Uporaba magnetnih kroglic pri EMC načrtovanju stikalnega napajanja
Ta članek predstavlja značilnosti feritne kroglice in glede na njene značilnosti analizira in uvaja njeno pomembno uporabo pri načrtovanju elektromagnetne združljivosti stikalnega napajanja ter daje eksperimentalne in preskusne rezultate v filtru daljnovoda.
Elektromagnetna združljivost je postala vroča in težka tema v današnjem elektronskem oblikovanju in proizvodnji. Problem elektromagnetne združljivosti v praktični uporabi je zelo zapleten in ga ni mogoče rešiti z zanašanjem na teoretično znanje. Bolj je odvisno od praktičnih izkušenj elektronskih inženirjev. Da bi bolje rešili problem elektromagnetne združljivosti elektronskih izdelkov, je treba razmisliti o vprašanjih, kot so ozemljitev, zasnova vezja in tiskanega vezja, zasnova kabla in zasnova oklopa.
Ta članek predstavlja osnovna načela in značilnosti magnetnih kroglic za ponazoritev njihovega pomena pri stikalnem napajalniku EMC, da bi oblikovalcem stikalnih napajalnikov zagotovili več in boljše izbire pri načrtovanju novih izdelkov.
1 Feritne komponente za zatiranje EMI
Ferit je ferimagnetni material s kubično mrežno strukturo. Njen postopek izdelave in mehanske lastnosti so podobne keramiki, njena barva pa je sivo-črna. Ena vrsta magnetnega jedra, ki se pogosto uporablja v filtrih EMI, je feritni material in mnogi proizvajalci zagotavljajo feritne materiale, ki se uporabljajo posebej za zatiranje elektromagnetnih motenj. Za ta material so značilne zelo velike visokofrekvenčne izgube. Za ferit, ki se uporablja za zatiranje elektromagnetnih motenj, sta najpomembnejša parametra delovanja magnetna prepustnost μ in gostota magnetnega pretoka nasičenja Bs. Magnetno prepustnost μ lahko izrazimo kot kompleksno število, realni del predstavlja induktivnost, imaginarni del pa izgubo, ki narašča z naraščanjem frekvence. Zato je njegovo ekvivalentno vezje zaporedno vezje, sestavljeno iz induktorja L in upora R, pri čemer sta L in R funkciji frekvence. Ko gre žica skozi to feritno jedro, se oblikovana induktivna impedanca poveča z naraščanjem frekvence, vendar je mehanizem pri različnih frekvencah popolnoma drugačen.
V nizkofrekvenčnem pasu je impedanca sestavljena iz induktivne reaktanse induktorja. Pri nizkih frekvencah je R zelo majhen in magnetna prepustnost magnetnega jedra je visoka, zato je induktivnost velika in L igra pomembno vlogo, elektromagnetne motnje pa se odbijejo in zatrejo; in v tem času je izguba magnetnega jedra majhna, celotna naprava pa je induktor z nizko izgubo in visokimi karakteristikami Q.
V visokofrekvenčnem pasu je impedanca sestavljena iz komponent upora. Z naraščanjem frekvence se magnetna prepustnost magnetnega jedra zmanjša, kar povzroči zmanjšanje induktivnosti induktorja in zmanjšanje induktivne reaktančne komponente. Vendar se v tem času poveča izguba magnetnega jedra in komponenta upora poveča, kar povzroči povečanje skupne impedance. Ko visokofrekvenčni signal prehaja skozi ferit, se elektromagnetne motnje absorbirajo in razpršijo v obliki toplotne energije.
Komponente za zatiranje feritov se pogosto uporabljajo na tiskanih vezjih, daljnovodih in podatkovnih vodih. Če se na vhodni konec napajalnega voda tiskane plošče doda element za dušenje ferita, se lahko visokofrekvenčne motnje filtrirajo. Feritni magnetni obroči ali magnetne kroglice se uporabljajo posebej za zatiranje visokofrekvenčnih in koničnih motenj na signalnih in električnih vodih. Prav tako ima sposobnost absorbiranja motenj impulzov elektrostatične razelektritve.
2. Načelo in značilnosti magnetnih kroglic Ko tok teče skozi žico v njeni osrednji luknji, bo to magnetna sled, ki kroži znotraj magnetne kroglice. Feriti za nadzor elektromagnetnih motenj morajo biti oblikovani tako, da se večina magnetnega pretoka razprši kot toplota v materialu. Ta pojav je mogoče modelirati s serijsko kombinacijo induktorja in upora. kot je prikazano na sliki 2
Številčna vrednost obeh komponent je sorazmerna z dolžino magnetne kroglice, dolžina magnetne kroglice pa pomembno vpliva na učinek zatiranja. Daljša kot je dolžina magnetne kroglice, boljši je učinek zatiranja. Ker je energija signala magnetno povezana z magnetno kroglico, se reaktanca in upornost induktorja povečujeta s povečanjem frekvence. Učinkovitost magnetne sklopke je odvisna od magnetne prepustnosti materiala kroglice glede na zrak. Običajno se lahko izguba feritnega materiala, ki sestavlja kroglico, izrazi kot kompleksna količina preko njegove prepustnosti glede na zrak.
Magnetni materiali pogosto uporabljajo to razmerje za karakterizacijo izgubnega kota. Velik izgubni kot je potreben za komponente za zatiranje elektromagnetnih motenj, kar pomeni, da se bo večina motenj razpršila in ne odbila. Široka paleta feritnih materialov, ki so danes na voljo, ponuja oblikovalcem široko paleto možnosti za uporabo feritnih kroglic v različnih aplikacijah.
3 Uporaba magnetnih kroglic
3.1 Dušilec trnov
Največja slabost stikalnega napajalnika je enostavno ustvarjanje šuma in motenj, kar je ključni tehnični problem, ki že dolgo časa pesti stikalni napajalnik. Hrup stikalnega napajalnika je v glavnem posledica hitro spreminjajočega se visokonapetostnega preklapljanja in impulznega kratkostičnega toka stikalne napajalne cevi in stikalne usmerniške diode. Zato je uporaba učinkovitih komponent za njihovo čim manjšo omejitev eden glavnih načinov dušenja hrupa. Nelinearna nasičena induktivnost se običajno uporablja za zatiranje vrha povratnega obnovitvenega toka, v tem času je delovno stanje železnega jedra od -Bs do +Bs. V skladu z doslednostjo visoke magnetne prepustnosti in nasičenih ultra-majhnih elementov induktivnosti - magnetnih kroglic na prosti tekalni diodi stikalnega napajalnika je razvit zaviralec konic, ki se uporablja za zatiranje vršnega toka, ki nastane ob preklopu stikalnega napajalnika.
Značilnosti delovanja zaviralcev konic
(1) Začetne in največje vrednosti induktivnosti so zelo visoke, nelinearnost vrednosti preostale induktivnosti po nasičenju pa je izjemno neočitna. Po zaporedni povezavi v tokokrog se tok dvigne in takoj pokaže visoko impedanco, ki se lahko uporabi kot tako imenovani element trenutne impedance.
(2) Primeren je za preprečevanje vršnega signala prehodnega toka v polprevodniškem vezju, udarnem vzbujalnem vezju in spremljajočem šumu ter lahko tudi prepreči poškodbe polprevodnika.
(3) Preostala induktivnost je izjemno majhna in izguba je zelo majhna, ko je vezje stabilno.
(4) Je popolnoma drugačen od delovanja feritnih izdelkov.
(5) Dokler se izognete magnetni nasičenosti, se lahko uporablja kot ultra majhen induktivni element z visoko induktivnostjo.
(6) Lahko se uporablja kot visoko zmogljivo nasičeno železno jedro z nizko izgubo za nadzor in ustvarjanje nihanja.
Dušilec konic zahteva, da ima material železnega jedra večjo magnetno prepustnost, da se doseže večja induktivnost; ko lahko visoko kvadratno razmerje nasiči železno jedro, mora induktivnost hitro pasti na nič; prisilna sila je majhna in izguba visoke frekvence je majhna, sicer odvajanje toplote železnega jedra ne bo delovalo normalno.
Namen zaviralca konic je predvsem zmanjšanje trenutnega najvišjega signala; zmanjšajte šum, ki ga povzroča trenutni najvišji signal; preprečiti poškodbe preklopnega tranzistorja; zmanjšati preklopne izgube preklopnega tranzistorja; kompenzira obnovitvene značilnosti diode; preprečiti vzbujanje visokofrekvenčnega impulznega toka. Uporabite kot ultra majhen linijski filter itd.
3.2 Uporaba v filtru a) Rezultat preskusa brez magnetnih kroglic b) Rezultat preskusa z magnetnimi kroglicami c) Rezultat preskusa z linijo L in magnetnimi kroglicami d) Rezultat preskusa z linijo N in magnetnimi kroglicami
Navadni filtri so sestavljeni iz reaktivnih komponent brez izgub. Njegova funkcija v vezju je, da odbija frekvenco zavornega pasu nazaj na vir signala, zato se ta vrsta filtra imenuje tudi refleksijski filter. Ko se odbojni filter ne ujema z impedanco vira signala, se bo del energije odbil nazaj v vir signala, kar bo povzročilo povečanje ravni motenj. Da bi odpravili to pomanjkljivost, lahko na vhodni liniji filtra uporabite feritni magnetni obroč ali tulec z magnetno kroglico, izgubo visokofrekvenčnega signala s feritnim obročem ali magnetno kroglico pa lahko uporabite za pretvorbo visokega -frekvenčne komponente v toplotne izgube. Zato magnetni obroč in magnetne kroglice dejansko absorbirajo visokofrekvenčne komponente, zato jih včasih imenujemo absorpcijski filtri.
Različne komponente za dušenje ferita imajo različna optimalna frekvenčna območja za dušenje. Na splošno velja, da višja kot je prepustnost, nižja je potlačena frekvenca. Poleg tega večji kot je volumen ferita, boljši je učinek zatiranja. Ko je prostornina konstantna, ima dolga in tanka oblika boljši učinek zatiranja kot kratka in debela, in manjši kot je notranji premer, boljši je učinek zatiranja. Vendar pa v primeru enosmernega ali izmeničnega prednapetostnega toka še vedno obstaja problem nasičenosti ferita. Večji kot je presek dušilnega elementa, manjša je verjetnost, da bo nasičen, in večji prednapetostni tok lahko prenese.
Na podlagi zgornjih načel in značilnosti magnetnih kroglic se uporablja za filter preklopnega napajanja in učinek je očiten. Iz rezultatov testiranja je razvidno, da je uporaba magnetnih kroglic bistveno drugačna. Iz eksperimentalnih rezultatov je razvidno, da ima zaradi vpliva stikalnega napajalnega vezja, strukturne postavitve in moči včasih dober učinek zatiranja motenj v diferencialnem načinu, včasih ima dober učinek zatiranja motenj skupnega načina, in včasih nima učinka zatiranja motenj, ampak poveča motnje hrupa.
Ko magnetni obroč/magnetna kroglica, ki absorbira EMI, zavira motnje diferencialnega načina, je trenutna vrednost, ki prehaja skozenj, sorazmerna z njegovo prostornino, neravnovesje med obema pa povzroči nasičenost, ki zmanjša zmogljivost komponente; pri zatiranju motenj skupnega načina gresta dve žici (pozitivna in negativna) napajalnika hkrati skozi magnetni obroč, učinkovit signal pa je signal diferencialnega načina. Druga boljša metoda pri uporabi magnetnega obroča je, da se žica, ki poteka skozi magnetni obroč, večkrat navije, da se poveča induktivnost. V skladu z njegovim načelom zatiranja elektromagnetnih motenj je mogoče razumno uporabiti njegov učinek zatiranja.
Komponente za zatiranje ferita morajo biti nameščene blizu vira motenj. Za vhodno/izhodno vezje mora biti čim bližje vhodu in izhodu zaščitnega ohišja. Za absorpcijski filter, sestavljen iz feritnega magnetnega obroča in magnetnih kroglic, je treba poleg izbire izgubnih materialov z visoko magnetno prepustnostjo paziti tudi na priložnosti njegove uporabe. Njihova odpornost proti visokofrekvenčnim komponentam v liniji je približno deset do več sto Ω, zato njegova vloga v visokoimpedančnih vezjih ni očitna. Nasprotno, zelo učinkovit bo v tokokrogih z nizko impedanco (kot so tokokrogi za distribucijo električne energije, napajanje ali radiofrekvenčna tokokroga).
