Toepassing van magnetische kralen in EMC-ontwerp van schakelende voeding
Dit artikel introduceert de kenmerken van ferrietkralen, en analyseert en introduceert, afhankelijk van de kenmerken ervan, de belangrijke toepassing ervan in het EMC-ontwerp van schakelende voedingen, en geeft de experimentele en testresultaten in stroomlijnfilters.
EMC is een actueel en lastig onderwerp geworden in het hedendaagse elektronische ontwerp en de fabricage. Het EMC-probleem in de praktijk is erg ingewikkeld en kan niet worden opgelost door te vertrouwen op theoretische kennis. Het hangt meer af van de praktische ervaring van elektronische ingenieurs. Om het EMC-probleem van elektronische producten beter op te lossen, is het noodzakelijk om rekening te houden met zaken als aarding, circuit- en printplaatontwerp, kabelontwerp en afschermingsontwerp.
Dit artikel introduceert de basisprincipes en kenmerken van magnetische kralen om het belang ervan in de EMC van schakelende voedingen te illustreren, om productontwerpers van schakelende voedingen meer en betere keuzes te bieden bij het ontwerpen van nieuwe producten.
1 Ferriet EMI-onderdrukkingscomponenten
Ferriet is een ferrimagnetisch materiaal met een kubieke roosterstructuur. Het productieproces en de mechanische eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van keramiek, en de kleur is grijszwart. Een type magnetische kern dat vaak in EMI-filters wordt gebruikt, is ferrietmateriaal, en veel fabrikanten leveren ferrietmaterialen die speciaal worden gebruikt voor EMI-onderdrukking. Dit materiaal wordt gekenmerkt door zeer grote hoogfrequente verliezen. Voor ferriet dat wordt gebruikt om elektromagnetische interferentie te onderdrukken, zijn de belangrijkste prestatieparameters de magnetische permeabiliteit μ en de verzadigingsmagnetische fluxdichtheid Bs. De magnetische permeabiliteit μ kan worden uitgedrukt als een complex getal, het reële deel vormt de inductantie en het imaginaire deel vertegenwoordigt het verlies, dat toeneemt met de toename van de frequentie. Daarom is het equivalente circuit een serieschakeling bestaande uit een inductor L en een weerstand R, zowel L als R zijn frequentiefuncties. Wanneer de draad door deze ferrietkern gaat, neemt de gevormde inductieve impedantie toe naarmate de frequentie toeneemt, maar het mechanisme is compleet anders bij verschillende frequenties.
In de lage frequentieband bestaat de impedantie uit de inductieve reactantie van de inductor. Bij lage frequenties is R erg klein en is de magnetische permeabiliteit van de magnetische kern hoog, dus de inductantie is groot en L speelt een belangrijke rol, en de elektromagnetische interferentie wordt gereflecteerd en onderdrukt; en op dit moment is het verlies van de magnetische kern klein en is het hele apparaat een inductor met laag verlies en hoge Q-karakteristieken.
In de hoogfrequente band bestaat de impedantie uit weerstandscomponenten. Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de magnetische permeabiliteit van de magnetische kern af, wat resulteert in een afname van de inductie van de inductor en een afname van de inductieve reactantiecomponent. Op dit moment neemt echter het verlies van de magnetische kern toe en neemt de weerstandscomponent toe, wat resulteert in een toename van de totale impedantie. Wanneer het hoogfrequente signaal door het ferriet gaat, wordt de elektromagnetische interferentie geabsorbeerd en afgevoerd in de vorm van warmte-energie.
Ferrietonderdrukkingscomponenten worden veel gebruikt op printplaten, hoogspanningslijnen en datalijnen. Door een ferrietonderdrukkingselement aan het inlaatuiteinde van de voedingslijn van de printplaat toe te voegen, kunnen hoogfrequente storingen worden weggefilterd. Ferriet magnetische ringen of magnetische kralen worden speciaal gebruikt om hoogfrequente interferentie en piekinterferentie op signaallijnen en hoogspanningslijnen te onderdrukken. Het heeft ook het vermogen om elektrostatische ontladingspulsinterferentie te absorberen.
2. Het principe en de kenmerken van magnetische kralen Wanneer de stroom door de draad in het centrale gat vloeit, zal er een magnetisch spoor zijn dat in de magnetische kraal circuleert. Ferrieten voor EMI-beheersing moeten zo worden geformuleerd dat het grootste deel van de magnetische flux als warmte in het materiaal wordt gedissipeerd. Dit fenomeen kan worden gemodelleerd door een seriecombinatie van een inductor en een weerstand. zoals weergegeven in afbeelding 2
De numerieke waarde van de twee componenten is evenredig met de lengte van de magnetische kraal, en de lengte van de magnetische kraal heeft een aanzienlijke invloed op het onderdrukkingseffect. Hoe langer de lengte van de magnetische kraal, hoe beter het onderdrukkingseffect. Omdat de signaalenergie magnetisch is gekoppeld aan de magnetische kraal, nemen de reactantie en weerstand van de inductor toe met de toename van de frequentie. De efficiëntie van de magnetische koppeling hangt af van de magnetische permeabiliteit van het kraalmateriaal ten opzichte van lucht. Gewoonlijk kan het verlies van het ferrietmateriaal waaruit de kraal bestaat, worden uitgedrukt als een complexe grootheid door de permeabiliteit ervan ten opzichte van lucht.
Magnetische materialen gebruiken deze verhouding vaak om de verlieshoek te karakteriseren. Voor EMI-onderdrukkingscomponenten is een grote verlieshoek vereist, wat betekent dat de meeste interferentie wordt gedissipeerd en niet wordt gereflecteerd. De grote verscheidenheid aan ferrietmaterialen die tegenwoordig beschikbaar zijn, biedt ontwerpers een breed scala aan opties voor het gebruik van ferrietkralen in verschillende toepassingen.
3 Toepassing van magnetische kralen
3.1 Piekonderdrukker
Het grootste nadeel van schakelende voeding is dat er gemakkelijk ruis en interferentie ontstaat, wat een belangrijk technisch probleem is dat schakelende voeding al lange tijd teistert. Het geluid van de schakelende voeding wordt voornamelijk veroorzaakt door de snel veranderende hoogspanningsschakel- en pulskortsluitstroom van de schakelende vermogensbuis en de schakelende gelijkrichterdiode. Daarom is het gebruik van effectieve componenten om deze tot een minimum te beperken een van de belangrijkste methoden om ruis te onderdrukken. Niet-lineaire verzadigde inductie wordt meestal gebruikt om de omgekeerde herstelstroompiek te onderdrukken, op dit moment is de werktoestand van de ijzeren kern van -Bs tot plus Bs. Volgens de consistentie van de hoge magnetische permeabiliteit en de verzadigbare ultrakleine magnetische kralen van het inductie-element op de vrijloopdiode van de schakelende voeding, wordt een piekonderdrukker ontwikkeld die wordt gebruikt om de piekstroom te onderdrukken die wordt gegenereerd wanneer de schakelende voeding wordt geschakeld.
Prestatiekenmerken van piekonderdrukkers
(1) De initiële en maximale inductantiewaarden zijn zeer hoog, en de niet-lineariteit van de resterende inductantiewaarde na verzadiging is uiterst onduidelijk. Nadat de stroom in serie met het circuit is verbonden, stijgt de stroom en vertoont deze onmiddellijk een hoge impedantie, die kan worden gebruikt als een zogenaamd instantaan impedantie-element.
(2) Het is geschikt om het voorbijgaande stroompieksignaal in het halfgeleidercircuit, het impactexcitatiecircuit en de bijbehorende ruis te voorkomen, en het kan ook voorkomen dat de halfgeleider beschadigd raakt.
(3) De resterende inductantie is extreem klein en het verlies is erg klein als het circuit stabiel is.
(4) Het is compleet anders dan de prestaties van ferrietproducten.
(5) Zolang magnetische verzadiging wordt vermeden, kan het worden gebruikt als een ultraklein inductie-element met hoge inductie.
(6) Het kan worden gebruikt als een hoogwaardige verzadigbare ijzeren kern met weinig verliezen om oscillatie te controleren en te genereren.
De piekonderdrukker vereist dat het ijzeren kernmateriaal een hogere magnetische permeabiliteit heeft om een grotere inductie te verkrijgen; wanneer de hoge kwadratische verhouding de ijzeren kern kan verzadigen, zou de inductantie snel tot nul moeten dalen; de dwangkracht is klein en het hoogfrequente verlies is laag, anders zal de warmteafvoer van de ijzeren kern niet normaal werken.
Het doel van de piekonderdrukker is voornamelijk om het huidige pieksignaal te verminderen; verminder de ruis veroorzaakt door het huidige pieksignaal; voorkom schade aan de schakeltransistor; verminder het schakelverlies van de schakeltransistor; compenseer de herstelkarakteristieken van de diode; voorkomen hoogfrequente puls huidige schok excitatie. Te gebruiken als ultraklein lijnfilter enz.
3.2 Toepassing in filter a) Testresultaat zonder magneetkralen b) Testresultaat met magneetkralen c) Testresultaat met L-lijn en magneetkralen d) Testresultaat met N-lijn en magneetkralen
Gewone filters zijn samengesteld uit verliesvrije reactieve componenten. Zijn functie in het circuit is om de stopbandfrequentie terug te reflecteren naar de signaalbron, daarom wordt dit type filter ook wel een reflectiefilter genoemd. Wanneer het reflectiefilter niet overeenkomt met de impedantie van de signaalbron, zal een deel van de energie teruggekaatst worden naar de signaalbron, wat resulteert in een toename van het interferentieniveau. Om dit nadeel op te lossen, kan een magnetische ferrietring of magnetische kraalhuls worden gebruikt op de inkomende lijn van het filter, en kan het wervelstroomverlies van het hoogfrequente signaal door de ferrietring of magnetische kraal worden gebruikt om de hoge frequentie om te zetten. -frequentiecomponent in warmteverlies. Daarom absorberen de magnetische ring en magnetische kralen feitelijk hoogfrequente componenten, daarom worden ze soms absorptiefilters genoemd.
Verschillende ferrietonderdrukkingscomponenten hebben verschillende optimale onderdrukkingsfrequentiebereiken. Over het algemeen geldt dat hoe hoger de permeabiliteit, hoe lager de onderdrukte frequentie. Bovendien geldt: hoe groter het volume van het ferriet, hoe beter het onderdrukkingseffect. Wanneer het volume constant is, heeft de lange en dunne vorm een beter onderdrukkingseffect dan de korte en dikke, en hoe kleiner de binnendiameter, hoe beter het onderdrukkingseffect. In het geval van DC- of AC-voorstroom bestaat er echter nog steeds het probleem van ferrietverzadiging. Hoe groter de doorsnede van het onderdrukkingselement, hoe kleiner de kans dat het verzadigd raakt, en hoe groter de instelstroom die het kan weerstaan.
Gebaseerd op de bovenstaande principes en kenmerken van magnetische kralen, wordt het toegepast op het filter van de schakelende voeding en het effect is duidelijk. Uit de testresultaten blijkt dat de toepassing van magnetische kralen aanzienlijk anders is. Uit de experimentele resultaten blijkt dat het, vanwege de invloed van het schakelende voedingscircuit, de structurele lay-out en het vermogen, soms een goed onderdrukkend effect heeft op differentiële modusinterferentie, en soms een goed onderdrukkend effect heeft op common-mode-interferentie. en soms heeft het geen onderdrukkend effect op interferentie, maar verhoogt het de ruisinterferentie.
Wanneer de EMI-absorberende magnetische ring/magnetische kraal interferentie in de differentiële modus onderdrukt, is de stroomwaarde die er doorheen gaat evenredig met het volume ervan, en veroorzaakt de onbalans tussen de twee verzadiging, waardoor de prestaties van de component afnemen; bij het onderdrukken van common-mode-interferentie gaan de twee draden (positief en negatief) van de voeding tegelijkertijd door een magnetische ring en is het effectieve signaal een differentieel-modussignaal. Een andere betere methode bij het gebruik van de magnetische ring is om de draad die door de magnetische ring gaat herhaaldelijk meerdere keren te laten opwinden om de inductie te vergroten. Volgens het onderdrukkingsprincipe van elektromagnetische interferentie kan het onderdrukkingseffect redelijkerwijs worden gebruikt.
Componenten voor ferrietonderdrukking moeten dicht bij de storingsbron worden geïnstalleerd. Het ingangs-/uitgangscircuit moet zich zo dicht mogelijk bij de inlaat en uitlaat van de afscherming bevinden. Voor het absorptiefilter bestaande uit ferriet magnetische ringen en magnetische kralen moet, naast het kiezen van verliesgevende materialen met hoge magnetische permeabiliteit, ook aandacht worden besteed aan de toepassingsmogelijkheden ervan. Hun weerstand tegen hoogfrequente componenten in de lijn bedraagt ongeveer tien tot honderden Ω, dus de rol ervan in circuits met hoge impedantie is niet duidelijk. Integendeel, het zal zeer effectief zijn in circuits met lage impedantie (zoals stroomdistributie, stroomvoorziening of radiofrequentiecircuits).
