Mágneses gyöngyök alkalmazása a kapcsolóüzemű tápegység EMC tervezésében
Jelen cikk bemutatja a ferritgyöngy jellemzőit, jellemzőinek megfelelően elemzi és bemutatja fontos alkalmazását a kapcsolóüzemű tápegységek EMC tervezésében, valamint megadja a kísérleti és vizsgálati eredményeket a tápvonali szűrőben.
Az EMC a mai elektronikai tervezés és gyártás forró és nehéz kérdésévé vált. Az EMC probléma a gyakorlati alkalmazásban nagyon bonyolult, elméleti tudásra támaszkodva nem oldható meg. Ez inkább az elektronikai mérnökök gyakorlati tapasztalatától függ. Az elektronikai termékek elektromágneses összeférhetőségének problémájának jobb megoldása érdekében figyelembe kell venni olyan kérdéseket, mint a földelés, az áramkör és a NYÁK-kártya tervezése, a kábeltervezés és az árnyékolás tervezése.
Ez a cikk bemutatja a mágneses gyöngyök alapelveit és jellemzőit, hogy szemlélteti jelentőségét a kapcsolótápegység EMC-ben, annak érdekében, hogy a kapcsolótápegység-termékek tervezői számára több és jobb választási lehetőséget biztosítson új termékek tervezése során.
1 Ferrit EMI elnyomó alkatrészek
A ferrit egy ferrimágneses anyag, köbös rácsszerkezettel. Gyártási folyamata és mechanikai tulajdonságai hasonlóak a kerámiáéhoz, színe szürkésfekete. Az EMI-szűrőkben gyakran használt mágneses mag egyik típusa a ferritanyag, és sok gyártó kifejezetten az EMI-elnyomásra használt ferritanyagokat kínál. Ezt az anyagot nagyon nagy nagyfrekvenciás veszteségek jellemzik. Az elektromágneses interferencia elnyomására használt ferrit esetében a legfontosabb teljesítményparaméterek a mágneses permeabilitás μ és a telítési mágneses fluxussűrűség Bs. A μ mágneses permeabilitás komplex számmal fejezhető ki, a valós rész az induktivitást, a képzeletbeli rész pedig a veszteséget jelenti, amely a frekvencia növekedésével növekszik. Ezért ennek megfelelő áramköre egy L tekercsből és egy R ellenállásból álló soros áramkör, L és R egyaránt a frekvencia függvényei. Amikor a vezeték áthalad ezen a ferritmagon, a kialakult induktív impedancia alakja a frekvencia növekedésével nő, de a mechanizmus teljesen más a különböző frekvenciákon.
Az alacsony frekvenciasávban az impedancia az induktor induktív reaktanciájából tevődik össze. Alacsony frekvenciákon az R nagyon kicsi, és a mágneses mag mágneses permeabilitása nagy, ezért az induktivitás nagy, és az L fő szerepet játszik, és az elektromágneses interferencia visszaverődik és elnyomódik; és ebben az időben a mágneses mag vesztesége kicsi, és az egész eszköz egy alacsony veszteséggel és magas Q karakterisztikával rendelkező induktor.
A nagyfrekvenciás sávban az impedancia ellenálláskomponensekből tevődik össze. A frekvencia növekedésével a mágneses mag mágneses permeabilitása csökken, ami az induktor induktivitásának csökkenését és az induktív reaktancia komponens csökkenését eredményezi. Ekkor azonban a mágneses mag vesztesége növekszik, és az ellenálláskomponens növekszik, ami a teljes impedancia növekedését eredményezi. Amikor a nagyfrekvenciás jel áthalad a ferriten, az elektromágneses interferencia elnyelődik és hőenergia formájában disszipálódik.
A ferrit elnyomó alkatrészeket széles körben használják nyomtatott áramköri kártyákon, elektromos vezetékeken és adatvezetékeken. Ha a nyomtatott tábla tápvezetékének bemeneti végéhez ferrit elnyomó elemet adunk, akkor a nagyfrekvenciás interferencia kiszűrhető. A ferrit mágneses gyűrűket vagy mágneses gyöngyöket kifejezetten a nagyfrekvenciás interferenciák és a tüskés interferenciák elnyomására használják jel- és tápvezetékeken. Ezenkívül képes elnyelni az elektrosztatikus kisülési impulzus interferenciát.
2. A mágneses gyöngyök elve és jellemzői Amikor az áram átfolyik a vezetéken a központi furatában, az egy mágneses pálya lesz, amely a mágnesgyöngy belsejében kering. Az EMI szabályozására szolgáló ferriteket úgy kell összeállítani, hogy a mágneses fluxus nagy része hőként disszipálódik az anyagban. Ez a jelenség egy tekercs és egy ellenállás soros kombinációjával modellezhető. a 2. képen látható módon
A két komponens számértéke arányos a mágnesgyöngy hosszával, és a mágnesgyöngy hossza jelentős hatással van az elnyomó hatásra. Minél hosszabb a mágnesgyöngy, annál jobb az elnyomó hatás. Mivel a jelenergia mágnesesen kapcsolódik a mágnesgyöngyhöz, az induktor reaktanciája és ellenállása a frekvencia növekedésével nő. A mágneses csatolás hatékonysága a gyöngy anyagának levegőhöz viszonyított mágneses permeabilitásától függ. Általában a gyöngyöt alkotó ferrit anyag vesztesége komplex mennyiségben fejezhető ki a levegőhöz viszonyított permeabilitása révén.
A mágneses anyagok gyakran ezt az arányt használják a veszteségszög jellemzésére. Nagy veszteségi szög szükséges az EMI-elnyomó komponensekhez, ami azt jelenti, hogy az interferencia nagy része eloszlik és nem tükröződik. A manapság rendelkezésre álló ferrit anyagok széles választéka a tervezők számára a lehetőségek széles skáláját kínálja a ferritgyöngyök különböző alkalmazásokban történő felhasználására.
3 Mágneses gyöngyök alkalmazása
3.1 Tüskecsillapító
A kapcsolóüzemű tápegység legnagyobb hátránya, hogy könnyen generálható zaj és interferencia, ami kulcsfontosságú műszaki probléma, amely hosszú ideje sújtja a kapcsolóüzemű tápellátást. A kapcsolóüzemű táp zaját elsősorban a kapcsoló tápcső és a kapcsoló egyenirányító dióda gyorsan változó nagyfeszültségű kapcsolási és impulzusos zárlati árama okozza. Ezért a zajcsökkentés egyik fő módszere a hatékony komponensek használata, amelyek minimálisra korlátozzák azokat. A nemlineáris telített induktivitást általában a fordított visszaállási áramcsúcs elnyomására használják, ekkor a vasmag üzemállapota -Bs és plusz Bs között van. A kapcsolóüzemű tápegység szabadonfutó diódáján lévő nagy mágneses permeabilitású és telíthető ultra-kis induktivitású elem-mágneses gyöngyök konzisztenciájának megfelelően a kapcsolóüzemű tápegység kapcsolásakor keletkező csúcsáram elnyomására szolgáló tüskecsillapítót alakítanak ki.
A tüskecsillapítók teljesítményjellemzői
(1) A kezdeti és maximális induktivitás értéke nagyon magas, és a maradék induktivitás értékének nemlinearitása a telítés után rendkívül nyilvánvaló. Az áramkörre sorba kapcsolás után az áram azonnal megemelkedik és nagy impedanciát mutat, amely úgynevezett pillanatnyi impedancia elemként használható.
(2) Alkalmas a tranziens áramcsúcs jel megelőzésére a félvezető áramkörben, az ütési gerjesztő áramkörben és a kísérő zajban, valamint megakadályozhatja a félvezető károsodását.
(3) A maradék induktivitás rendkívül kicsi, és a veszteség nagyon kicsi, ha az áramkör stabil.
(4) Teljesen eltér a ferrittermékek teljesítményétől.
(5) Amíg a mágneses telítést elkerüljük, ultra kicsi, nagy induktivitású induktivitású elemként használható.
(6) Nagy teljesítményű telíthető vasmagként használható kis veszteséggel az oszcilláció szabályozására és generálására.
A tüskecsillapító megköveteli, hogy a vasmag anyagának nagyobb mágneses permeabilitása legyen a nagyobb induktivitás eléréséhez; amikor a nagy négyzetarány telítheti a vasmagot, az induktivitás gyorsan nullára csökken; kicsi a kényszerítő erő és kicsi a nagyfrekvenciás veszteség, különben a vasmag hőleadása nem működik megfelelően.
A tüskecsillapító célja elsősorban az áramcsúcs jel csökkentése; csökkenti az aktuális csúcsjel okozta zajt; megakadályozza a kapcsolótranzisztor károsodását; csökkenti a kapcsolótranzisztor kapcsolási veszteségét; kompenzálja a dióda helyreállítási jellemzőit; megakadályozza a nagyfrekvenciás impulzusáram sokk gerjesztését. Használja ultra-kis vonalszűrőként stb.
3.2 Alkalmazás szűrőben a) Vizsgálati eredmény mágneses gyöngyök nélkül b) Vizsgálati eredmény mágneses gyöngyökkel c) Vizsgálati eredmény L vonallal és mágneses gyöngyökkel d) Vizsgálati eredmény N vonallal és mágneses gyöngyökkel
A hagyományos szűrők veszteségmentes reaktív komponensekből állnak. Az áramkörben az a funkciója, hogy a stopsáv frekvenciáját visszaverje a jelforráshoz, ezért ezt a fajta szűrőt reflexiós szűrőnek is nevezik. Ha a reflexiós szűrő nem egyezik a jelforrás impedanciájával, az energia egy része visszaverődik a jelforrásra, ami az interferenciaszint növekedését eredményezi. Ennek a hátránynak a kiküszöbölésére a szűrő bejövő vezetékén ferrit mágnesgyűrű vagy mágneses gyöngyhüvely használható, a nagyfrekvenciás jel ferritgyűrű vagy mágnesgyöngy általi örvényáram-vesztesége pedig felhasználható a magas feszültség átalakítására. -frekvencia komponens hőveszteségbe. Ezért a mágneses gyűrű és a mágneses gyöngyök valójában nagyfrekvenciás komponenseket nyelnek el, ezért ezeket néha abszorpciós szűrőknek nevezik.
A különböző ferrit elnyomás komponensek eltérő optimális elnyomási frekvencia tartományban vannak. Általában minél nagyobb az áteresztőképesség, annál alacsonyabb a frekvencia elnyomása. Ezenkívül minél nagyobb a ferrit térfogata, annál jobb az elnyomó hatás. Ha a térfogat állandó, a hosszú és vékony alak jobb elnyomó hatással rendelkezik, mint a rövid és vastag, és minél kisebb a belső átmérő, annál jobb az elnyomási hatás. Egyenáram vagy váltóáram esetén azonban továbbra is fennáll a ferrittelítettség problémája. Minél nagyobb az elnyomó elem keresztmetszete, annál kisebb a valószínűsége annak, hogy telítődjön, és annál nagyobb az előfeszítő áram, amelyet képes ellenállni.
A mágneses gyöngyök fenti elvei és jellemzői alapján a kapcsolóüzemű tápegység szűrőjére alkalmazzák, és a hatás nyilvánvaló. A vizsgálati eredményekből látható, hogy a mágneses gyöngyök alkalmazása jelentősen eltér. A kísérleti eredményekből látható, hogy a kapcsolóüzemű tápegység áramköre, a szerkezeti elrendezés és a teljesítmény hatására néha jó elnyomó hatást fejt ki a differenciális üzemmódú interferenciára, néha jó elnyomó hatást a közös módusú interferenciára, és néha nem csillapítja az interferenciát, hanem növeli a zajinterferenciát.
Amikor az EMI-t elnyelő mágneses gyűrű/mágneses gyöngy elnyomja a differenciális módú interferenciát, a rajta áthaladó áramérték arányos a térfogatával, és a kettő közötti egyensúlyhiány telítettséget okoz, ami csökkenti az alkatrész teljesítményét; a közös módú interferencia elnyomásakor a tápegység két vezetéke (pozitív és negatív) egyszerre halad át egy mágneses gyűrűn, a hatásos jel pedig egy differenciálmódusú jel. Egy másik jobb módszer a mágneses gyűrű használatában az, hogy a mágnesgyűrűn áthaladó vezetéket többször többször feltekercseljük, hogy növeljük az induktivitást. Az elektromágneses interferencia elnyomásának elve szerint elnyomó hatása ésszerűen használható.
A ferritet elnyomó alkatrészeket az interferencia forrásához közel kell telepíteni. A bemeneti/kimeneti áramkör esetében a lehető legközelebb kell lennie az árnyékolóház bemenetéhez és kimenetéhez. A ferrit mágnesgyűrűből és mágnesgyöngyökből álló abszorpciós szűrőnél a veszteséges, nagy mágneses permeabilitású anyagok kiválasztása mellett az alkalmazási alkalmakra is figyelmet kell fordítani. A vezetékben lévő nagyfrekvenciás alkatrészekkel szembeni ellenállásuk körülbelül tíz-száz Ω, így szerepe a nagy impedanciájú áramkörökben nem nyilvánvaló. Éppen ellenkezőleg, nagyon hatékony lesz az alacsony impedanciájú áramkörökben (például áramelosztó, tápegység vagy rádiófrekvenciás áramkörökben).
