Застосування магнітних кульок у дизайні електромагнітної сумісності імпульсних джерел живлення
У цьому документі представлено характеристики феритової кульки та, відповідно до її характеристик, аналізовано та представлено її важливе застосування в дизайні електромагнітної сумісності імпульсного джерела живлення, а також наведено експериментальні результати та результати випробувань у фільтрі лінії живлення.
Електромагнітна сумісність (EMC) стала гострою та складною проблемою в сучасному електронному проектуванні та виробництві. Проблема ЕМС у практичному застосуванні дуже складна, і її неможливо вирішити, спираючись на теоретичні знання. Це більше залежить від практичного досвіду інженерів-електронників. Для того, щоб краще вирішити проблему електромагнітної сумісності електронних виробів, необхідно розглянути такі питання, як заземлення, конструкція схеми та друкованої плати, конструкція кабелю та конструкція екранування.
У цьому документі представлені основні принципи та характеристики магнітних кульок, щоб проілюструвати їх важливість для електромагнітної сумісності імпульсних джерел живлення, щоб надати розробникам імпульсних джерел живлення більший і кращий вибір при розробці нових продуктів.
1 Феритові компоненти для придушення електромагнітних перешкод
Ферит — феримагнітний матеріал із структурою кубічної гратки. Його виробничий процес і механічні властивості подібні до кераміки, а колір сіро-чорний. Одним із типів магнітних сердечників, які часто використовуються у фільтрах електромагнітних перешкод, є феритовий матеріал, і багато виробників надають феритові матеріали, які спеціально використовуються для придушення електромагнітних перешкод. Для цього матеріалу характерні дуже великі високочастотні втрати. Для фериту, який використовується для придушення електромагнітних перешкод, найважливішими робочими параметрами є магнітна проникність μ і щільність магнітного потоку насичення Bs. Магнітна проникність μ може бути виражена комплексним числом, дійсна частина становить індуктивність, а уявна частина являє собою втрати, які збільшуються зі збільшенням частоти. Таким чином, його еквівалентна схема є послідовною ланцюгом, що складається з індуктивності L і резистора R, обидва L і R є функціями частоти. Коли дріт проходить через цей феритовий сердечник, утворений індуктивний опір збільшується у формі зі збільшенням частоти, але механізм абсолютно інший на різних частотах.
У діапазоні низьких частот імпеданс складається з індуктивного опору котушки індуктивності. На низьких частотах R дуже малий, а магнітна проникність магнітного сердечника висока, тому індуктивність велика, і L відіграє головну роль, а електромагнітні перешкоди відбиваються та пригнічуються; і в цей час втрати магнітного сердечника невеликі, і весь пристрій є індуктором з низькими втратами та високою добротністю.
У високочастотному діапазоні імпеданс складається зі складових опору. Зі збільшенням частоти магнітна проникність магнітопроводу зменшується, що призводить до зменшення індуктивності котушки індуктивності та зменшення індуктивної складової опору. Однак у цей час втрати магнітопровода збільшуються і компонент опору зростає, що призводить до збільшення загального імпедансу. Коли високочастотний сигнал проходить через ферит, електромагнітні перешкоди поглинаються та розсіюються у вигляді теплової енергії.
Компоненти захисту від фериту широко використовуються на друкованих платах, лініях електропередачі та лініях передачі даних. Якщо до вхідного кінця лінії живлення друкованої плати додати феритовий елемент придушення, можна відфільтрувати високочастотні перешкоди. Феритові магнітні кільця або магнітні кульки спеціально використовуються для придушення високочастотних перешкод і перешкод на сигнальних лініях і лініях електропередачі. Він також має здатність поглинати імпульсні перешкоди електростатичного розряду.
2. Принцип і характеристики магнітних кульок Коли струм протікає через дріт у його центральному отворі, це буде магнітна доріжка, яка циркулює всередині магнітної кульки. Ферити для контролю електромагнітних перешкод повинні складатися так, щоб більша частина магнітного потоку розсіювалася у вигляді тепла в матеріалі. Це явище можна змоделювати послідовним поєднанням котушки індуктивності та резистора. як показано на малюнку 2
Числове значення двох компонентів пропорційне довжині магнітної кульки, а довжина магнітної кульки має значний вплив на ефект придушення. Чим довша довжина магнітної кульки, тим кращий ефект придушення. Оскільки енергія сигналу магнітно пов’язана з магнітною кулькою, реактивний опір і опір котушки індуктивності збільшуються зі збільшенням частоти. Ефективність магнітного зв'язку залежить від магнітної проникності матеріалу кульки відносно повітря. Зазвичай втрати феритового матеріалу, з якого складається кулька, можна виразити як комплексну величину через його проникність відносно повітря.
Магнітні матеріали часто використовують це співвідношення для характеристики кута втрат. Для компонентів придушення електромагнітних перешкод потрібен великий кут втрат, що означає, що більша частина перешкод буде розсіяна, а не відображена. Велика різноманітність феритових матеріалів, доступних сьогодні, надає дизайнерам широкий вибір варіантів використання феритових кульок у різних сферах застосування.
3 Аплікація магнітних намистин
3.1 Гасник шипів
Найбільшим недоліком імпульсних джерел живлення є те, що вони легко створюють шум і перешкоди, що є ключовою технічною проблемою, яка мучила імпульсні джерела живлення протягом тривалого часу. Шум імпульсного джерела живлення в основному спричинений швидкозмінним перемиканням високої напруги та імпульсним струмом короткого замикання імпульсної силової трубки та комутаційного випрямного діода. Тому використання ефективних компонентів для їх мінімального обмеження є одним із основних методів придушення шуму. Нелінійна насичена індуктивність зазвичай використовується для придушення піку струму зворотного відновлення, у цей час робочий стан залізного сердечника становить від -Bs до плюс Bs. Відповідно до узгодженості високої магнітної проникності та надмалої індуктивності, що насичується, магнітних кульок на вільному діоді імпульсного джерела живлення розроблено придушник спайків, який використовується для придушення пікового струму, що генерується під час перемикання імпульсного джерела живлення.
Експлуатаційні характеристики придушувачів спайків
(1) Початкове та максимальне значення індуктивності дуже високі, а нелінійність значення залишкової індуктивності після насичення вкрай неочевидна. Після послідовного підключення до ланцюга струм зростає та миттєво демонструє високий імпеданс, який можна використовувати як так званий елемент миттєвого опору.
(2) Він підходить для запобігання перехідному піковому сигналу струму в ланцюзі напівпровідника, ланцюгу збудження удару та супутнього шуму, а також може запобігти пошкодженню напівпровідника.
(3) Залишкова індуктивність надзвичайно мала, а втрати дуже малі, коли ланцюг стабільний.
(4) Це повністю відрізняється від продуктивності феритових виробів.
(5) Якщо уникнути магнітного насичення, його можна використовувати як надмалий елемент індуктивності з високою індуктивністю.
(6) Його можна використовувати як високоефективне насичене залізне ядро з низькими втратами для контролю та генерування коливань.
Пригнічувач спалахів вимагає, щоб матеріал залізного сердечника мав вищу магнітну проникність для отримання більшої індуктивності; коли високий квадратний коефіцієнт може наситити залізний сердечник, індуктивність повинна швидко впасти до нуля; коерцитивна сила мала, а втрати високої частоти низькі, інакше розсіювання тепла залізного сердечника не працюватиме нормально.
Метою придушника спайків є в основному зменшення поточного пікового сигналу; зменшити шум, викликаний поточним піковим сигналом; запобігти пошкодженню перемикаючого транзистора; зменшити втрати на перемикання перемикаючого транзистора; компенсувати характеристики відновлення діода; запобігання ударного збудження високочастотного імпульсного струму. Використовуйте як надмалий лінійний фільтр тощо.
3.2 Застосування у фільтрі a) Результат випробування без магнітних кульок b) Результат випробування з магнітними кульками c) Результат випробування з L-лінією та магнітними кульками d) Результат випробування з N-лінією та магнітними кульками
Звичайні фільтри складаються з реактивних компонентів без втрат. Його функція в схемі полягає у відображенні частоти смуги зупинки назад до джерела сигналу, тому цей тип фільтра також називають фільтром відбиття. Якщо фільтр відбиття не відповідає повному опору джерела сигналу, частина енергії відбиватиметься назад до джерела сигналу, що призведе до підвищення рівня перешкод. Щоб усунути цей недолік, на вхідній лінії фільтра можна використовувати феритове магнітне кільце або магнітну кульку, а вихрові струми високочастотного сигналу феритовим кільцем або магнітною кулькою можна використовувати для перетворення високого -частотної складової у втрати тепла. Таким чином, магнітне кільце та магнітні кульки насправді поглинають високочастотні компоненти, тому їх іноді називають фільтрами поглинання.
Різні феритові компоненти придушення мають різні оптимальні діапазони частот придушення. Як правило, чим вища проникність, тим нижча частота придушення. Крім того, чим більший об'єм фериту, тим кращий ефект придушення. Коли об’єм постійний, довга та тонка форма має кращий ефект придушення, ніж коротка та товста, і чим менший внутрішній діаметр, тим кращий ефект придушення. Однак у випадку постійного або змінного струму зміщення все ще існує проблема насичення фериту. Чим більший поперечний переріз елемента придушення, тим менша ймовірність його насичення і тим більший струм зміщення він може витримати.
Виходячи з наведених вище принципів і характеристик магнітних кульок, він застосовується до фільтра імпульсного джерела живлення, і ефект очевидний. З результатів випробувань видно, що застосування магнітних кульок значно відрізняється. З експериментальних результатів видно, що через вплив схеми імпульсного джерела живлення, структурного розташування та потужності іноді він має хороший ефект придушення перешкод диференціального режиму, іноді він має хороший ефект придушення перешкод загального режиму, іноді це не має ефекту придушення перешкод, але збільшує шумові перешкоди.
Коли магнітне кільце/магнітна кулька, що поглинає ЕМП, пригнічує перешкоди диференціального режиму, значення струму, що проходить через нього, пропорційне його об’єму, а дисбаланс між ними викликає насичення, що знижує продуктивність компонента; при придушенні синфазних перешкод два дроти (позитивний і негативний) джерела живлення проходять через магнітне кільце одночасно, а ефективним сигналом є сигнал диференціального режиму. Інший кращий спосіб використання магнітного кільця полягає в тому, щоб дріт, що проходить через магнітне кільце, кілька разів намотувати для збільшення індуктивності. Відповідно до принципу придушення електромагнітних перешкод, його ефект придушення може бути розумно використаний.
Феритові компоненти придушення слід встановлювати поблизу джерела перешкод. Для вхідного/вихідного контуру він повинен бути якомога ближче до входу та виходу екрануючого корпусу. Для абсорбційного фільтра, що складається з феритового магнітного кільця та магнітних кульок, окрім вибору матеріалів із втратами з високою магнітною проникністю, слід також звернути увагу на випадки його застосування. Їх опір високочастотним компонентам в лінії становить від десяти до сотень Ом, тому його роль у високоімпедансних ланцюгах неочевидна. Навпаки, він буде дуже ефективним у ланцюгах з низьким опором (наприклад, ланцюгах розподілу електроенергії, джерела живлення або радіочастотних ланцюгах).
