Magneettisten helmien käyttö kytkentävirtalähteen EMC-suunnittelussa
Tässä artikkelissa esitellään ferriittihelmen ominaisuuksia, ja sen ominaisuuksien mukaisesti analysoidaan ja esitellään sen tärkeä sovellus kytkentävirtalähteen EMC-suunnittelussa sekä annetaan kokeelliset ja testitulokset voimajohtosuodattimessa.
EMC:stä on tullut kuuma ja vaikea kysymys nykypäivän elektroniikkasuunnittelussa ja valmistuksessa. EMC-ongelma käytännön sovelluksissa on hyvin monimutkainen, eikä sitä voida ratkaista teoreettiseen tietoon luottamalla. Se riippuu enemmän elektroniikkainsinöörien käytännön kokemuksesta. Elektroniikkatuotteiden EMC-ongelman ratkaisemiseksi paremmin on otettava huomioon esimerkiksi maadoitus, piirien ja piirilevyjen suunnittelu, kaapelien suunnittelu ja suojauksen suunnittelu.
Tässä artikkelissa esitellään magneettihelmien perusperiaatteet ja ominaisuudet havainnollistamaan niiden merkitystä hakkuriteholähteiden EMC:ssä, jotta hakkuriteholähteiden tuotesuunnittelijoille olisi enemmän ja parempia valintoja uusien tuotteiden suunnittelussa.
1 Ferriitti EMI:n vaimennuskomponentit
Ferriitti on ferrimagneettinen materiaali, jolla on kuutiohilarakenne. Sen valmistusprosessi ja mekaaniset ominaisuudet ovat samankaltaisia kuin keramiikan, ja sen väri on harmaa-musta. Eräs EMI-suodattimissa usein käytetty magneettisydäntyyppi on ferriittimateriaali, ja monet valmistajat tarjoavat ferriittimateriaaleja, joita käytetään erityisesti EMI:n vaimentamiseen. Tälle materiaalille on ominaista erittäin suuret suurtaajuushäviöt. Sähkömagneettisten häiriöiden vaimentamiseen käytetyn ferriitin tärkeimmät suorituskykyparametrit ovat magneettinen permeabiliteetti μ ja kyllästysmagneettivuon tiheys Bs. Magneettinen permeabiliteetti μ voidaan ilmaista kompleksilukuna, reaaliosa muodostaa induktanssin ja imaginaariosa edustaa häviötä, joka kasvaa taajuuden kasvaessa. Siksi sen ekvivalenttipiiri on sarjapiiri, joka koostuu induktorista L ja vastuksesta R, sekä L että R ovat taajuuden funktioita. Kun lanka kulkee tämän ferriittisydämen läpi, muodostunut induktiivinen impedanssi kasvaa muodoltaan taajuuden kasvaessa, mutta mekanismi on täysin erilainen eri taajuuksilla.
Matalataajuuskaistalla impedanssi koostuu induktorin induktiivisesta reaktanssista. Matalilla taajuuksilla R on hyvin pieni ja magneettisydämen magneettinen permeabiliteetti on korkea, joten induktanssi on suuri, ja L:llä on tärkeä rooli, ja sähkömagneettiset häiriöt heijastuvat ja vaimentuvat; ja tällä hetkellä magneettisydämen häviö on pieni, ja koko laite on kela, jolla on pieni häviö ja korkeat Q-ominaisuudet.
Korkeataajuuskaistalla impedanssi koostuu vastuskomponenteista. Taajuuden kasvaessa magneettisydämen magneettinen permeabiliteetti pienenee, mikä johtaa induktorin induktanssin laskuun ja induktiivisen reaktanssikomponentin pienenemiseen. Kuitenkin tällä hetkellä magneettisydämen menetys kasvaa ja vastuskomponentti kasvaa, mikä johtaa kokonaisimpedanssin kasvuun. Kun suurtaajuinen signaali kulkee ferriitin läpi, sähkömagneettiset häiriöt absorboituvat ja hajoavat lämpöenergian muodossa.
Ferriitin vaimennuskomponentteja käytetään laajalti painetuissa piirilevyissä, voimalinjoissa ja datalinjoissa. Jos piirilevyn sähköjohdon tulopäähän lisätään ferriitin vaimennuselementti, voidaan korkeataajuiset häiriöt suodattaa pois. Ferriittimagneettisia renkaita tai magneettihelmiä käytetään erityisesti vaimentamaan suurtaajuisia häiriöitä ja piikkihäiriöitä signaalilinjoissa ja voimalinjoissa. Sillä on myös kyky absorboida sähköstaattisen purkauksen pulssihäiriöitä.
2. Magneettisten helmien periaate ja ominaisuudet Kun virta kulkee langan läpi sen keskireiässä, se on magneettirata, joka kiertää magneettihelmen sisällä. EMI-säätöön tarkoitetut ferriitit tulee formuloida siten, että suurin osa magneettivuosta haihtuu lämpönä materiaalissa. Tämä ilmiö voidaan mallintaa kelan ja vastuksen sarjayhdistelmällä. kuten kuvassa 2 näkyy
Kahden komponentin numeerinen arvo on verrannollinen magneettipallon pituuteen, ja magneettihelmen pituudella on merkittävä vaikutus vaimennusvaikutukseen. Mitä pidempi magneettihelmen pituus, sitä parempi vaimennusvaikutus. Koska signaalienergia on magneettisesti kytketty magneettipalloon, induktorin reaktanssi ja resistanssi kasvavat taajuuden kasvaessa. Magneettikytkennän tehokkuus riippuu helmimateriaalin magneettisesta läpäisevyydestä suhteessa ilmaan. Yleensä helmen muodostavan ferriittimateriaalin häviö voidaan ilmaista monimutkaisena suurena sen läpäisevyyden kautta suhteessa ilmaan.
Magneettiset materiaalit käyttävät usein tätä suhdetta kuvaamaan häviökulmaa. EMI-vaimennuskomponenteille tarvitaan suuri häviökulma, mikä tarkoittaa, että suurin osa häiriöistä hajoaa eikä heijastu. Nykyään saatavilla oleva laaja valikoima ferriittimateriaalia tarjoaa suunnittelijoille laajan valikoiman vaihtoehtoja ferriittihelmien käyttämiseen eri sovelluksissa.
3 Magneettisten helmien käyttö
3.1 Piikin vaimennin
Hakkuriteholähteen suurin haitta on se, että siitä on helppo synnyttää kohinaa ja häiriöitä, mikä on keskeinen tekninen ongelma, joka on vaivannut hakkuritehoa pitkään. Hakkuriteholähteen kohina johtuu pääasiassa kytkentätehoputken ja kytkentätasasuuntausdiodin nopeasti muuttuvasta suurjännitekytkentä- ja pulssioikosulkuvirrasta. Siksi tehokkaiden komponenttien käyttö niiden rajoittamiseksi minimiin on yksi tärkeimmistä menetelmistä kohinan vaimentamiseksi. Epälineaarista kyllästettyä induktanssia käytetään yleensä käänteisen palautusvirran huipun vaimentamiseen, tällä hetkellä rautasydämen toimintatila on -Bs plus Bs. Hakkuriteholähteen vapaakäynnistysdiodin korkean magneettisen läpäisevyyden ja kyllästyvien ultrapienten induktanssielementtimagneettihelmien johdonmukaisuuden mukaan kehitetään piikin vaimennin, jota käytetään vaimentamaan kytkentävirtalähdettä kytkettäessä syntyvää huippuvirtaa.
Piikkisuojainten suorituskykyominaisuudet
(1) Alku- ja maksimiinduktanssiarvot ovat erittäin korkeat, ja jäännösinduktanssin epälineaarisuus kyllästymisen jälkeen on erittäin epäselvä. Piiriin sarjaan kytkemisen jälkeen virta nousee ja näyttää heti suurta impedanssia, jota voidaan käyttää ns. hetkellisen impedanssin elementtinä.
(2) Se soveltuu estämään transienttivirran huippusignaali puolijohdepiirissä, iskuvirityspiirissä ja siihen liittyvässä kohinassa, ja se voi myös estää puolijohteen vaurioitumisen.
(3) Jäännösinduktanssi on erittäin pieni ja häviö on hyvin pieni, kun piiri on vakaa.
(4) Se on täysin erilainen kuin ferriittituotteiden suorituskyky.
(5) Niin kauan kuin magneettista kyllästystä vältetään, sitä voidaan käyttää erittäin pienenä, korkean induktanssin induktanssielementtinä.
(6) Sitä voidaan käyttää korkean suorituskyvyn tyydyttävänä rautasydämenä pienellä häviöllä ohjaamaan ja synnyttämään värähtelyä.
Piikin vaimennin edellyttää, että rautasydänmateriaalilla on korkeampi magneettinen permeabiliteetti, jotta saadaan suurempi induktanssi; kun suuri neliösuhde voi kyllästää rautasydämen, induktanssin pitäisi pudota nopeasti nollaan; pakkovoima on pieni ja suurtaajuushäviö pieni, muuten rautasydämen lämmönpoisto ei toimi normaalisti.
Piikin vaimentimen tarkoitus on pääasiassa vähentää virran huippusignaalia; vähentää nykyisen huippusignaalin aiheuttamaa kohinaa; estää kytkentätransistorin vaurioitumisen; vähentää kytkentätransistorin kytkentähäviötä; kompensoi diodin palautusominaisuudet; estää suurtaajuisen pulssivirran iskuherätyksen. Käytä ultrapienenä linjasuodattimena jne.
3.2 Käyttö suodattimessa a) Testitulos ilman magneettihelmiä b) Testitulos magneettihelmillä c) Testitulos L-viivalla ja magneettihelmillä d) Testitulos N-viivalla ja magneettihelmillä
Tavalliset suodattimet koostuvat häviöttömistä reaktiivisista komponenteista. Sen tehtävänä piirissä on heijastaa pysäytyskaistan taajuus takaisin signaalilähteeseen, joten tämän tyyppistä suodatinta kutsutaan myös heijastussuodattimeksi. Kun heijastussuodatin ei vastaa signaalilähteen impedanssia, osa energiasta heijastuu takaisin signaalilähteeseen, mikä johtaa häiriötason nousuun. Tämän haitan ratkaisemiseksi voidaan käyttää ferriittimagneettista rengasta tai magneettihelmiholkkia suodattimen sisääntulevassa linjassa, ja ferriittirenkaan tai magneettihelmen aiheuttamaa suurtaajuisen signaalin pyörrevirtahäviötä voidaan käyttää muuntamaan korkea. -taajuuskomponentti lämpöhäviöön. Siksi magneettirengas ja magneettihelmet itse asiassa absorboivat korkeataajuisia komponentteja, joten niitä kutsutaan joskus absorptiosuodattimiksi.
Eri ferriitin vaimennuskomponenteilla on erilaiset optimaaliset vaimennustaajuusalueet. Yleensä mitä suurempi läpäisevyys on, sitä pienempi on vaimennettu taajuus. Lisäksi mitä suurempi ferriitin tilavuus, sitä parempi vaimennusvaikutus. Kun tilavuus on vakio, pitkällä ja ohuella muodolla on parempi vaimennusvaikutus kuin lyhyellä ja paksulla, ja mitä pienempi sisähalkaisija, sitä parempi vaimennusvaikutus. DC- tai AC-bias-virran tapauksessa on kuitenkin edelleen olemassa ferriitin kyllästymisongelma. Mitä suurempi vaimennuselementin poikkileikkaus on, sitä epätodennäköisemmin se kyllästyy, ja sitä suurempaa esijännitettä se kestää.
Yllä olevien magneettihelmien periaatteiden ja ominaisuuksien perusteella sitä sovelletaan kytkentävirtalähteen suodattimeen, ja vaikutus on ilmeinen. Testituloksista voidaan nähdä, että magneettihelmien käyttö on merkittävästi erilaista. Kokeellisista tuloksista voidaan nähdä, että hakkuriteholähdepiirin, rakenteellisen sijoittelun ja tehon vaikutuksesta johtuen sillä on joskus hyvä vaimennusvaikutus differentiaalimuotoisiin häiriöihin, joskus sillä on hyvä vaimennusvaikutus yhteismuotoisiin häiriöihin, ja joskus sillä ei ole häiriöitä vaimentavaa vaikutusta, mutta se lisää kohinahäiriöitä.
Kun EMI-absorboiva magneettirengas/magneettihelmi vaimentaa differentiaalitilan häiriötä, sen läpi kulkeva virran arvo on verrannollinen sen tilavuuteen, ja näiden kahden välinen epätasapaino aiheuttaa kyllästymisen, mikä heikentää komponentin suorituskykyä; yhteismoodihäiriöitä vaimentaessa virtalähteen kaksi johtoa (positiivinen ja negatiivinen) kulkevat samanaikaisesti magneettirenkaan läpi, ja tehollinen signaali on differentiaalimuotoinen signaali. Toinen parempi menetelmä magneettirenkaan käytössä on saada magneettirenkaan läpi kulkeva lanka kierrettyä toistuvasti useita kertoja induktanssin lisäämiseksi. Sen sähkömagneettisten häiriöiden vaimennusperiaatteen mukaan sen vaimennusvaikutusta voidaan kohtuudella käyttää.
Ferriitin vaimennuskomponentit tulee asentaa lähelle häiriölähdettä. Tulo-/lähtöpiirissä sen tulee olla mahdollisimman lähellä suojakotelon tuloa ja ulostuloa. Magneettisesta ferriittirenkaasta ja magneettihelmistä koostuvan absorptiosuodattimen kohdalla sen lisäksi, että valitaan häviöllisiä materiaaleja, joilla on korkea magneettinen permeabiliteetti, on kiinnitettävä huomiota myös sen käyttötarkoituksiin. Niiden resistanssi linjan suurtaajuisia komponentteja vastaan on noin kymmenestä satoihin Ω, joten niiden rooli suurimpedanssisissa piireissä ei ole ilmeinen. Päinvastoin, se on erittäin tehokas matalaimpedanssisissa piireissä (kuten virranjakelu-, teholähde- tai radiotaajuuspiireissä).
