Applicazione delle perle magnetiche nella progettazione EMC di alimentatori switching
Questo articolo presenta le caratteristiche del cordone di ferrite e, in base alle sue caratteristiche, analizza e introduce la sua importante applicazione nella progettazione EMC degli alimentatori a commutazione e fornisce i risultati sperimentali e di test nel filtro della linea di alimentazione.
La compatibilità elettromagnetica è diventata una questione scottante e difficile nella progettazione e produzione elettronica di oggi. Il problema della compatibilità elettromagnetica nell'applicazione pratica è molto complicato e non può essere risolto facendo affidamento sulla conoscenza teorica. Dipende più dall'esperienza pratica degli ingegneri elettronici. Per risolvere meglio il problema della compatibilità elettromagnetica dei prodotti elettronici, è necessario considerare questioni quali 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 illustrare la loro importanza nella compatibilità elettromagnetica 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 di soppressione EMI 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 di ferrite e molti produttori forniscono materiali di ferrite appositamente utilizzati per la soppressione delle 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 della frequenza. Quando il filo passa attraverso questo nucleo di ferrite, l'impedenza induttiva formata aumenta 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'induttore. 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, la perdita del nucleo magnetico è piccola e l'intero dispositivo è un induttore con caratteristiche di bassa perdita e Q elevato.
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 la componente di resistenza aumenta, con conseguente 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 in 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 le interferenze degli impulsi di scarica elettrostatica.
2. Il principio e le caratteristiche delle perle magnetiche Quando la corrente scorre attraverso il filo nel suo foro centrale, all'interno della perla magnetica circolerà una traccia magnetica. Le ferriti per il controllo EMI devono essere formulate in modo tale che la maggior parte del flusso magnetico venga dissipato sotto forma di calore nel materiale. Questo fenomeno può essere modellato mediante una combinazione in serie di un induttore e un resistore. come mostrato nella figura 2
Il valore numerico dei due componenti è proporzionale alla lunghezza della perla magnetica e la lunghezza della perla magnetica ha un impatto significativo sull'effetto di soppressione. Maggiore è la lunghezza della perla magnetica, migliore sarà l'effetto di soppressione. Poiché l'energia del segnale è accoppiata magneticamente alla sfera magnetica, la reattanza e la resistenza dell'induttore aumentano con l'aumento della frequenza. L'efficienza dell'accoppiamento magnetico dipende dalla permeabilità magnetica del materiale della perla rispetto all'aria. Solitamente la perdita del materiale ferritico che costituisce la perla può essere espressa come una quantità complessa attraverso la sua permeabilità rispetto all'aria.
I materiali magnetici utilizzano spesso questo rapporto per caratterizzare l'angolo di perdita. Per i componenti di soppressione EMI è richiesto un ampio angolo di perdita, il che significa che la maggior parte dell'interferenza verrà dissipata e non riflessa. L'ampia varietà di materiali di ferrite oggi disponibili offre ai progettisti un'ampia gamma di opzioni per l'utilizzo delle sfere di ferrite in diverse applicazioni.
3 Applicazione di perline magnetiche
3.1 Soppressore di picchi
Il più grande svantaggio degli alimentatori switching è che è facile generare rumore e interferenze, che è un problema tecnico chiave che affligge gli alimentatori switching da molto tempo. Il rumore dell'alimentatore switching è causato principalmente dalla commutazione ad alta tensione in rapida evoluzione e dalla corrente di cortocircuito a impulsi del tubo di alimentazione switching e del diodo raddrizzatore di commutazione. Pertanto, utilizzare componenti efficaci per limitarli al minimo è uno dei principali metodi di soppressione del 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 consistenza dell'elevata permeabilità magnetica e delle sfere magnetiche dell'elemento di induttanza ultra-piccolo saturabile sul diodo a ruota libera dell'alimentatore switching, viene sviluppato un soppressore di picchi utilizzato per sopprimere la corrente di picco generata quando l'alimentatore switching viene commutato.
Caratteristiche prestazionali dei soppressori di picco
(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 discreta. Dopo essere stata collegata in serie al circuito, la corrente aumenta e mostra istantaneamente un'elevata impedenza, che può essere utilizzata come cosiddetto elemento di impedenza istantanea.
(2) È adatto a prevenire il segnale di picco di corrente transitoria nel circuito a semiconduttore, il circuito di eccitazione d'urto e il rumore di accompagnamento 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 permeabilità magnetica più elevata per ottenere un'induttanza maggiore; quando l'elevato rapporto quadrato può saturare il nucleo di ferro, l'induttanza dovrebbe scendere rapidamente a zero; la forza coercitiva è piccola e la perdita ad alta frequenza è bassa, altrimenti la dissipazione del calore del nucleo di ferro non funzionerà normalmente.
Lo scopo del soppressore di picchi 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 di corrente impulsiva 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 stop 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, con conseguente aumento del livello di interferenza. Per risolvere questo svantaggio, è possibile utilizzare un anello magnetico di ferrite o un manicotto di perlina magnetica sulla linea di ingresso del filtro e la perdita di corrente parassita del segnale ad alta frequenza da parte dell'anello di ferrite o della perlina magnetica può essere utilizzata per convertire l'alto -componente di frequenza nella perdita di calore. Pertanto, l'anello magnetico e le sfere magnetiche assorbono effettivamente i componenti ad alta frequenza, per questo motivo vengono talvolta chiamati filtri di assorbimento.
Diversi componenti di soppressione in 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 effetto di soppressione migliore rispetto a quella corta e spessa e quanto più piccolo è il diametro interno, migliore è l'effetto di soppressione. Tuttavia, nel caso della corrente di polarizzazione CC o CA, sussiste 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 sopra indicati delle sfere magnetiche, viene applicato al filtro dell'alimentatore a commutazione e l'effetto è evidente. Dai risultati dei test si può vedere che l'applicazione delle sfere magnetiche è significativamente diversa. Dai risultati sperimentali si può vedere che, a causa dell'influenza del circuito di alimentazione a commutazione, del layout strutturale e della potenza, a volte ha un buon effetto di soppressione sulle interferenze di modo differenziale, a volte ha un buon effetto di soppressione sulle interferenze di modo comune, e talvolta non ha un effetto di soppressione delle interferenze ma aumenta l'interferenza del rumore.
Quando l'anello magnetico/perlina magnetica assorbente EMI sopprime le interferenze in modalità 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, i due fili (positivo e negativo) dell'alimentazione passano contemporaneamente attraverso un anello magnetico e il segnale efficace è un segnale di modalità differenziale. Un altro metodo migliore nell'uso dell'anello magnetico è quello di avvolgere ripetutamente il filo che passa attraverso l'anello magnetico più volte 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 della 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 schermante. Per il filtro di assorbimento composto da anello magnetico in ferrite e sfere magnetiche, oltre a scegliere materiali con perdite con elevata permeabilità magnetica, è necessario prestare attenzione anche alle occasioni di applicazione. La loro resistenza ai componenti ad alta frequenza nella linea è di circa dieci o centinaia di Ω, quindi il suo ruolo nei circuiti ad alta impedenza non è ovvio. Al contrario, sarà molto efficace nei circuiti a bassa impedenza (come i circuiti di distribuzione dell'energia, di alimentazione o a radiofrequenza).
