Приложение на магнитни мъниста в EMC проектиране на импулсно захранване
Тази статия въвежда характеристиките на феритните зърна и според техните характеристики анализира и въвежда важното им приложение в дизайна на електромагнитната съвместимост на импулсно захранване и дава експериментални и тестови резултати във филтър за електропроводи.
EMC се превърна в горещ и труден проблем в днешния електронен дизайн и производство. Проблемът с EMC в практическото приложение е много сложен и не може да бъде решен чрез разчитане на теоретични знания. Зависи повече от практическия опит на електронните инженери. За да се реши по-добре проблемът с електромагнитната съвместимост на електронните продукти, е необходимо да се разгледат въпроси като заземяване, дизайн на вериги и печатни платки, дизайн на кабели и дизайн на екраниране.
Тази статия въвежда основните принципи и характеристики на магнитните перли, за да илюстрира значението им в импулсното захранване EMC, за да предостави на дизайнерите на импулсно захранване повече и по-добри възможности за избор при проектирането на нови продукти.
1 Феритни компоненти за потискане на EMI
Феритът е феримагнитен материал с кубична решетъчна структура. Процесът на производство и механичните му свойства са подобни на тези на керамиката, а цветът му е сиво-черен. Един вид магнитна сърцевина, често използвана в EMI филтри, е феритният материал и много производители предоставят феритни материали, използвани специално за потискане на EMI. Този материал се характеризира с много големи високочестотни загуби. За ферит, използван за потискане на електромагнитни смущения, най-важните работни параметри са магнитната проницаемост μ и плътността на магнитния поток на насищане Bs. Магнитната проницаемост μ може да се изрази като комплексно число, реалната част представлява индуктивността, а въображаемата част представлява загубата, която се увеличава с увеличаване на честотата. Следователно неговата еквивалентна верига е последователна верига, съставена от индуктор L и резистор R, като L и R са функции на честотата. Когато жицата преминава през това феритно ядро, образуваният индуктивен импеданс се увеличава с увеличаване на честотата, но механизмът е напълно различен при различните честоти.
В нискочестотната лента импедансът се състои от индуктивното съпротивление на индуктора. При ниски честоти R е много малък и магнитната пропускливост на магнитната сърцевина е висока, така че индуктивността е голяма и L играе основна роля и електромагнитните смущения се отразяват и потискат; и по това време загубата на магнитната сърцевина е малка и цялото устройство е индуктор с ниски загуби и високи Q характеристики.
Във високочестотната лента импедансът се състои от съпротивителни компоненти. С увеличаването на честотата магнитната проницаемост на магнитната сърцевина намалява, което води до намаляване на индуктивността на индуктора и намаляване на компонента на индуктивното съпротивление. По това време обаче загубата на магнитната сърцевина се увеличава и съпротивителният компонент се увеличава, което води до увеличаване на общия импеданс. Когато високочестотният сигнал преминава през ферита, електромагнитните смущения се абсорбират и разсейват под формата на топлинна енергия.
Компонентите за потискане на феритите се използват широко в печатни платки, електропроводи и линии за данни. Ако се добави елемент за потискане на ферите към входния край на захранващата линия на печатната платка, високочестотните смущения могат да бъдат филтрирани. Феритни магнитни пръстени или магнитни перли се използват специално за потискане на високочестотни смущения и пикови смущения по сигнални линии и електропроводи. Освен това има способността да абсорбира импулсни смущения от електростатичен разряд.
2. Принципът и характеристиките на магнитните перли Когато токът тече през жицата в централния отвор, това ще бъде магнитна пътека, която циркулира вътре в магнитната перла. Феритите за контрол на EMI трябва да бъдат формулирани така, че по-голямата част от магнитния поток да се разсейва като топлина в материала. Това явление може да се моделира чрез последователна комбинация от индуктор и резистор. както е показано на снимка 2
Числената стойност на двата компонента е пропорционална на дължината на магнитното зърно, а дължината на магнитното зърно има значително влияние върху ефекта на потискане. Колкото по-голяма е дължината на магнитното зърно, толкова по-добър е ефектът на потискане. Тъй като енергията на сигнала е магнитно свързана с магнитното зърно, реактивното съпротивление и съпротивлението на индуктора се увеличават с увеличаването на честотата. Ефективността на магнитното свързване зависи от магнитната пропускливост на материала на зърната спрямо въздуха. Обикновено загубата на феритния материал, който изгражда зърното, може да се изрази като комплексно количество чрез неговата пропускливост спрямо въздуха.
Магнитните материали често използват това съотношение, за да характеризират ъгъла на загуба. За компонентите за потискане на EMI е необходим голям ъгъл на загуба, което означава, че по-голямата част от смущенията ще бъдат разсеяни и няма да бъдат отразени. Голямото разнообразие от налични днес феритни материали предоставя на дизайнерите широка гама от възможности за използване на феритни перли в различни приложения.
3 Приложение на магнитни мъниста
3.1 Супресор на шипове
Най-големият недостатък на импулсното захранване е, че е лесно да се генерират шум и смущения, което е ключов технически проблем, който тормози импулсното захранване от дълго време. Шумът на импулсното захранване се причинява главно от бързо променящото се превключване на високо напрежение и импулсен ток на късо съединение на импулсната захранваща тръба и превключващия изправителен диод. Следователно използването на ефективни компоненти за ограничаването им до минимум е един от основните методи за потискане на шума. Нелинейната наситена индуктивност обикновено се използва за потискане на пика на обратния ток на възстановяване, в този момент работното състояние на желязното ядро е от -Bs до плюс Bs. Съгласно консистенцията на високата магнитна пропускливост и ултра-малка индуктивност на елемента-магнитни зърна с възможност за насищане върху диода със свободен ход на импулсното захранване, е разработен супресор на пикове, използван за потискане на пиковия ток, генериран при превключване на импулсното захранване.
Експлоатационни характеристики на спирачните супресори
(1) Началните и максималните стойности на индуктивност са много високи и нелинейността на стойността на остатъчната индуктивност след насищане е изключително неочевидна. След като бъде свързан последователно към веригата, токът се повишава и моментално показва висок импеданс, който може да се използва като така наречения моментен импедансен елемент.
(2) Подходящ е за предотвратяване на пиковия сигнал на преходния ток в полупроводниковата верига, веригата за възбуждане на удара и съпътстващия шум, а също така може да предотврати повреда на полупроводника.
(3) Остатъчната индуктивност е изключително малка и загубата е много малка, когато веригата е стабилна.
(4) Това е напълно различно от представянето на феритни продукти.
(5) Докато се избягва магнитното насищане, той може да се използва като свръхмалък индуктивен елемент с висока индуктивност.
(6) Може да се използва като високопроизводителна наситена желязна сърцевина с ниски загуби за контрол и генериране на трептене.
Потискащият пиковете изисква материалът на желязната сърцевина да има по-висока магнитна пропускливост, за да се получи по-голяма индуктивност; когато високото квадратно съотношение може да насити желязното ядро, индуктивността трябва бързо да падне до нула; коерцитивната сила е малка и загубата на висока честота е ниска, в противен случай разсейването на топлината на желязното ядро няма да работи нормално.
Целта на потискащия пиковете е главно да намали текущия пиков сигнал; намаляване на шума, причинен от текущия пиков сигнал; предотвратяване на повреда на превключващия транзистор; намаляване на загубата при превключване на превключващия транзистор; компенсират характеристиките на възстановяване на диода; предотвратяване на шоково възбуждане от високочестотен импулсен ток. Използвайте като ултра-малък мрежов филтър и др.
3.2 Приложение във филтър a) Резултат от тест без магнитни перли b) Резултат от тест с магнитни перли c) Резултат от тест с L линия и магнитни перли d) Резултат от тест с N линия и магнитни перли
Обикновените филтри са съставени от реактивни компоненти без загуби. Неговата функция във веригата е да отразява честотата на лентата на спиране обратно към източника на сигнала, така че този тип филтър се нарича още филтър за отразяване. Когато филтърът за отразяване не съответства на импеданса на източника на сигнал, част от енергията ще се отрази обратно към източника на сигнал, което води до увеличаване на нивото на смущение. За да се реши този недостатък, феритният магнитен пръстен или магнитната втулка на перлата могат да се използват на входящата линия на филтъра и загубата на вихров ток на високочестотния сигнал от феритния пръстен или магнитната втулка може да се използва за преобразуване на високия -честотен компонент в топлинни загуби. Следователно магнитният пръстен и магнитните перли всъщност абсорбират високочестотни компоненти, така че понякога се наричат абсорбционни филтри.
Различните феритни потискащи компоненти имат различни оптимални честотни диапазони на потискане. Обикновено, колкото по-висока е пропускливостта, толкова по-ниска е потисканата честота. В допълнение, колкото по-голям е обемът на ферита, толкова по-добър е ефектът на потискане. Когато обемът е постоянен, дългата и тънка форма има по-добър ефект на потискане от късата и дебела и колкото по-малък е вътрешният диаметър, толкова по-добър е ефектът на потискане. Въпреки това, в случай на постоянен или променлив ток на отклонение, все още съществува проблемът с феритното насищане. Колкото по-голямо е напречното сечение на елемента за потискане, толкова по-малка е вероятността той да бъде наситен и толкова по-голям е токът на отклонение, който може да издържи.
Въз основа на горните принципи и характеристики на магнитните перли, той се прилага към филтъра на импулсното захранване и ефектът е очевиден. От резултатите от теста може да се види, че приложението на магнитните перли е значително различно. Може да се види от експерименталните резултати, че поради влиянието на веригата на импулсното захранване, структурното оформление и мощността, понякога има добър ефект на потискане на смущенията в диференциалния режим, понякога има добър ефект на потискане на смущенията в общ режим, и понякога няма ефект на потискане на смущенията, но увеличава шумовите смущения.
Когато абсорбиращият EMI магнитен пръстен/магнитна перла потиска смущенията в диференциален режим, текущата стойност, преминаваща през него, е пропорционална на обема му и дисбалансът между двете причинява насищане, което намалява производителността на компонента; при потискане на смущенията в общ режим, двата проводника (положителен и отрицателен) на захранването преминават през магнитен пръстен едновременно и ефективният сигнал е сигнал в диференциален режим. Друг по-добър метод при използването на магнитния пръстен е проводникът, преминаващ през магнитния пръстен, да се навива многократно няколко пъти, за да се увеличи индуктивността. Съгласно неговия принцип на потискане на електромагнитни смущения, неговият ефект на потискане може да се използва разумно.
Компонентите за потискане на феритите трябва да се инсталират близо до източника на смущения. За входно-изходната верига тя трябва да е възможно най-близо до входа и изхода на екраниращия корпус. За абсорбционния филтър, съставен от феритен магнитен пръстен и магнитни перли, в допълнение към избора на материали със загуби с висока магнитна пропускливост, трябва да се обърне внимание и на случаите на неговото приложение. Тяхното съпротивление срещу високочестотни компоненти в линията е около десет до стотици Ω, така че ролята му във вериги с висок импеданс не е очевидна. Напротив, той ще бъде много ефективен във вериги с нисък импеданс (като разпределителни, захранващи или радиочестотни вериги).
