på skärmhuset som möjligt. För absorptionsfiltret som består av ferritmagnetring och magnetiska pärlor, förutom att välja förlustgivande material med hög magnetisk permeabilitet, bör uppmärksamhet också fästas vid dess appliceringstillfällen. Deras motstånd mot högfrekventa komponenter i ledningen är cirka tio till hundratals Ω, så dess roll i högimpedanskretsar är inte uppenbar. Tvärtom kommer det att vara mycket effektivt i lågimpedanskretsar (som strömfördelning, strömförsörjning eller radiofrekvenskretsar).
