Applicazione di perline magnetiche nella progettazione EMC dell'alimentatore
La compatibilità elettromagnetica è diventata una questione calda e difficile nella progettazione e produzione elettronica di oggi. Il problema EMC nell'applicazione pratica è molto complicato e non può essere risolto basandosi su conoscenze teoriche. Dipende più dall'esperienza pratica degli ingegneri elettronici. Per risolvere meglio il problema della compatibilità elettromagnetica dei prodotti elettronici, è necessario considerare questioni come la messa a terra, la progettazione di circuiti e schede PCB, la progettazione di cavi e la progettazione di schermature.
Questo documento introduce i principi e le caratteristiche di base delle sfere magnetiche per illustrarne l'importanza nell'EMC degli alimentatori a commutazione, al fine di fornire ai progettisti di alimentatori a commutazione scelte più numerose e migliori durante la progettazione di nuovi prodotti.
1 Componenti per la soppressione delle interferenze elettromagnetiche in ferrite
La ferrite è un materiale ferrimagnetico con una struttura reticolare cubica. Il suo processo di fabbricazione e le proprietà meccaniche sono simili a quelle della ceramica e il suo colore è grigio-nero. Un tipo di nucleo magnetico spesso utilizzato nei filtri EMI è il materiale in ferrite e molti produttori forniscono materiali in ferrite appositamente utilizzati per la soppressione EMI. Questo materiale è caratterizzato da perdite ad alta frequenza molto elevate. Per la ferrite utilizzata per sopprimere le interferenze elettromagnetiche, i parametri prestazionali più importanti sono la permeabilità magnetica μ e la densità del flusso magnetico di saturazione Bs. La permeabilità magnetica μ può essere espressa come un numero complesso, la parte reale costituisce l'induttanza, e la parte immaginaria rappresenta la perdita, che aumenta con l'aumentare della frequenza. Pertanto, il suo circuito equivalente è un circuito in serie composto da un induttore L e un resistore R, sia L che R sono funzioni di frequenza. Quando il filo passa attraverso questo nucleo di ferrite, l'impedenza induttiva formata aumenta di forma all'aumentare della frequenza, ma il meccanismo è completamente diverso a frequenze diverse.
Nella banda a bassa frequenza, l'impedenza è composta dalla reattanza induttiva dell'induttanza. Alle basse frequenze, R è molto piccolo e la permeabilità magnetica del nucleo magnetico è elevata, quindi l'induttanza è grande e L gioca un ruolo importante e l'interferenza elettromagnetica viene riflessa e soppressa; e in questo momento il magnetico La perdita del nucleo è piccola e l'intero dispositivo è un induttore con basse perdite e caratteristiche Q elevate. Questo induttore è facile da causare risonanza. Pertanto, nella banda a bassa frequenza, a volte può verificarsi un fenomeno di maggiore interferenza dopo l'utilizzo di perline di ferrite.
Nella banda ad alta frequenza, l'impedenza è composta da componenti di resistenza. All'aumentare della frequenza, la permeabilità magnetica del nucleo magnetico diminuisce, determinando una diminuzione dell'induttanza dell'induttore e una diminuzione della componente di reattanza induttiva. Tuttavia, in questo momento, la perdita del nucleo magnetico aumenta e aumenta la componente di resistenza. , portando ad un aumento dell'impedenza totale, quando il segnale ad alta frequenza passa attraverso la ferrite, l'interferenza elettromagnetica viene assorbita e dissipata sotto forma di energia termica.
I componenti di soppressione della ferrite sono ampiamente utilizzati su circuiti stampati, linee elettriche e linee dati. Se si aggiunge un elemento di soppressione della ferrite all'estremità di ingresso della linea di alimentazione della scheda stampata, è possibile filtrare le interferenze ad alta frequenza. Gli anelli magnetici in ferrite o le sfere magnetiche vengono utilizzati appositamente per sopprimere le interferenze ad alta frequenza e le interferenze dei picchi sulle linee di segnale e sulle linee elettriche. Ha anche la capacità di assorbire l'interferenza dell'impulso di scarica elettrostatica.
2. Il principio e le caratteristiche delle sfere magnetiche Quando la corrente scorre attraverso il filo nel suo foro centrale, sarà una traccia magnetica che circola all'interno della sfera magnetica. Le ferriti per il controllo EMI dovrebbero essere formulate in modo tale che la maggior parte del flusso magnetico venga dissipata sotto forma di calore nel materiale. Questo fenomeno può essere modellato da una combinazione in serie di un induttore e un resistore. come mostrato nella figura 2
Il valore numerico delle due componenti è proporzionale alla lunghezza del cordone magnetico e la lunghezza del cordone magnetico ha un impatto significativo sull'effetto di soppressione. Maggiore è la lunghezza del cordone magnetico, migliore è l'effetto di soppressione. Poiché l'energia del segnale è accoppiata magneticamente al cordone magnetico, la reattanza e la resistenza dell'induttore aumentano con l'aumentare della frequenza. L'efficienza dell'accoppiamento magnetico dipende dalla permeabilità magnetica del materiale del cordone rispetto all'aria. Solitamente la perdita del materiale di ferrite che costituisce la perla può essere espressa come una quantità complessa attraverso la sua permeabilità relativa all'aria.
I materiali magnetici usano spesso questo rapporto per caratterizzare l'angolo di perdita. È richiesto un ampio angolo di perdita per i componenti di soppressione EMI, il che significa che la maggior parte dell'interferenza verrà dissipata e non riflessa. L'ampia varietà di materiali di ferrite disponibili oggi offre ai progettisti un'ampia gamma di opzioni per l'utilizzo di sfere di ferrite in diverse applicazioni.
3 Applicazione di sfere magnetiche
3.1 Soppressore di picchi
Il più grande svantaggio dell'alimentazione a commutazione è che è facile generare rumore e interferenze, che è un problema tecnico chiave che ha afflitto l'alimentazione a commutazione per lungo tempo. Il rumore dell'alimentatore a commutazione è causato principalmente dalla commutazione ad alta tensione in rapida evoluzione e dalla corrente di cortocircuito degli impulsi del tubo di alimentazione a commutazione e del diodo raddrizzatore di commutazione. Pertanto, l'utilizzo di componenti efficaci per limitarli al minimo è uno dei metodi principali per sopprimere il rumore. L'induttanza satura non lineare viene solitamente utilizzata per sopprimere il picco di corrente di recupero inverso, in questo momento lo stato di funzionamento del nucleo di ferro va da -Bs a più Bs. In base alla coerenza dell'elevata permeabilità magnetica e delle sfere magnetiche dell'elemento di induttanza ultra-piccola saturabili sul diodo a ruota libera dell'alimentatore a commutazione, è stato sviluppato un soppressore di picchi utilizzato per sopprimere la corrente di picco generata quando l'alimentatore a commutazione viene commutato.
Caratteristiche prestazionali dei soppressori di picchi
(1) I valori di induttanza iniziale e massima sono molto elevati e la non linearità del valore di induttanza residua dopo la saturazione è estremamente evidente. Dopo essere stato collegato in serie al circuito, la corrente aumenta e mostra istantaneamente un'alta impedenza, che può essere utilizzata come un cosiddetto elemento di impedenza istantanea.
(2) È adatto per prevenire il segnale di picco della corrente transitoria nel circuito del semiconduttore, nel circuito di eccitazione dell'impatto e nel rumore associato e può anche impedire il danneggiamento del semiconduttore.
(3) L'induttanza residua è estremamente piccola e la perdita è molto piccola quando il circuito è stabile.
(4) È completamente diverso dalle prestazioni dei prodotti in ferrite.
(5) Finché si evita la saturazione magnetica, può essere utilizzato come elemento di induttanza ultra piccolo e ad alta induttanza.
(6) Può essere utilizzato come nucleo di ferro saturabile ad alte prestazioni con basse perdite per controllare e generare oscillazioni.
Il soppressore di picchi richiede che il materiale del nucleo di ferro abbia una maggiore permeabilità magnetica per ottenere un'induttanza maggiore; l'alto rapporto quadrato può saturare il nucleo di ferro e l'induttanza dovrebbe scendere rapidamente a zero; la forza coercitiva è piccola e la perdita ad alta frequenza è bassa, altrimenti il nucleo non funzionerà correttamente a causa della dissipazione del calore.
Lo scopo del soppressore di picco è principalmente quello di ridurre il segnale di picco corrente; ridurre il rumore causato dal segnale di picco corrente; prevenire il danneggiamento del transistor di commutazione; ridurre la perdita di commutazione del transistor di commutazione; compensare le caratteristiche di recupero del diodo; prevenire l'eccitazione di shock della corrente di impulso ad alta frequenza. Utilizzare come filtro di linea ultra-piccolo, ecc.
3.2 Applicazione nel filtro a) Risultato del test senza biglie magnetiche b) Risultato del test con biglie magnetiche c) Risultato del test con linea L e biglie magnetiche d) Risultato del test con linea N e biglie magnetiche
I filtri ordinari sono composti da componenti reattivi senza perdite. La sua funzione nel circuito è quella di riflettere la frequenza della banda di arresto verso la sorgente del segnale, quindi questo tipo di filtro è anche chiamato filtro di riflessione. Quando il filtro di riflessione non corrisponde all'impedenza della sorgente del segnale, parte dell'energia verrà riflessa verso la sorgente del segnale, determinando un aumento del livello di interferenza. Per risolvere questo svantaggio, è possibile utilizzare un anello magnetico in ferrite o un manicotto magnetico sulla linea di ingresso del filtro e la perdita di correnti parassite del segnale ad alta frequenza da parte dell'anello di ferrite o del tallone magnetico può essere utilizzata per convertire l'alta -componente di frequenza nella perdita di calore. Pertanto, l'anello magnetico e le sfere magnetiche assorbono effettivamente componenti ad alta frequenza, quindi a volte vengono chiamati filtri di assorbimento.
Diversi componenti di soppressione della ferrite hanno diversi intervalli di frequenza di soppressione ottimale. In generale, maggiore è la permeabilità, minore è la frequenza soppressa. Inoltre, maggiore è il volume della ferrite, migliore è l'effetto di soppressione. Quando il volume è costante, la forma lunga e sottile ha un migliore effetto di soppressione rispetto a quella corta e spessa, e minore è il diametro interno, migliore è l'effetto di soppressione. Tuttavia, nel caso di corrente di polarizzazione CC o CA, esiste ancora il problema della saturazione della ferrite. Maggiore è la sezione trasversale dell'elemento di soppressione, minore è la probabilità che venga saturato e maggiore è la corrente di polarizzazione che può sopportare.
Sulla base dei principi e delle caratteristiche di cui sopra delle sfere magnetiche, viene applicato al filtro dell'alimentatore switching e l'effetto è evidente. Dai risultati del test si può vedere che l'applicazione delle sfere magnetiche è significativamente diversa. Si può vedere dai risultati sperimentali che a causa dell'influenza del circuito di alimentazione a commutazione, della disposizione strutturale e della potenza, a volte ha un buon effetto di soppressione sull'interferenza di modo differenziale, a volte ha un buon effetto di soppressione sull'interferenza di modo comune e talvolta non può sopprimere le interferenze Al contrario, aumenterà l'interferenza del rumore.
Quando l'anello/sfera magnetica assorbente EMI sopprime l'interferenza di modo differenziale, il valore di corrente che lo attraversa è proporzionale al suo volume e lo squilibrio tra i due provoca la saturazione, che riduce le prestazioni del componente; quando si sopprimono le interferenze di modo comune, collegare i due fili (positivo e negativo) dell'alimentatore Passare contemporaneamente attraverso un anello magnetico, il segnale effettivo è un segnale di modo differenziale e l'anello magnetico di assorbimento EMI/sfera magnetica non ha alcun effetto su di esso, ma mostrerà una grande induttanza per il segnale di modo comune. Un altro metodo migliore nell'uso dell'anello magnetico è quello di far avvolgere ripetutamente più volte il filo che passa attraverso l'anello magnetico per aumentare l'induttanza. Secondo il suo principio di soppressione delle interferenze elettromagnetiche, il suo effetto di soppressione può essere ragionevolmente utilizzato.
I componenti di soppressione in ferrite devono essere installati vicino alla fonte di interferenza. Per il circuito di ingresso/uscita, dovrebbe essere il più vicino possibile all'ingresso e all'uscita della custodia di schermatura. Per il filtro di assorbimento composto da anello magnetico in ferrite e sfere magnetiche, oltre a scegliere materiali con perdita con elevata permeabilità magnetica, occorre prestare attenzione anche alle occasioni di applicazione. La loro resistenza ai componenti ad alta frequenza nella linea va da dieci a centinaia di Ω, quindi il suo ruolo nei circuiti ad alta impedenza non è ovvio. Al contrario, nei circuiti a bassa impedenza (come i circuiti di distribuzione dell'energia, di alimentazione o in radiofrequenza) l'uso sarà molto efficace.
